Специальные стали и сплавы¶

Специальные стали и сплавы — группа металлических материалов на основе железа и других металлов, отличающихся от обычных конструкционных сталей заданным комплексом физико-химических, механических или технологических свойств. К ним относят легированные, высоколегированные, жаропрочные, коррозионностойкие, электротехнические, прецизионные и инструментальные стали, а также сплавы на никелевой, титановой, алюминиевой и кобальтовой основе. Основной признак специальных сталей и сплавов — их состав и структура целенаправленно проектируются под конкретные условия эксплуатации: высокие температуры, агрессивные среды, знакопеременные нагрузки, магнитные или электрические поля.

¶Общие сведения

Обычная углеродистая сталь содержит железо, углерод (до 2,14 %) и неизбежные примеси — кремний, марганец, серу, фосфор. Специальные стали дополнительно легируют хромом, никелем, молибденом, вольфрамом, ванадием, титаном, ниобием, кобальтом, медью, азотом и другими элементами. Легирование изменяет фазовый состав, размер зерна, тип карбидов и неметаллических включений, что и определяет итоговые свойства.

Сплавы на нежелезной основе (никелевые, титановые, алюминиевые, кобальтовые, медные) выделяют в отдельную группу, поскольку их поведение подчиняется иным закономерностям, хотя принципы легирования и термообработки во многом схожи.

¶Классификация

¶По назначению

• Конструкционные — для несущих элементов машин и сооружений, работающих при повышенных нагрузках.
• Инструментальные — для режущего, штампового, измерительного инструмента; отличаются высокой твёрдостью и теплостойкостью.
• Коррозионностойкие (нержавеющие) — содержат не менее 12 % хрома, устойчивы к атмосферной, кислотной и щелочной коррозии.
• Жаропрочные и жаростойкие — сохраняют прочность и не окисляются при температурах 500–1100 °C.
• Электротехнические — с заданными магнитными свойствами (трансформаторные, магнитомягкие, магнитотвёрдые).
• Прецизионные — с особыми физическими характеристиками: инвар, элинвар, сплавы с заданным коэффициентом теплового расширения.
• Криогенные — сохраняющие пластичность при температурах жидкого азота и гелия.

¶По структуре

Различают стали ферритного, мартенситного, аустенитного, перлитного и смешанных классов. Аустенитные стали (например, типа 12Х18Н10Т) немагнитны и обладают высокой коррозионной стойкостью, тогда как мартенситные (типа 40Х13) — прочны и твёрды, но менее стойки к коррозии.

¶По степени легирования

• низколегированные — суммарное содержание легирующих элементов до 2,5 %;
• среднелегированные — от 2,5 до 10 %;
• высоколегированные — свыше 10 %.

¶Основные легирующие элементы

¶Технология получения

Специальные стали выплавляют в дуговых и индукционных печах, а для особо ответственных применений применяют вакуумно-дуговой, электрошлаковый, электронно-лучевой и плазменный переплав. Вакуумный переплав снижает содержание газов и неметаллических включений, что повышает надёжность материала. Далее следуют горячая деформация, термическая обработка (закалка, отпуск, отжиг, нормализация) и, при необходимости, химико-термическая обработка — цементация, азотирование, нитроцементация.

Порошковая металлургия позволяет получать быстрорежущие стали и жаропрочные сплавы с равномерной мелкозернистой структурой, а также экономить дорогостоящие легирующие элементы.

¶Применение

Специальные стали и сплавы применяются в авиастроении (лопатки и диски турбин), энергетике (парогенераторы, реакторы), нефтегазовой и химической промышленности (трубопроводы, реакторы, арматура), медицине (имплантаты, инструменты), приборостроении и электротехнике. В России крупными производителями являются металлургические комбинаты и специализированные заводы, выпускающие продукцию по государственным стандартам (ГОСТ) и техническим условиям.

¶Значение и развитие

Развитие специальных сталей связано с ростом рабочих температур и нагрузок в технике. Совершенствуются жаропрочные никелевые сплавы для газотурбинных двигателей, создаются экономнолегированные коррозионностойкие стали, активно исследуются аддитивные технологии и металлические порошки для 3D-печати. Отдельное направление — радиационно-стойкие стали для атомной энергетики и материалы для водородной энергетики, устойчивые к водородному охрупчиванию.

¶Интересные факты

• Нержавеющая сталь была запатентована в 1913 году английским металлургом Гарри Брирли.
• Инвар — сплав железа с 36 % никеля — почти не расширяется при нагреве и применяется в точных приборах.
• Некоторые жаропрочные никелевые сплавы содержат более десяти легирующих элементов одновременно.

Источники: учебники по материаловедению, справочники по металловедению и термической обработке, государственные стандарты РФ.