Мартенситно-стареющие стали

Производство и обработка этих сплавов обходятся дорого; кроме того, эти сплавы имеют малое практическое применение. Их типичные механические свойства приведены ниже*:

σВ, МПа………………1850/2000	δ, %...................................12/13
σ0,2,МПа……………...1730/1950	ψ, %...................................53/58

* Числитель—аустенитизация + старение при  700° С + обработка  холодом при — 78оС + старение при 480°С, 3 ч; знаменатель — аустенитизация + холодная деформация 60% + обработка холодом при —78°С + старение 480о С, 3 ч.

* Числитель—аустенитизация + старение при  700° С + обработка  холодом при — 78оС + старение при 480°С, 3 ч; знаменатель — аустенитизация + холодная деформация 60% + обработка холодом при —78°С + старение 480о С, 3 ч.

 

 

 

 

4. Другие мартенситно-стареющие стали

 

Вследствие высокой стоимости мартенситно-стареющих сталей пытаются получить более дешевые варианты другого состава, где никель частично или полностью заменен марганцем, кобальтом, медью, хромом и другими элеметнтами. И несмотря на то что при этом может быть получен тот же уровень прочности, что и в сплавах на Fе—Ni основе, их пластичность и особенно вязкость заметно ниже. Путем добавления к обычной комбинации кобальта с молибденом других элементов, вызывающих дисперсионное твердение, можно понизить их стоимость.

Подходящими добавками являются те, которые обеспечивают прочность, такую же, как в сталях с комбинацией кобальта с молибденом. Сильное упрочнение при старении вызывает легирование титаном и алюминием, титаном или бериллием; умеренное — легирование алюминием, ниобием, марганцем, кремнием, танталом, ванадием и вольфрамом; слабое упрочнение при старении обеспечивает введение меди, кобальта и циркония. При легировании такими относительно недорогими элементами, как алюминий, алюминий с титаном, кремний и медь, прочность, однако, может быть достигнута лишь при определенном снижении вязкости. Особенно интересным является влияние выделений в сталях с кремнием и бериллием. Выделения имеют ОЦК решетку, и благодаря очень малому отличию от матричной решетки α-Fе они когернтны с матрицей, очень дисперсны и не склонны к росту. Примером такого типа выделений служит NiBe, способный обеспечить высокую прочность. Необходимое количество вводимого бериллия мало (0,2%), но его стоимость высока.

Мартенситно-стареющие стали с 18—25 % Ni не являются коррозионностойкими, что ограничивает их использование. Вследствие этого были разработаны сплавы, в которых никель частично заменен хромом. Эти

сплавы должны иметь состав, обеспечивающий отсутствие δ-феррита, не слишком низкую температуру МН и вместе с тем содержать хром в количестве, достаточном для получения высокого сопротивления коррозии. Ниже приведены два типичных сплава:

1.  0.02% С; 10% Ni; 10% Сr; 2% Мо; 0.3% А1; 0,2% Ti. Этот сплав не очень значительно упрочняется при старении, и его предел текучести достигает всего 1170—1400 МПа. Однако его ударная вязкость сравнима с таковой для сталей типа 18% Ni—Со Мо при том же уровне прочности.

2.  0,02% С; 7% Ni; 10% Сr; 10% Со; 5,5% Мо. Этот сплав значительно более легирован и дорог, однако в состаренном состоянии он имеет предел текучести ~1500—1600 МПа.

Оба сплава высоко коррозионностойкие вследствие повышенного содержания хрома. Во втором сплаве вместо фазы Ni3Mo выделяется R-фаза, в состав которой входят Сr—Со—Мо и которая подобна фазе, образующейся в сталях типа 12% Сr—Со—Мо.

 

5. Основные свойства и применение

 

В основных типах мартенситно-стареющих сталей, описанных выше, не обеспечиваются свойства, которые превосходят свойства стали 18 % Ni —- 5% Мо—Со стандартного состава. Основные механические свойства этих сталей приведены ниже:

 

σВ, МПа	770	920	1080	1230	1540	1850	2000
σ0,2, МПа	620	790	950	1130	1460	1800	1950
KCV при 20°С,Дж/см2	237	170	135	85	34	25	19

 

 

Стоимость мартенситно-стареющих сталей высока, и она определяется не только стоимостью легирующих элементов, но также и необходимостью применения материалов с высокой степенью чистоты для получения лучшей вязкости и использования однократного или двойного вакуумного переплава. Кроме того, необходимость многократной термической обработки также увеличивает стоимость сплавов.

Рис. 5. Соотношение значений предела текучести и ударной вязкости по Шарпи для мартенситно-стареющей стали с 18 % Ni в состаренном состоянии и для сверхпрочной стали SAE 4340 после закалки и отпуска (2)

Рис. 6. Соотношение между параметрами вязкости разрушения и пределом текучести для мартенситно-стареющей стали с 18% Ni (1) и сверхпрочной стали после закалки и отпуска (2)

 

 

Сплав 18% Ni — 5% Мо — 8% Со является единственным, который нашел промышленное применение в значительных масштабах. Он обладает очень высокой вязкостью по сравнению с обычными закаленными и отпущенными сталями (рис. 5 и 6). Падение вязкости происходит при очень низкой температуре (—260°С). Сталь также прекрасно сваривается. 

Широкое использование сверхпрочных сталей, обладающих высокой удельной прочностью, имеет место в случае, когда необходима высокая вязкость и стоимость не является лимитирующим фактором. Типично применение стали для легковесных военных мостов, корпусов ракет, высоконапряженных конструкций и арматуры, для экструзионных прессов и штампов, специальных ответственных механизмов и валов, литейных форм, для держателей штампов и легковесных высокопрочных шасси вертолетов, крюков авиационных лееров и др. Как и для всех сверхпрочных сталей, их механическая обработка является проблемой, но не более трудной, чем у обычных закаленных и отпущенных сталей.

 

6. Марки Мартенситно-стареющих сталей

Сталь 02Н18К9М5Т-ИД (ЭП637-ИД)

 Группа: Конструкционные мартенситно-стареющие стали

Применение:  Сталь 02Н18К9М5Т-ИД применяется для изготовления тяжелонагруженных деталей ответственного назначения, валы вертолетов. Сварные корпуса двигателей, резервуары высокого давления больших размеров, детали крепежа, зубчатых передач двигателей.

    Сталь 02Н18К9М5Т-ИД (ЭП637-ИД) выплавляют в вакуумных  индукционных печах с последующим  вакуумно-дуговым переплавом.

Химический состав стали:

Al	C	Co	Fe	Mn	Mo	Ni	P	S	Si	Ti
≤0,15	≤0,02	8,5-9,5	Осн.	≤0,1	4,6-5,5	17,7-19	≤0,01	≤0,01	≤0,1	0,6-0,8

 

 

Сталь 21НКМТ-ВИ (ВЭС-130)

 Группа: Конструкционные мартенситно-стареющие стали

Применение: Сталь 21НКМТ-ВИ применяется для изготовления упругих чувствительных элементов сложной формы, подвесов, роторов, гироскопов.

    Сплав выплавляется  вакуумно-индукционным способом.

Химический состав стали:

Al

C

Co

Cr

Fe

Mn

Mo

Ni

P

S

Si

Ti

Y

≤0,2

≤0,03

8,5-9,5

≤0,3

Осн.

≤0,1

4,5-5,5

20,5-21,5

≤0,01

≤0,01

≤0,1

0,6-0,9

Расч. 0,01

 

 

Сталь 03Н15К10М5Ф5-ИД (ЭК169-ИД)

 Группа: Конструкционные мартенситно-стареющие стали

Применение: Сталь 03Н15К10М5Ф5-ИД применяется для изготовления крупногабаритных высокооборотных маховиков, крупногабаритных тяжелонагруженных деталей, валов, осей, болтов и бандажей роторов.

    Сталь ОЗН15К10М5Ф5-ИД  выплавляют в вакуумных индукционных  печах с последующим вакуумно-дуговым  переплавом.

Химический состав стали:

Al	C	Co	Fe	Mn	Mo	Ni	P	S	Si	V
≤0,15	≤0,03	9-9,7	Осн.	≤0,1	4,6-5,3	14,5-15,5	≤0,01	≤0,01	≤0,1	5-5,7

 

 

Сталь 03Н14Х4М2Т2-ВИ

 Группа: Конструкционные мартенситно-стареющие стали

Применение: Сталь 03Н14Х4М2Т2-ВИ применяется для изготовления тяжелонагруженных деталей, крепежных деталей, болтов, осей и емкостей. Сталь выплавляют вакуумно-индукционным способом.

 

 

Химический состав стали:

C	Cr	Fe	Mn	Mo	Ni	P	S	Si	Ti
≤0,03	3,7-4,2	Осн.	≤0,1	1,7-2,2	14,5-15,5	≤0,01	≤0,01	≤0,1	1,5-2

 

 

Сталь 03Х13Н8Д2ТМ (ЭП699)

 Группа: Коррозионностойкие мартенситно-стареющие стали

Применение: Сталь 03Х13Н8Д2ТМ применяется для изготовления силовых элементов сварных конструкций, работающих при температурах от 20 до -196 °С.

    Сталь выплавляется  в открытых индукционных печах.

Химический состав стали:

C	Cr	Cu	Fe	Mn	Mo	Ni	P	S	Si	Ti
≤0,03	12,0-13,0	1,5-2,0	Осн.	≤0,5	0,25-0,75	7,8-8,8	≤0,02	≤0,02	≤0,5	0,7-1,0

 

 

Сталь 03Х9К14Н6М3Д (ЭП921)

 Группа: Коррозионностойкие мартенситно-стареющие стали

Применение: Сталь 03Х9К14Н6М3Д применяется для изготовления сварных тяжелонагруженных деталей и конструкций при температуре от 400 до —196 °С при воздействии слабоагрессивных сред; обладает высокой эрозионной стойкостью (износостойкие клапана запорных узлов кислородных установок).

    Примечание. Сталь  выплавляют в открытых индукционных  печах, а также методами ВДП  и ЭШП.

 

Химический состав стали:

C	Co	Cr	Cu	Fe	Mn	Mo	Ni	P	S	Si	V
≤0,03	13-14	8,5-9,5	1-1,5	Осн.	0,2-0,6	3,0-4,0	6,0-7,0	≤0,01	≤0,01	≤0,1	0,1-0,25

 

 

 

 

Выводы

 

Мартенситно-стареющие стали – это перспективный класс высокопрочных сталей с интерметаллидным упрочнением при окончательной термической обработке – старении – применяющиеся для изготовления деталей, работающих в условиях экстремальных механических нагрузок.

Широкому внедрению этих сталей препятствует их высокая стоимость, обусловленная значительным содержанием никеля, кобальта, молибдена.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературных источников

 

1. Бондарь В. И. Новые материалы/ учебн. пособие для студентов металлургических специальностей. – Мариуполь: ПГТУ, 2004. – 71 с.
2. Малинов Л. С., Малинов В. Л. Экономнолегированные сплавы с мартенситными превращениями и упрочняющие технологии. – Харьков: ННЦ  ХФТИ, 2007. – 352 с.
3. Пикеринг Ф. Б. Физическое металловедение и разработка сталей. М.: «Металлургия», 1982. – 182 с.
4. Гуляев А. П. Металловедение. М.: «Металлургия», 1977. – 650 с.
5. А. П. Шлямнев. и др: «Коррозионностойкие, жаростойкие и высокопрочные стали и сплавы; Справ, изд». - М.: "Интермет Инжиниринг". 2000.