Стали и сплавы с особыми химическими и физическими свойствами

Сплавы с особыми химическими и физическими свойствамиполучают эти свойства в результате специального легирования и термической обработки. К этой группе сплавы относятся как стали, так и сплавы на основе других металлов. В данной работе ограничимся рассмотрением сталей и сплавов на основе железа и никеля.

Жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы (ГОСТ 5632-72) обладают стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550ºС и работают в ненагруженном или слабонагруженном состоянии. К ним относятся стали с высоким содержанием хрома – чем больше его количество, тем выше жаростойкость сплава: для сталей 12Х18Н9, 12Х17 она составляет 850-900ºС; для сталей 15Х25Т, 10Х23Н18, 12Х25Н16Г7АР и др. – более 1000ºС, для хромоникелевых сплавов ХН32Т, ХН45Ю, ХН78Т – более 1300ºС.

Жаропрочные стали обладают повышенными механическими свойствами при высоких температурах. Ниже 300ºС наибольшую прочность имеют простые конструкционные стали, определенным образом обработанные; до 500ºС используются стали, легированные 1%Cr и 0,5%Mo: 12ХМ, 15 ХМ, 12Х1МФ, 12Х2МФБ; при температурах от 500ºС до 600ºС используют стали с повышенным содержанием хрома: 12Х12В2МФ, 12Х13, 15Х11МФ; при температурах выше 600ºС применяют стали с большим количеством хрома, никеля и добавками других элементов: 09Х14Н16Б, 08Х18Н10Т, 08Х23Н18, 4Х14Н14В2М и др. К высокожаропрочным сплавам, применяемым при температурах 700-900ºС, относятся никелевые сплавы ‑ нимоники. Это сплавы системы Ni-Cr-Ti-Al, содержащие от 70 до 77% Ni, от 12 до 22% Cr, от 1 до 5% Fe, по 1-2% Al и Ti: ХН77ТЮ, ХН70ВМТЮ. Часто наряду с этими сплавами применяют близкие к ним по природе железоникелевые сплавы (на основе Fe): ХН35ВТ, ХН35ВТЮ с 14-16% Cr, 0,06-0,12% С, 2,8-3,5% W, 1,5-2,5% Ti.

Коррозионностойкие стали (ГОСТ 5632-72) имеют в своем составе не менее 12%Cr, они обладают положительным потенциалом, не ржавеют и не окисляются на воздухе, в воде, в ряде кислот, солей и щелочей: 08Х13, 12Х13, 40Х13, 14Х17Н2, 15Х28, 10Х14Г14НТ, 12Х18Н10Т, литейные 16Х18Н12С4ТЮЛ, особовысококачественные 06Х16Н15М3Б-Ш и др.

Кислотостойкими (кислотоупорными) являются стали типа Cr-Ni-Mo, Cr-Ni-Mo-Cu: 10Х17Н13М2Т, 09Х16Н15М3Б, 06Х23Н28М3Д3Т, а если необходимо иметь еще и высокие механические свойства, то к применению рекомендуется сплав типа Cr-Ni-Mo-Cu-Ti-Al. Также применяются сплавы на основе никеля типа хастеллой: Н70МФ, ХН65МВ с высоким содержанием молибдена (до 29%).

Криогенные стали необходимы в качестве металлических материалов для машин и оборудования, предназначенных для транспортировки и хранения сжиженных газов, и, следовательно, эксплуатируемых до температур кипения: кислорода (‑183ºС), азота (‑196ºС), неона (‑247ºС), водорода (‑253ºС), гелия (‑269ºС), а также сжиженных углеводородов (метила, бутана и др.), температуры кипения которых лежат в интервале ‑80÷‑180ºС. К криогенным сталям относятся 0Н6, 0Н9А; чаще криогенные стали являются одновременно и нержавеющими: 03Х19Г10Н7М2, 3Х20Н16АГ6, 10Х14Г14Н4Т, 12Х18Н10Т.

Электротехнические сплавы. К этой категории сплавов можно отнести следующие сверхпроводящие промышленные сплавы (ГОСТ 10994-74): 65БТ, содержащий 63-68% Nb, 22–26% Ti, 8,5-11,5% Zr, остальное Fe; проволоку сплава 35БТ состава 33,5-36,5% Nb, 60–64% Ti, 1,7-4,3% Zr, остальное Fe, используют в медной матрице, как композиционный материал. К реостатным сплавам (ГОСТ 492-2006) относятся МНМц-3-12 (манганин), МНМц-40-1,5 (константан), МНМц-43-0,5 (копель), содержащие никель, марганец и медь. К сплавам для нагревательных элементов следует отнести Х23Ю5 (хромаль), Х13Ю4 (фехраль), содержащие хром, алюминий и железо, а также Х20Н80 (нихром) – сплав хрома и никеля с добавлением 1,5% Fe.

Магнитомягкие материалы. Для получения больших индукций в слабых магнитных полях применяют сплавы Fe‑Ni (пермаллой), имеющие очень высокую магнитную проницаемость, малую коэрцитивную силу, большое электросопротивление. К таким сплавам относятся 45Н, 50Н, 50НХС, 79НМ, 76НХД, 80НХС, цифры в маркировке указывают содержание никеля в %, углерода менее 0,1%.

Магнитотвердые материалы. Это стали, используемые для постоянных неответственные магнитов массового производства, обладающих малой магнитной энергией из-за относительно невысокой коэрцитивной силы: ЕХ3, ЕХ5К5, ЕХ9К15М2. Буква Е означает магнитотвердую сталь. Все стали содержат ~1% С, цифры после букв, обозначающих наличие химических элементов, показывают их содержание в %. Стали применяются после закалки.

Материалы с особыми тепловыми свойствами. К этой группе материалов относят сплавы Fe‑Ni, имеющие малый коэффициент теплового расширения – инварные (неизменные) сплавы, и содержащие 29-45% Ni: 36Н, 32НКД, 29НК, 33НК, 47НД (ГОСТ 10994-74). Некоторые сплавы Fe‑Ni обладают малым температурным коэффициентом модуля упругости (элинвары): 36НХ, 36НХТЮ, 42НХТЮ, 44НХТЮ.

Немагнитные стали. В машиностроении от материала иногда требуются немагнитность и механическая прочность одновременно. Такими свойствами обладают стали 55Г9Н9Х3 и 45Г17Ю3.

Материалы с особыми упругими свойствами необходимы для изготовления силовых пружин и рессор общего назначения. От этих материалов требуются высокий предел упругости (близкий к значению предела прочности) и высокий пределов выносливости. Этим требованиям удовлетворяют среднеуглеродистые простые и легированные стали после термической обработки (закалки и среднего отпуска). Также находят применение железоникелевые сплавы (ГОСТ 10994-74), например, 36НХТЮ, содержащий 43,61–48,8% Fe, 35-37% Ni, до 0,05% С, 36НХТЮМ8.