Стали повышенной и высокой теплостойкости

Эти стали применяются для изготовления прошивок, матриц для горячего прессования высокопрочных алюминиевых сплавов и прессформ для формообразования легированных сталей.

Для деформирования стали при ударных нагрузках и необхо­димости резкого охлаждения, обеспечивающего интенсивный цикл работы, т. е. в условиях, когда нужна высокая разгаростойкость, а нагрев рабочего слоя не достигает высоких значений, используются стали 4Х5В2ФС и типа 4Х5ВМС и 4ХЗМФ. Эти стали применимы, в частности, для скоростной штамповки.

Они так же используются для деформирования небольших быстро подстывающих заготовок. В этих случаях деформирование может сопровождаться повышенными динамическими нагруз­ками и для более тяжелых условий работы:

а) прессования, выдавли­вания и прошивки при повышенных температурах;

б) штампов небольшого сечения, например, тонких пуансонов, отвод тепла у которых затруднен.

Для тяжелых температурных условий, а также де­форми­рова­ния труднообрабатываемых сплавов, например жаропрочных, зарекомендовала себя сталь 3Х3В8Ф, превосходящая другие стали по теплостойкости. Наибольшую тепло- и разгаростойкость имеет стпль 4Х3В5М3Ф.

Сталь 3Х2В8 относится к ледобуритному классу. Ее теплостойкость обусловлена высоким содержанием вольфрама. Она часто используется для изготовления прессформ литья под давлением.

Для тяжелых условий работы штампового инструмента, когда разогретый металл имеет высокую прочность, используются стали высокой теплостойкости. В таких условиях работы поверхностные слои штампов могут нагреваться до высоких температур, превышающих температуры отпуска. По этой причине приходится пользоваться сталями упрочняемыми интерметаллидами и легированные кобальтом, который, находясь в твердом растворе, повышает теплостойкость стали.

Стали 2Х6В8М2К8 и 3Х10В7М2К10 относятся к сталям карбидно-нитерметаллидного класса, причем в них доля интерметаллидного упрочнения больше, чем карбидного. Упрочняющими фазами в этих сталях являются фазы Ме₆С и МеС (специальные карбиды) и (Fe, Co)₂W и (Fe, Co)₇W6 (интерметаллиды).

Термическая обработка этих сталей заключается в закалке и последующего старения.

Л 26. Нанокристаллические, квазикристаллические и аморфные материалы.

Перспективны особого класса материалы – состоящие из макроскопических частиц, размеры которых лежат в области от 1 до 100 нм..

Резко возрастает роль поверхности, перестройка которой затрагивает как решеточную, так и электронную подсистемы, причем для частиц размером порядка 10 нм само разделение свойств на "объемные" и "поверхностные" оказывается неоправданным. Одним из проявлений такой перестройки является качественное изменение спектров элементарных возбуждений, чувствительных как к изменению симметрии, так и к наличию границ. Эти черты ультрадисперсных частиц вызывают определенные аномалии в поведении электронов, фононов, плазмонов, магнонов и других элементарных возбуждений и, естественно, влекут за собой ряд качественных отличий физических свойств ультрадисперсных сред от свойств соответствующих массивных материалов.

В теории ультрадисперсных сред плодотворно используются методы физики твердого тела. Учитываются специфические черты малых частиц в таких традиционных вопросах физики твердого тела и физического металловедения, как теория фазовых переходов.

Ультрадисперсные металлические среды уже были успешно применены, в частности, для соединения разнородных материалов, для создания композиционных материалов и др.

Разнообразие уникальных свойств ультрадисперсных сред связано со специфическим характером состояний атомов и электронов в малых частицах (порядка 1-100 нм), являющихся основным морфологическим элементом ультрадисперсных сред. Взаимодействие этих частиц приводит к релаксационным процессам (коагуляции, коалесценции, спеканию и т.п.), интенсифицируя или подавляя которые с помощью различных внешних воздействий (ультразвука, электромагнитного облучения, электронных пучков и т.п.), можно изготавливать ультрадисперсионные среды с заданными свойствами.

В порошковой металлургии используются частицы таких размеров, при которых роль поверхности резко возрастает и становится сравнимой с ролью объемных эффектов, хотя свойства поверхности этих частиц в основных чертах совпадают с аналогичными свойствами соответствующих массивных материалов. При этом на поверхности ультрадисперсных частиц происходит радикальная перестройка расположения атомов и изменение типа межатомных связей по сравнению с поверхностью массивного материала.

Наличие комплекса новых качеств и свойств ультрадисперсных систем свидетельствует о существовании особого конденсированного состояния вещества, которое реализуется в ультрадисперсных средах. Получение ультрадисперсных сред на основе различных металлов и сплавов в настоящее время осуществляют специально разработанными технологическими методами.

Важнейшей особенностью ультрадисперсных частиц, полученных в условиях высоких пересыщений, является существенно неравновесный характер их формы и структуры. Специфические черты фазовых и структурных состояний вещества в ультрадисперсных системах порождают иногда нежелательную эволюцию свойств этих структур и создают определенные технологические и эксплуатационные трудности, связанные с нестабильностью параметров устройств на основе дисперсных систем при хранении и в процессе эксплуатации.

Получение ультрадисперсных наночастиц

В проблеме изготовления ультрадисперсных частиц выделяют требования, заключаются в том, что метод должен позволять получать ультрадисперсные частицы в широком (от 1 до 100 нм) диапазоне размеров, в условиях, когда возможны контроль и управление параметрами процесса. Распределение частиц по размерам должно быть достаточно узким. В процессе изготовления необходимо обеспечить защиту поверхности частиц покрытиями (оболочками), предотвращающими самопроизвольное спекание и гарантирующими физико-химическую и электрическую изоляцию.

Другая группа требований состоит в том, что метод должен быть высокопроизводительным, экономичным, обеспечивающим воспроизводимое получение порошков контролируемого состава и т.п. В настоящее время, очевидно, не существует метода, отвечающего в полной мере всей совокупности требований.

К физическим методам получения металлических частиц относят механическое измельчение, распыление, конденсацию из паровой фазы в вакууме или при пониженном давлении инертного газа - так называемый метод испарения в газовой фазе.

К химическим методам относят, например, метод электрического диспергирования с образованием коллоидов при электрическом разряде в жидкости, метод восстановления, осаждения.

Хорошо управляемом и контролируемом производстве металлических частиц размером от десяти до тысячи нанометров, имеющих чистую поверхность является метод испарения в газе. Достоинство этого метода заключается в возможности получения порошков всех металлов, большинства сплавов и соединений.

Конструкция установок для получения порошка методом испарения в газе аналогична конструкции установок для вакуумного напыления. В отличие от установок вакуумного напыления внутри установки поддерживается давление инертного газа типа гелия, аргона, ксенона или азота в диапазоне от 10 до ~ 10⁴ Па. Как и при вакуумном напылении, порошок получают в результате нагрева и испарения материала в инертном газе.

Имеются установки, в которых реализован метод постоянного нагрева материала до высокой температуры, позволяющие непрерывно получать большое количество порошка. При реализации метода плазменной струи показана возможность получения порошка никеля со средним размером частиц 20 нм с производительностью 48 г/ч.

Получение расплава материала достигается в процессе высокочастотного индукционного нагрева. Сложность состоит в необходимости предотвращения наведенного разряда в газе. Однако можно считать, что этот метод может стать промышленным, так как он обеспечивает высокую эффективность нагрева больших объемов материала.

Нагрев и испарение материала достигаются в струе низкотемпературной плазмы, выбрасываемой из отверстия плазмотрона. Стабильную плазму низкого давления можно получить, используя инертный газ с добавкой водорода. Достоинством метода плазменной струи является возможность стабильного испарения таких материалов, как вольфрам, молибден, тантал, окись кремния, углерод, имеющих высокую температуру плавления и низкое давление паров. Лазерный (СО₂) метод обеспечивает стабильное испарение веществ с низким давлением паров типа окиси алюминия, нитрида бора.

Кроме перечисленных изучают методы нагрева в тигле, метод дугового разряда, электронного луча.

Повышение давления паров металла (т.е. увеличение плотности) приводит после достижения достаточного числа зародышей к увеличению размеров частиц.. Мельчайшие частицы, находящиеся в этой зоне, при высокой температуре легко коагулируют. Если повысить температуру и над этой зоной, то произойдет слияние частиц, в результате могут быть получены более крупные частицы.

Диаметр частиц металлов, получаемых методом испарения в газе, может меняться от 1 до 1 000 нм. Частицы металла характеризуются следующими общими свойствами: каждая частица представляет собой монокристалл, при увеличении диаметра частиц более 20-30 нм проявляется склонность к кристаллической огранке; частицы диаметром менее 20 нм имеют сферическую форму; на воздухе частицы окисляются, в результате чего образуется окисная оболочка.

Есть возможность получить частицы состава, одинакового с исходным материалом (например, частиц окислов кремния, магния, алюминия) путем испарения в газе с лазерным нагревом. Кроме того, результаты экспериментов с различными сплавами показали, что составы исходных материалов и средние по объему частиц составы полученных порошков совпадают.

Кристаллизация аморфных сплавов

В этом методе нанокристаллическая структура создается в аморфном сплаве путем его кристаллизации. Спиннингование, т.е. получение тонких лент аморфных металлических сплавов с помощью быстрого (со скоростью не менее 10⁶ К/с) охлаждения расплава на поверхности вращающегося диска или барабана отработано достаточно хорошо. Далее аморфная лента отжигается при контролируемой температуре для кристаллизации. Для создания нанокристаллической структуры отжиг проводится так, чтобы возникало большое число центров кристаллизации, а скорость роста кристаллов была низкой. Первой стадией кристаллизации может быть выделение мелких кристаллов промежуточных метастабильных фаз. При изучении аморфного сплава на основе Ni выявлено, что сначала образуются маленькие кристаллы метастабильного сильно пересыщенного твердого раствора фосфора в никеле Ni(P), и только после этого появляются кристаллы фосфидов никеля. Предполагается, что барьером для роста кристаллов может быть аморфная фаза. Нанокристаллическую ленту удается получать и непосредственно в процессе спиннингования. Этим методом была получена лента сплава Ni₆₅Al₃₅, которая состояла из кристаллов интерметаллида NiAl со средним размером зерна порядка 2 мкм. Эти кристаллы, в свою очередь, обладали очень равномерной микродвойниковой субструктурой с характерными размерами в несколько десятков нанометров. Эта субструктура препятствовала распространению микротрещин и тем самым повышала пластичность и вязкость хрупкого интерметаллида NiAl.

Кристаллизация аморфных сплавов особенно активно изучается в связи с возможностью создания нанокристаллических ферромагнитных сплавов систем Fe-Cu-Me-Si-B (Мe - Nb, Ta, W, Mo, Zr), имеющих очень низкую коэрцитивную силу и высокую магнитную проницаемость, т.е. мягких магнитных материалов. На основе изучения тонких пленок сплава Ni-Fе было показано, что мягкие магнитные свойства улучшаются при уменьшении эффективной магнитокристаллической анизотропии. Этого можно достичь, если увеличить число зерен, участвующих в обменном взаимодействии в тонких магнитных пленках. Иначе говоря, уменьшение размера приводит к росту обменного взаимодействия, уменьшению магнитокристаллической анизотропии и тем самым - к улучшению мягких магнитных свойств.

Мягкими магнитными материалами являются Si-содержащие стали, поэтому попытки улучшения мягких магнитных свойств путем кристаллизации аморфных сплавов сначала проводились на сплавах системы Fe-Si-B с добавками меди. Однако получить в этой системе сплавы с нанокристаллической структурой не удалось. Только введение в аморфный сплав Fe-Si-B помимо Cu добавок переходных металлов IV-VII групп позволило получить в результате кристаллизации нанокристаллпческую структуру. Кристаллизация аморфных сплавов Fe-Cu-Nb-Si-B при 700-900 К позволила получить сплав с однородной нанокристаллической структурой. В этом сплаве в аморфной матрице равномерно распределены зерна ОЦК фазы γ-Fe(Si) размером порядка 10 нм и кластеры меди размером менее 1 нм.

Высокая стойкость в химически агрессивных средах и малая теплопроводность оксидной керамики позволяют использовать ее в элементах конструкций, испытывающих воздействие химических реагентов и повышенных температур. Как правило, это пористые элементы, предназначенные для фильтрации, влаго- и газоразделения, теплоизоляции и т.п. Высокая биологическая инертность делает возможным использование керамики в медицине, в частности, в эндопротезировании костной ткани. Искусственные эндопротезы костной ткани в ряде случаев для лучшей биомеханической фиксации также должны обладать развитой поровой структурой.

Между тем керамика – хрупкий материал. Присутствие пор в структуре керамики сопровождается катастрофической потерей механической прочности, что существенно ограничивает использование керамики в пористых конструкциях. Решение проблемы, связанной с получением керамики с развитой поровой структурой и высокими прочностными свойствами, возможно при использовании порошков с размером структурных элементов в диапазоне нескольких десятков нанометров. Порошки со столь малым размером частиц характеризуются высокой активностью при спекании, что позволяет получить пористый материал с высокой прочностью связи на границах зерен.

Л 27. Экономические принципы применения материалов.

В РФ производится и применяется более 1000 марок легирован­ных сталей, при этом около 80 % всей производимой стали расходуется на производственно-эксплуатаци­онные нужды и 20 % на капитальное строительство. Глав­ным потребителем металла является машиностроение и ме­таллообработка (40%). Среди машиностроительных ми­нистерств крупнейшими потребителями готового проката являются: ав­томобильная промышленность, тяжелое и транс­портное машиностроение. Значительно меньшую металлоемкость имеют станкостроительная и инструментальная промышленность, машиностроение для легкой и пищевой промышленности.

В капитальном строительстве стальной прокат в основном используется на армирование железобетонных конструкций и на производство сварных стальных конструкций. Доля производства легированной стали в общем объем выплавки составляет около одной четверти. При таких масштабах производства и применения специальных сталей особое значение приобретает рациональный выбор легирующих элементов по их стоимости и дефицитности и экономическая эффективность использования легированных ста лей в народном хозяйстве страны. Стоимость и дефицитность легирующих элементов в каждой стране различные и определяются природными запасами элемента, масштабами и технологией его промышленного производства и потребления, конъюнктурой на мировом рынке.

Так, большие запасы марганца в нашей стране сделали его наиболее дешевым и широко используемым элементом в отечественной металлургии; наоборот, в США марганец в значительной доле импортируется и является одним из наиболее дефицитных элементов. Также надо отметить, что в нашей стране благодаря огромным запасам и все увели­чивающемуся производству ванадий из числа наиболее де­фицитных элементов становится материалом, который все шире используется для легированных сталей самого раз­личного назначения, в том числе и для сталей массового производства. В настоящее время наиболее широко приме­няемые в нашей стране легирующие элементы можно под­разделить по степени дефицитности на относительно неде­фицитные— Мп, Si, Сг, А1, Т1, V, В и дефицитные — Мо, Си, РЬ, Ni, W, V, Та, Со. Особо дефицитными следует считать N1, Со из-за большой потребности их для произ­водства сплавов специального назначения и прежде всего жаропрочных.

Из-за огромного разнообразия марок сталей по назна­чению факторы, определяющие технико-экономическую эф­фективность применения легированных сталей в народном хозяйстве, в каждом конкретном случае будут свои, одна­ко можно указать несколько общих факторов, определяю­щих техническую и экономическую целесообразность при­менения легированной стали.

На эффективность применения легированной стали для изготовления того или иного изделия и конструкции влияют следующие технико-экономические факторы: получение новых эксплуатационных и технологических свойств металла (например, коррозионная стойкость, жаропрочность, свари­ваемость, штампуемость и т. п.); обеспечение необходимой надежности и долговечности (хладостойкость, износостой­кость, сопротивление усталости и т. п.), уменьшение массы (веса);

снижение расходов на изготовление, монтаж, транс­портирование и эксплуатацию.

При использовании легированной стали чаще всего име­ет место одновременное действие нескольких из перечислен­ных технико-экономических факторов.

Выбор той или иной марки стали для конкретного изде­лия или конструкции будет рациональным и экономически эффективным, если сталь при минимальном легировании обеспечивает требуемый уровень конструктивной прочности, а удорожание материала в результате легирования и из­менения технологии производства не будет превышать эко­номический эффект, достигаемый посредством перечислен­ных технико-экономических факторов.

Изложенные общие принципы экономически рационального выбора легированных сталей проиллюстрируем на двух конкретных примерах:

Низколегированные строительные стали. Эти стали обычно приме­няют взамен углеродистых строительных сталей. Низколегированные стали типа 09Г2, 14Г2, 15ГФ, 09Г2ФБ, 16Г2А обеспечивают повышение предела текучести в 1,3—1,8 раза по сравнению с углеродистой сталью ВСтЗсп. Благодаря этому расход металла сокращается на 15—50 %. Однако, себестоимость проката из низколегированных сталей на 10— 15 % выше, чем из углеродистой стали: из-за расхода легирующих эле­ментов, большего удельного расхода слитков (на 40—50 кг/т) и повы­шенной трудоемкости производства.

Из приведенных данных видно, что себестоимость низколегированных сталей возрастает в меньшей степени, чем достигаемая экономия от уменьшения массы из-за. увеличения проч­ности. Вследствие этого суммарный народнохозяйственный эффект от применения металлопродукции из низколегированных сталей взамен углеродистых достигает большой величины.

Однако не только этим обусловлена эффективность применения низколегированных ста­лей. Так, ряд низколегированных сталей (15ГФ, 09Г2ФБ, 16Г2АФ и др.) обеспечивает достижение новых свойств: снижение порога хладноломко­сти до 40—70 °С, т. е. уменьшение склонности стали к хрупким разру­шениям. Это делает возможным применение таких сталей в районах Сибири и Севера с низкими климатическими температурами, что обес­печивает высокую надежность й долговечность металлоконструкций (например, магистральных газопроводов). Строительство таких газо­проводов из углеродистых сталей практически невозможно из-за силь­ной склонности их к хрупким разрушениям при температуре —40 °С и ниже. Таким образом, эффективность применения низколегированных сталей определяется снижением массы конструкций, повышением их на­дежности и долговечности, снижением расходов на транспортирование металла, монтаж оборудования и конструкций и т. п.

Библиографический список

Основная литература.

1. М.И. Гольдштейн, С.В. Грачев, Ю.Г. Векслер. Специальные стали. Изд. 2. М. : МИСИС, 1999. – 407 с.

2. Журавлев В.Н., Николаева О.И. Машиностроительные стали. Справочник, Изд. 3. –М.: Машиностроение, 1981. – 391 с.

3. Гончаренко И.А., Золотухин В.И., Гвоздев А.Е. Основы технологии термической обработки сталей: Учебное пособие. – Тула: «Гриф и К», 2006. – 326 с.