Спецстали и сплавы, применение специальных сталей

Новые отрасли промышленности, стремительно развивающиеся в последней половине ХХ века (аэрокосмическая, атомная, электроэнергетическая), предъявили новые требования к различным видам стали. Для космической и атомной промышленности требуются материалы, способные функционировать в условиях вакуума, при экстремальных температурах от нескольких тысяч градусов до практически абсолютного нуля, с высоким уровнем радиации и вибрации, в агрессивных химических средах и т. д. Спецсталь, способная выдерживать такие условия и нагрузки, относится к категории специальных.

Спецсталь отличается от обычных сталей по следующим критериям

• Специальным химическим составом;
• Особым способом изготовления и плавки;
• Уникальным методом обработки.

Обычно специализированные стали отличаются от остальных по всем этим параметрам (хотя достаточно наличия хотя бы одного из них, чтобы классифицировать сталь как специализированную). В настоящее время доля специальных сталей в ассортименте металлургической промышленности постоянно растет. Это вполне логично, учитывая спрос на такие стали в машиностроении, судостроении, транспорте и, конечно, в военной промышленности.

Специализированные стали включают сплавы с повышенным содержанием различных элементов, таких как никель, хром, вольфрам, молибден, ванадий и др. Основным признаком является то, что легирующие добавки вводятся в состав специально для придания металлу определенных свойств специальных сталей. В маркировке таких сталей легирующие добавки обычно обозначаются следующим образом:

Х - хром (Cr)
Н – никель (Ni)
К – кобальт (Co)
М – молибден (Mo)
В – вольфрам (W)
Т – титан (Ti)
Д – медь (Cu)
Г – марганец (Mn)
С – кремний (Si)
Ф – ванадий (V)
Р – бор (B)
А – азот (N)
Б – ниобий (Nb)
Е – селен (Se)
Ц – цирконий (Zr)
Ю – алюминий (Al)
Ч – редкоземельные элементы

Например, для придания стали повышенной термостойкости в ее состав добавляют хром (а также частично алюминий и кремний). Реагируя с кислородом, эти элементы образуют в структуре металла особо плотные и прочные структуры из тугоплавких кристаллов, что позволяет металлу выдерживать высокие температуры. Термостойкость стальных сплавов также увеличивают добавки таких металлов, как титан, ниобий или тантал. Такие стальные сплавы иногда называют сильхромами. Примерами таких сталей являются:

• 08Х17Т
• 15Х25Т
• 15Х6СЮ
• 36Х18Н25С2

Первые две цифры в их маркировке указывают на процент углерода в сотых долях, а процент легирующих добавок определяется цифрами после маркирующей буквы (за исключением случаев, когда содержание добавки составляет менее одного процента). Таким образом, в жаропрочной стали 36Х18Н25С2 будет содержаться 0,36% углерода, 18% хрома, 25% никеля и 2% кремния. А в стали марки 15Х6СЮ, содержащей 0,15% углерода и 6% хрома, дополнительно присутствует около одного процента кремния и алюминия.

Хром и никель, добавленные в состав стали, также придают ей устойчивость к коррозии. В зависимости от их структуры, хромоникелевые нержавеющие стали подразделяются на несколько видов, среди которых наибольшее значение имеют:

• Ферритные (F)
• Мартенситные (C)
• Аустенитные (A)

Ферритные хромистые нержавеющие стали содержат очень малое количество углерода, обладают низкой твердостью и могут притягиваться магнитом. В отечественной маркировке они чаще всего обозначаются комбинацией цифр 12Х17. Ферритные стали специального назначения отличаются высокой термостойкостью и плохой свариваемостью, поэтому из них чаще всего производят цельнокатаный прокат, трубы и прутья. Мартенситные сплавы являются наиболее твердыми, но менее устойчивы к коррозии и, как правило, обладают магнитными свойствами. Они наиболее подходят для изготовления кухонной утвари, металлорежущего инструмента и в некоторых областях машиностроения. Аустенитные нержавеющие стали отличаются высоким содержанием хрома (до 20%) и никеля (до 15%), хорошими антикоррозионными свойствами и отсутствием магнитных свойств. Они наиболее популярны среди потребителей благодаря своей относительной легкости обработки. Аустенитные сплавы широко используются в промышленности и особенно популярны для крепежных элементов.

Увеличение устойчивости кислоты в стали также происходит за счет добавления никеля и молибдена. Дополнительные примеси марганца и меди также придают стали устойчивость к кислотам.

Например, сталь 10Х17Н13М2Т содержит 0,1% углерода, 17% хрома, 13% никеля, а также 2% молибдена и приблизительно 1% титана. Однако заводская маркировка стали не отображает ее полный состав. В составе стали марки 12Х18Н10Т помимо 0,12% углерода, 18% хрома, 10% никеля и 1% титана также присутствуют 0,3% меди, 0,2% марганца и 0,8% кремния, хотя эти дополнения могут быть обнаружены только в специализированной литературе.

Эта литература также указывает, что сталь 12Х18Н10Т относится к аустенитным и входит в категорию высоколегированных термо- и коррозионноустойчивых сталей. Для получения полной информации о свойствах "нержавеющих сталей" можно обратиться к стандарту ГОСТ 5632–72, который описывает различные виды специальных сталей, их химический состав, физические свойства и рекомендации по применению.

Из этого стандарта легко понять, что аустенитная группа сталей включает множество сплавов, включая нержавеющие стали серии 300. Они обладают высокой теплостойкостью, коррозионной стойкостью и, следовательно, пользуются большим спросом на рынке.

Свойства сплавов могут изменяться в зависимости от содержания легирующих элементов. Например, добавка серы может повысить прочность стали, но снизить ее коррозионную стойкость.

Например, аустенитная сталь А1, которая способна работать при температурах до 1100 °C, содержит большое количество серы, что делает ее более подверженной коррозии и не подходящей для использования в кислотной среде. Однако изделия из этой стали необходимы для производства щелочей, крекинговых установок и каталитического реформинга.

Сталь также может содержать различные примеси и легирующие элементы, которые присутствуют в железной руде, даже если она не легирована специально. Эти естественные добавки обычно не существенно влияют на качество стали, но иногда их комбинация придает ей особые свойства, как это было наблюдаемо в средневековье с "дамасской сталью".
Свойства обычных и специальных видов стали с одинаковым химическим составом могут значительно различаться в зависимости от процесса их производства. Изменения в физических свойствах стали могут быть вызваны даже минимальными примесями различных элементов в зависимости от технологии плавки и последующей обработки.