11. Зносостійка (аустенітна) сталь

Для деталей, що працюють на знос в умовах абразивного тертя і високих тисків і ударів (наприклад, для траків деяких гусеничних машин, черпаків землечерпальних машин, хрестовин залізничних і трамвайних шляхів і т.д.), застосовують високо марганцеву, литу аустенітну сталь 110Г13Л, що містить 0,9–1,3 % Сu 11,5–14,5 % Мn. Структура цієї сталі після лиття складається з аустеніту і надлишкових карбідів (Мn₃С), що виділяються по границях зерен, що знижує міцність і в'язкість сталі. У зв'язку з цим литі вироби гартують з нагріванням до 1100° С і охолодженням у воді. При такому нагріванні розчиняються карбіди, і сталь після загартування здобуває аустенітну структуру. Сталь з аустенітною структурою сильно зміцнюється під дією холодної деформації. Якщо експлуатація деталі протікає в умовах значних тисків і ударних навантажень, то твердість сталі підвищується в результаті наклепу, що збільшує опір зносу. Висока зносостійкість сталі 110М13Л при наявності ударних навантажень порозумівається не тільки деформаційним зміцненням аустеніту, але й утворенням –мартенситу з гексагональними решітками або з '–ромбоедричними решітками. З цієї причини сталь 110М13Л погано обробляється різанням. Якщо ж під час роботи сталь випробує тільки абразивний знос і відсутні значні тиски й удари, що викликають наклеп, то підвищення зносостійкості не спостерігається.

При підвищеному змісті фосфору сталь 110М13Л холодноноломка. При змісті в сталі більш 0,05 % Р по границях зерна утвориться тендітна фосфідна евтектика, на якій зароджується і росте тендітна тріщина при низьких температурах, тому при використанні сталі в північних районах зміст фосфору повинен бути дорівнює або менш 0,02–0,03 %.

Для виробів, що піддаються зносу в результаті дії потоку рідини або газу, рекомендована сталь 30Х10М10,0Х14АП2, 0Х14П2М, що володіє високої кавітаційною стійкістю внаслідок утворення на поверхні мартенситу деформації при гідравлічних ударах.

12. Корозійностійкі (нержавіючі) сталі і сплави

Корозією називають руйнування металів під дією навколишнього середовища. При цьому часто метали покриваються продуктами корозії (іржавіють). У результаті впливу зовнішнього середовища механічні властивості металів різко погіршуються, іноді навіть при відсутності видимої зміни зовнішнього вигляду поверхні.

Розрізняють хімічну корозію, що протікає при впливі на метал газів (газова корозія) і неелектролітів (нафта і її похідні), і електрохімічну корозію, викликувану дією електролітів (кислот, лугів і солей). До електрохімічної корозії відносяться також атмосферна і ґрунтова корозії.

Сталь, стійку проти газової корозії при високих температурах (понад 550º С), називають жаростійкою. Сталі, стійкі проти електрохімічної корозії, називають корозіоностійкими (нержавіючими). Підвищення стійкості сталі проти корозії досягається введенням у неї елементів, що утворять на поверхні захисні плівки, міцно зв'язані з основним металом і попереджуючим контактом між сталлю і зовнішнім агресивним середовищем, а також підвищувальний електрохімічний потенціал у різних агресивних середовищах.

Підвищення жаростійкості досягається введенням у сталь головним чином хрому, а також алюмінію або кремнію, тобто елементів, що знаходяться у твердому розчині й утворять у процесі нагрівання захисні плівки оксидів (Сr, Fe)₂О₃, (Al, Fe)₂O₃ і ін. Введення в сталь 5–8 % Сr підвищує окалиностійкість до 700–750° С, збільшення змісту Сr до 15–17 % робить сталь окаліностійкой до 950–1000° С. Легування сталей з 25 % Сr алюмінієм у кількості 5 % підвищує жаростійкість до 1300° С. Жаростійкість залежить від складу сталі й у меншому ступені від її структури. У зв'язку з цим жаростійкість феритних і аустенітних сталей при рівній кількості хрому практично однакова.

Склади сталей, стійких проти електрохімічної корозії, встановлюють у залежності від середовища, для якої вони призначаються. Ці сталі можна розділити на два основних класи: хромисті, що мають після охолодження на повітрі феритну, мартенситно–феритну (фериту більш 10 %) або мартенситну структуру, і хромонікелеві, що мають аустенітну, аустенітно–мартенситну або аустенітне–феритну (фериту більш 10 %) структуру.

Хромисті сталі (табл. 11). При введенні в сталь12–14 %, Сr її електрохімічний потенціал стає позитивним і вона здобуває стійкість проти корозії в атмосферних умовах, слабких розчинах кислот і солей і інших агресивних середовищ. Сталі мартенситного класу, що містять 13 % Сr і 0,2–0,4 % С, при охолодженні на повітрі мають структуру мартенситу, мають підвищену твердість і застосовуються для виготовлення деталей, що працюють на знос пружних елементів і інструмента, що ріже, (див. табл. 11). Після термічної обробки сталі 20X13, 30X13 і 40X13 мають приблизно однакову, корозійну стійкість. Більш високої стійкістю проти корозії володіють феритна 08X13 і ферито–мартенситна 12X13 сталі. Ці сталі мають меншу твердість, але більш високу пластичність і задовільно зварюються. Шліфування і полірування підвищують корозійну стійкість сталей з 13 % Сr. Недоліком сталей з 13 % Сr є низька стійкість проти корозійного розтріскування і крапкової корозії в середовищах, що містить іони хлору. Значно більш високою корозійною стійкістю, у тому числі і під напругою, володіють низьковуглецеві феритні сталі, що містять 17–28 % Сr . Ці сталі застосовують головним чином для деталей, що працюють в окисних середовищах (азотній кислоті), у водних розчинах аміаку, сірководні й інших агресивних середовищах. Високо хромисті сталі, особливо з підвищеним змістом вуглецю, азоту, кисню і фосфору, холодноламкі і схильні до росту зерна при нагріванні вище 850– 900° С.

Роздрібнити зерно і підвищити пластичність термічною обробкою не можна, тому що сталі не перетерплюють –перетворення. Після високотемпературного нагрівання, наприклад при зварюванні, феритні сталі здобувають схильність до міжкристалічної корозії (МКК). Цей вид корозії зв'язаний зі збіднінням твердого розчину хромом (нижче 12%) у місцях, що прилягають до границь зерна, у результаті виділенні карбідів М₂₃О₆. Для зниження схильності до інтеркристалітної корозії феритні сталі легують титаном. Титан, зв'язуючи вуглець у карбіди Ti, виключає можливість утворення карбідів хрому і збідніння їм фериту. Одночасно титан затримує ріст зерна ферита. При нагріванні до 550–850° С (рис. 167, в II) можливе виділення –фази (FeCr), що підвищує твердість, але різко знижує пластичність, в'язкість і корозійну стійкість сталі. При 350÷540° С (див. рис. 167, а, III) у високохромістої сталі розвиваються процеси, що приводять до так називаної 475–градусної крихкості, зв'язаної з упорядкуванням і розшаруванням –розчину в прикордонних обсягах.

Зварювання феритних сталей 17 % Сr, що викликає ріст зерна в прилягаючим до звареного шва зонах, знижує їхню корозійну стійкість, тому застосовується рідко для тонкостінних (до 3–5 мм) невідповідальних деталей, а також для деталей, що працюють у корозійному середовищі при 100–350° С. Сталі 15Х25Т, 15X28 і 15Х28Т широко використовують як жаростійкий матеріал до 1000–1100° С.