Высокопрочная нержавеющая сталь мартенситного класса. Технологии Стали и сплавы высоколегированные, коррозионостойкие, жаропрочные и жаростойкие
Условия эксплуатации современной авиационной и космической техники предопределяют крайне жесткие требования к материалам, из которых ее изготавливают.
Здесь и необходимость достижения высокой прочности конструкции при минимальном удельном весе, габаритах и расходе топлива; обеспечение достаточной надежности и длительного рабочего ресурса при воздействии переменных и значительных силовых нагрузок, чередовании повышенных (до 450 градусов) и пониженных (до -253 градусов) температур, коррозионно-активных сред, различного рода излучений и др.
От качества материала в значительной степени зависит конкурентоспособность летательных аппаратов. Для военной техники важны такие характеристики, как дальность полета, скорость, маневренность, точность, возможность полета в любую погоду, грузоподъемность, обеспеченность производства отечественным сырьем; для гражданской - надежность, пожаробезопасность, комфортность, экологичность и т.д. Причем всего этого нужно добиваться при минимизации затрат на разработку, освоение и эксплуатацию машин.
Из перечисленного ясно: используемые в самолетостроении материалы должны обладать высокой удельной прочностью (ее еще называют весовой эффективностью) и жесткостью, коррозионной стойкостью, сопротивлением усталости, а также трещиностойкостью и рядом других. Конечно, обеспечить все требования один какой-то материал просто не в состоянии, поэтому при изготовлении различных частей летательных аппаратов используют самые подходящие из существующих, или создают новые композиции.
Наибольшее применение в настоящее время нашли алюминиевые сплавы. Из них изготавливают нижние и верхние поверхности крыла и фюзеляжа (здесь необходима прочность в пределах 450-550 МПа), элементы так называемого силового набора - различные ребра жесткости и связующие их шпангоуты, фитинги, балки с пределом прочности 500-600 МПа и т.п. Доля таких материалов в современных самолетах доходит до 50-70%.
Весьма распространены титановые сплавы (из них делают отдельные детали шасси, различные балки и др.) и, особенно, полимерные композиты. Последние применяют для изготовления панелей крыла, горизонтального и вертикального оперения, створок люков шасси и силовых установок. При прочности 1700-2500 МПа они имеют удельную массу менее 2 г/см 3 . Их доля в самолетах составляет 8-15, а в вертолетах - около 50%.
На первый взгляд, казалось бы, что в столь представительной "компании" роль сталей должна снижаться, однако дело обстоит совсем иначе. На их долю в пассажирских лайнерах приходится 8-10, в военных - 25 - 50%, и в ближайшем будущем такое соотношение по крайней мере не уменьшится. Стальными делают наиболее нагруженные элементы летательных аппаратов - детали шасси, корпуса гидроцилиндров, трубопроводы гидросистем высокого давления, болты для крепления крыла к фюзеляжу зубчатые передачи редукторов двигателей, шестерни главного редуктора двигательной установки вертолетов и т.д. И это не случайно, поскольку этот, пусть и давно известный материал имеет ряд преимуществ перед своими молодыми "собратьями". Его отличают более высокая жесткость и прочность (что особенно проявляется в мелких деталях), сопротивление циклическим нагрузкам, коррозионная стойкость, хорошая технологичность, т.е. возможность получать заготовки и детали самым разным способом - горячей и холодной деформацией, механической обработкой, сваркой, пайкой и т.д. К тому же сталь стоит относительно недорого. Вот почему со дня основания нашего института одной из приоритетных задач стало создание новых разновидностей сталей.
Постоянное совершенствование конструкций летательных аппаратов требовало непрерывного повышения прочности и удельной прочности (отношение прочности к плотности материала) при сохранении всех преимуществ сталей. Если в авиации до 1941 г. первый из этих параметров колебался от 800 до 1000 МПа, то сейчас - от 1300 до 2000. Впрочем, сложность проблемы заключается не столько в достижении таких показателей, сколько в обеспечении работоспособности выполненных из соответствующих материалов авиационных конструкций.
Дело в том, что повышение прочности сталей ведет к снижению их пластичности, вязкости, трещиностойкости и т.д. В связи с этим разработчики новых их разновидностей ведут непрерывный поиск компромиссов между повышением прочности и обеспечением надежности. В настоящее время в авиационной технике чаще всего применяют три группы высокопрочных сталей: конструкционные среднелегированные; коррозионностойкие; используемые для изготовления деталей, работающих в тяжелых условиях с повышенным трением и подвергаемых химико-термической обработке.
Но в любом случае появление таких материалов заставило пересмотреть принятые ранее подходы к конструированию и технологии изготовления деталей, так как все перечисленные стали обладают рядом специфических особенностей и существенно отличаются от созданных ранее и имевших среднюю прочность (до 1400 МПа). В частности, оказалось: нарушение технологического цикла их получения может приводить к преждевременному выходу из строя деталей, несмотря на полную доброкачественность металла. При этом очагами разрушения могут быть поверхностные или подповерхностные дефекты, полученные на различных стадиях изготовления полуфабриката, самой детали или конструкции целиком. Потому-то было очень важно разработать четкие организационно-технические мероприятия, включающие инструкции по термической и механической обработке деталей, защите от коррозии, сварке и т.д., что нами и было сделано в начале 60-х годов XX в. Кроме того, существенно изменился и подход к изделиям из высокопрочных сталей; основными требованиями к ним стали минимальная концентрация напряжений и высокая чистота поверхности.
Итак, новые стали заняли свое место в авиастроении, причем в зависимости от предела прочности из них изготавливают разные детали. Скажем, если этот параметр находится в пределах 1600-1800 МПа, то такой металл пригоден для производства силового набора планера (лонжероны, различные балки, рамы, оси и т.д.). А стали ВКС-8 (1800-2000 МПа) и ВКС-9 (1950-2100 МПа) незаменимы при изготовлении крупногабаритных сварных деталей (возможна электроннолучевая и аргонно-дуговая сварка) планера и шасси в машинах Конструкторских бюро им. Сухого, Антонова, Микояна, Камова. Мало того. Стали с пределом прочности выше 1950 МПа с успехом заменяют титановые сплавы, что позволяет при их одинаковой удельной прочности существенно уменьшить затраты на производство.
В последние десятилетия разработан новый класс высокопрочных, или так называемых мартенситностареющих сталей. Их прочность 1450-2500 МПа, они обладают уникальными физико-механическими и технологическими свойствами. Например, благодаря низкому содержанию углерода и азота имеют высокую пластичность, вязкость, сопротивление повторностатическим нагрузкам и коррозионному растрескиванию. Этот материал очень технологичен, т.е. заготовки, выполненные из него, после закалки можно подвергать различным видам холодной обработки давлением (раскатку обечаек, накатку резьбы и т.д.), без затруднений обрабатывать режущим инструментом, а затем повышать в два раза их прочность простой термической обработкой - старением (нагрев и охлаждение на воздухе) при относительно низких температурах.
Перечисленные преимущества мартенситностареющих сталей наиболее полно реализуются при изготовлении деталей сложной формы с малыми допусками (в том числе и прецизионных), подвергаемых химико-термической обработке. Металл такого класса нашел применение в тяжелонагруженных узлах истребителей МиГ-31 и МиГ-29, деталей узла поворота и шасси орбитального космического корабля многоразового использования "Буран" и др.
Дальнейшее развитие самолетостроения выдвинуло очередные требования к материалам. В первую очередь речь идет об истребителях, скорость которых опережает звук в 2,5-3 раза, так как для этого они должны преодолевать тепловой барьер - температуры в 280-300 о С, когда алюминиевые сплавы неприменимы. Мы сумели решить и эту задачу. Предложенные нами высокопрочные коррозионностойкие стали обладают всеми необходимыми качествами: высокой прочностью, пластичностью, вязкостью, высокими технологическими свойствами - их легко штамповать, сваривать. Последнее свойство позволяет обойтись без дальнейшей термообработки, и в результате можно создавать сложные, ажурные конструкции, скажем, несущие баки-кессоны, причем без помощи герметиков и клепки, ранее широко применяемых.
Основным материалом в цельносварных самолетных отсеках сверхзвуковых самолетов серии Ми Г стала коррозионностойкая сталь ВНС-2 с пределом прочности 1250- 1400 МПа. В виде листа и ленты ее применяют для обшивки и внутреннего набора, а также при изготовлении силовых деталей (прутки, поковки и т.д.).
Однако в процессе эксплуатации летательных аппаратов, в которых была использована сталь ВНС-2, выяснилось: она недостаточно пригодна в условиях влажного климата (скажем, Средиземноморья). Дальнейший поиск позволил нам получить новые стали ЭП817 (пруток) и ВНС-41 (лист). По своим механическим характеристикам и технологичности они соответствуют уже проверенной ВНС-2, а за счет новой системы легирования и оптимизации режима упрочняющего старения значительно превосходят ее по коррозионной стойкости, причем это касается как основных деталей, так и сварных соединений.
Наибольшее распространение из материалов этого класса получила сталь ВНС-5 с пределом прочности 1380-1600 МПа. Из нее изготавливают силовые детали планеров МиГ и Су, а также шасси гидросамолета Конструкторского бюро им. Бериева. Применяют ее и в гражданской авиации (широкофюзеляжный самолет Ил-86 и аэробус Ил-96) - при производстве высоконагруженных болтов для крепления двигателя к фюзеляжу
Еще один представитель этого класса металлов - сталь СН-2А с пределом прочности 1100-1300 МПа. Она прекрасно зарекомендовала себя как материал для силовых, в том числе крепежных деталей, а также воздушных и кислородных баллонов, которыми оснащены все виды самолетов, включая морскую авиацию. Важнейшая особенность таких баллонов - при пулевом поражении они не разлетаются на осколки.
Сейчас в авиационной и ракетной технике все большее распространение находит новый вид топлива - водород и его окислитель - жидкий кислород, имеющий температуру - 253 градуса. Для работы в таких условиях в нашем институте разработали специальные высокопрочные коррозионностойкие стали (ВНС-25, ВНС-49, ВНС-59) с пределом прочности 1000-1400 МПа при комнатной температуре и 1700-2100 при 20 К (-253 градуса). Этот металл успешно применяют в различных жидкостно-ракетных двигателях, в частности, в самом мощном из них в мире марки PD-170 конструкции КБ "Энергомаш". Детали из этого материала - корпуса насосов и регуляторов подачи горючего - составляют 50-60% от их массы.
В качестве конструкционных материалов, а также для изготовления деталей редукторов и агрегатов, подвергаемых химико-термической обработке, ныне широко применяют среднелегированные и коррозионно-стойкие стали. Объясняется это тем, что в результате долгих изысканий удалось предложить технологию, обеспечивающую сочетание необходимых свойств поверхностного слоя изделия (высокие твердость, износостойкость, сопротивление усталости) и его сердцевины (пластичность, вязкость, технологичность и др.). Так, для тяжелонагруженных, крупномодульных шестерен редукторов разработана сталь ВКС-7 с карбонитридным упрочнением, обеспечивающая после химико-термической обработки глубину упрочняющего слоя до 2,5 мм и твердость больше 60 HRC, что обеспечивает высокую контактную выносливость при рабочих температурах до 250С (пока таких аналогов нет).
Отдельный разговор о вертолетах. Для них в нашем институте создана высокопрочная (до 1300 МПа), износостойкая, теплопрочная сталь ВКС-10. В отличие от серийных отечественных и зарубежных аналогов, работающих при температуре до 250 градусов, она выдерживает 450 градусов. Ее применение обеспечивает передачу больших крутящихся моментов, при которых в зоне контакта зубьев происходит локальное повышение температуры, и даже при нарушении подачи масла работа редуктора может продолжаться в течение 2 ч без аварии.
Все вышесказанное свидетельствует: в авиастроении сталь традиционно остается основным материалом, хотя и она, как, впрочем, и другие творения рук человеческих, требует дальнейшего совершенствования.
Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости - наибольшим напряжением, которое может выдержать материал без разрушения при заданном числе циклических воздействий.
Член-корреспондент РАН Е. М. КАБЛОВ, генеральный директор ГНЦ РФ Государственного предприятия "ВИАМ", доктор технических наук А. Ф. ПЕТРАКОВ, главный научный сотрудник того же центра
Обозначения
Описание
Сталь 08Х15Н5Д2Т применяется : для изготовления прутков горячекатаных и кованых, а также поковок, предназначенных для последующей холодной механической обработки, либо для последующей горячей механической обработки (штамповки, ковки, прокатки и т. п.) при изготовлении деталей машин; деталей агрегатов авиационной техники; сварочной проволоки, применяемой для наплавки деталей и сварки металлоконструкций в энергетическом машиностроении; сварочных электродов; сварных и цельнокатаных колец различного назначения; мягкой и нагартованной ленты толщиной от 0,3 до 1,2 мм и шириной 400 мм.
Примечание
Коррозионностойкая сталь мартенситного класса.
Стандарты
| Название | Код | Стандарты |
|---|---|---|
| Сортовой и фасонный прокат | В22 | ГОСТ 1133-71, ГОСТ 2590-2006 |
| Классификация, номенклатура и общие нормы | В20 | ОСТ 1 90005-91 |
| Болванки. Заготовки. Слябы | В31 | ОСТ 1 90252-77, ОСТ 1 90344-83, ОСТ 1 90357-84, TУ 1-92-15-73, TУ 14-1-1125-74, TУ 14-1-2153-77, TУ 14-1-3104-81 |
| Обработка металлов давлением. Поковки | В03 | TУ 14-1-1530-75, TУ 14-1-2902-80, TУ 14-1-2918-80 |
| Ленты | В34 | TУ 14-1-2269-77, TУ 14-1-3577-83 |
| Листы и полосы | В33 | TУ 14-1-2476-78, TУ 14-1-3426-82, TУ 14-1-3849-84, TУ 14-1-2907-80, TУ 14-1-4583-88, TУ 14-1-835-73 |
| Сортовой и фасонный прокат | В32 | TУ 14-1-374-72, TУ 14-1-744-73 |
| Сварка и резка металлов. Пайка, клепка | В05 | TУ 14-1-997-74, TУ 14-1-997-2012 |
| Трубы стальные и соединительные части к ним | В62 | TУ 14-159-165-87, TУ 14-3-406-75, TУ 14-3-411-75 |
Химический состав
| Стандарт | C | S | P | Mn | Cr | Si | Ni | Fe | Cu | Ti | Mo | Co |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ОСТ 1 90357-84 | ≤0.08 | ≤0.018 | ≤0.02 | ≤1 | 13.5-14.8 | ≤0.7 | 4.8-5.8 | Остаток | 1.75-2.5 | 0.03-0.15 | ≤0.3 | ≤0.5 |
| TУ 14-1-2476-78 | ≤0.08 | ≤0.025 | ≤0.03 | ≤1 | 14.1-15.5 | ≤0.7 | 4.5-5.5 | Остаток | 1.75-2.5 | 0.3-0.5 | - | - |
| TУ 14-1-2918-80 | ≤0.08 | ≤0.018 | ≤0.02 | ≤1 | 13.5-14.8 | ≤0.7 | 4.8-5.8 | Остаток | 1.75-2.5 | 0.03-0.15 | - | - |
| TУ 14-1-3577-83 | ≤0.08 | ≤0.018 | ≤0.02 | ≤1 | 14-15 | ≤0.7 | 4.7-5.5 | Остаток | 1.75-2.5 | 0.15-0.3 | - | - |
| TУ 14-1-744-73 | ≤0.08 | ≤0.018 | ≤0.02 | ≤1 | 13.5-14.8 | ≤0.7 | 4.8-5.8 | Остаток | 1.75-2.5 | 0.03-0.15 | - | ≤0.5 |
| TУ 14-1-2907-80 | ≤0.08 | ≤0.025 | ≤0.03 | ≤1 | 14-15 | ≤0.7 | 4.7-5.7 | Остаток | 1.75-2.5 | 0.15-0.3 | - | - |
| TУ 14-1-835-73 | ≤0.08 | ≤0.025 | ≤0.035 | ≤0.7 | 14-15 | ≤0.7 | 4.7-5.5 | Остаток | 1.75-2.5 | 0.15-0.3 | ≤0.3 | - |
Fe
- основа.
По ТУ 14-1-2902-80 химический состав приведен для стали марок 08Х15Н5Д2Т-Ш и 08Х15Н5Д2Т-ВД.
По ТУ 14-1-835-73 химический состав приведен для стали марки 08Х15Н5Д2Т.
По ТУ 14-1-997-74 и ОСТ 1 90357-84 химический состав приведен для стали 08Х15Н5Д2ТУ-Ш (ЭП410У-Ш).
По ТУ 14-1-744-73 химический состав приведен для 08Х15Н5Д2Т-Ш и 08Х15Н5Д2Т-ВД. При выплавке стали методом вакуумно-дугового переплава с применением контроля по магнитной пробе, допускается как в готовой продукции, так и в ковшевой пробе, отклонение по содержанию никеля плюс 0,4%.
По ТУ 14-1-2918-80 химический состав приведен для стали марок 08Х15Н5Д2Т-Ш и 08Х15Н5Д2Т-ВД. По требованию потребителя сталь марки ЭП41У-Ш и ЭП410У-ВД поставляется с содержанием углерода 0,05-0,08 %, титана для стали ЭП410У-ВД в пределах 0,03-0,10 %, никеля для стали ЭП410У-Ш в пределах 5,2-5,8 % и для стали ЭП410У-ВД никеля в пределах 5,3-5,8 %. В этом случае стали присваивается наименование "селект".
По ТУ 14-1-3577-83 химический состав приведен для 08Х15Н5Д2Т-Ш (ЭП410-Ш, ВНС-2-Ш). Допускаются отклонения в готовой продукции от норм химического состава по марганцу, кремнию и меди - на +0,10 % каждого элемента, по хрому на минус 0,50 %, по никелю на +0,20 %, по фосфору на +0,0050 %.
По ТУ 14-1-2907-80 химический состав приведен для стали марки 08Х15Н5Д2Т. В стали марки 08Х15Н5Д2Т-Ш содержание серы не более 0,018%, фосфора не более 0,020%. В обоих марках стали допускаются отклонения от химического состава: по марганцу, кремнию и меди +0,10% каждого, по фосфору +0,0050%, по хрому -0,50%. Допускается остаточное содержание молибдена в количестве не более 0,30%.
По По ТУ 14-1-2476-78 химический состав приведен для стали марки 08Х15Н5Д2Т (ЭП225), 08Х15Н5Д2Т-ВД (ЭП225-ВД), 08Х15Н5Д2Т-Ш (ЭП225-Ш). В готовой продукции допускаются отклонения по химическому составу в соответствии с ГОСТ 5632.
Механические характеристики
| Сечение, мм | s Т |s 0,2 , МПа | σ B , МПа | d 5 , % | d 10 | y, % | кДж/м 2 , кДж/м 2 | Твердость по Бринеллю, МПа | HRC |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Закалка в воду или на воздухе с 950-975 °С | ||||||||
| 0.8-5 | ≥785 | ≥981 | ≥8 | - | - | - | - | - |
| - | - | 880-1080 | - | - | - | - | 246-311 | 25-31 |
| Закалка в воду или на воздухе с 950-975 °С + Старение при 440-460 °С (выдержка 1 ч) охлаждение на воздухе | ||||||||
| 0.8-5 | ≥1079 | ≥1226 | ≥9 | - | - | - | - | - |
| Градация показателей свойств готовых термообработанных деталей по ОСТ 1 90005-91 | ||||||||
| - | - | 1130-1320 | - | - | - | - | 311-401 | 33-41 |
| - | - | 1230-1370 | - | - | - | - | 363-401 | 36-41 |
| - | - | 1230-1470 | - | - | - | - | - | 37-43 |
| Кольца сварные из стали марки 08Х15Н5Д2Т-Ш по ОСТ 1 90252-77. Закалка на воздухе с 950 °C | ||||||||
| ≥785 | ≥1079 | ≥10 | - | ≥55 | ≥1177 | - | - | |
| ≥706 | ≥981 | ≥6 | - | ≥30 | ≥588 | - | - | |
| Лента в состоянии поставки по ТУ 14-1-3577-83. Без дополнительной термообработки | ||||||||
| ≥785 | ≥980 | - | ≥8 | - | - | - | - | |
| Лента в состоянии поставки по ТУ 14-1-3577-83. Старение при 440-460 °С (выдержка 1 час ± 10 мин), охлаждение на воздухе | ||||||||
| ≥1030 | ≥1230 | - | ≥9 | - | - | - | - | |
| ≥1275 | ≥1370 | - | ≥5 | - | - | - | - | |
| Лента в состоянии поставки по ТУ 14-1-3577-83. Старение при 500-520 °С (выдержка 2,5 час), охлаждение на воздухе | ||||||||
| ≥980 | ≥1130 | - | ≥8 | - | - | - | - | |
| Листовой холоднокатаный (0,7-5,0 мм) и горячекатаный прокат (3,0-6,0 мм) из стали 08Х15Н5Д2Т в состоянии поставки по ТУ 14-1-2476-78. Закалка в воде или на воздухе с 950-975 °C | ||||||||
| - | ≥784 | ≥981 | ≥7 | - | - | - | - | - |
| Листовой холоднокатаный (0,7-5,0 мм) и горячекатаный прокат (3,0-6,0 мм) из стали 08Х15Н5Д2Т по ТУ 14-1-2476-78. Закалка в воде или на воздухе с 950-975 °C + Отпуск при 380-400 °C (выдержка 1 час), охлаждение на воздухе | ||||||||
| ≥883 | ≥1079 | ≥8 | - | - | - | - | - | |
| Поковки, прутки горячекатаные и кованые. Закалка на воздухе с 940-960 °С (выдержка 1 ч) + Отпуск при 640-660 °С (выдержка 1 ч), охлаждение на воздухе + Закалка в воду с 950 °С (выдержка 1 ч) + Отпуск при 590-630 °С (выдержка 2-3 ч), охлаждение на воздухе | ||||||||
| ≥685 | ≥880 | ≥15 | - | ≥60 | - | - | - | |
| - | - | - | - | - | ≥340 | - | - | |
| Поковки, прутки горячекатаные и кованые. Закалка на воздухе с 950-1000 °C (выдержка 0,5-1 ч) + Отпуск при 650 °C (выдержка 1-3 ч), охлаждение на воздухе + Закалка на воздухе с 950 °C с последующей обработкой холодом при минус 70 °C (выдержка 2 ч) + Старение при 425-450 °C (выдержка 1-3 ч), охлаждение на воздухе | ||||||||
| ≥930 | ≥1230 | ≥10 | - | ≥55 | ≥780 | - | - | |
| Поковки, прутки горячекатаные и кованые. Закалка с 940-960 °C, охлаждение на воздухе | ||||||||
| ≥785 | ≥1080 | ≥10 | - | ≥55 | ≥1170 | - | - | |
| ≥785 | ≥1080 | ≥10 | - | ≥55 | ≥1200 | - | - | |
| Сортовой прокат. Закалка на воздухе с 950-1000 °C (выдержка 0,5-1 ч) + Отпуск при 650 °C (выдержка 1-3 ч), охлаждение на воздухе + Закалка на воздухе с 950-1000 °C (выдержка 0,5-1 ч) + Отпуск при 650 °C (выдержка 1-3 ч), охлаждение на воздухе | ||||||||
| ≥930 | ≥1230 | ≥10 | - | ≥55 | ≥765 | - | - | |
| Толстолистовой прокат в состоянии поставки по ТУ 14-1-2907-80. Нагрев до 650-680 °C, охлаждение на воздухе или с печью | ||||||||
| ≤930 | ≤1030 | ≥10 | - | - | - | - | - | |
| Штамповки по ОСТ 1 90357-84. Нагрев до 990-1010 °C, выдержка 1 час + Закалка на воздухе или в воду + Старение при 415-435 °C в течение 1-3 часов | ||||||||
| ≥930 | ≥1230 | ≥10 | - | ≥55 | ≥784 | - | - | |
ЭП817 – кратковременный предел прочности 1350 МПа. Сталь предназначена для изготовления сварных и несварных силовых узлов, длительно работающих при температурах до 300°С во всеклиматических условиях. Сталь не склонна к коррозии под напряжением. Сварные соединения не склонны к межкристаллитной коррозии и коррозии под напряжением. Сталь хорошо сваривается аргоно-дуговой сваркой с присадкой и без присадки, электронно-лучевой сваркой, а также электроконтактными видами сварки. После сварки не требуется последующая термическая обработка.
ВНС-16-1 – кратковременный предел прочности 1275 МПа. Применяется для изготовления сложных паяно-сварных конструкций, работающих до 450°С .
СН-2А, ВНС-5, ВНС-43 – кратковременный предел прочности 1200–1650 МПа. Обладают высокими вязкостью разрушения, трещиностойкостью, хорошо свариваются всеми видами сварки с обеспечением высокой прочности сварных соединений после термической обработки. Применяются для изготовления крепежа и силовых деталей планера.
ВНС-65 – кратковременный предел прочности 1760 МПа. Сталь переходного аустенито-мартенситного класса предназначена для высоконагруженных силовых, в том числе сварных, деталей планера, работающих при температурах от -70 до +200°С во всеклиматических условиях. Сталь не склонна к межкристаллитной коррозии, хорошо сваривается аргоно-дуговой сваркой с присадкой, а также электронно-лучевой сваркой.
СН-3, СН-3ПН – кратковременный предел прочности >1200 МПа. Применяются для обшивки и деталей внутреннего набора планера.
ВНС-73 – кратковременный предел прочности 1375 МПа. Сталь мартенситного класса предназначена для изготовления сварных и несварных силовых деталей самолетов, длительно работающих при температурах от -70 до +200°С во всеклиматических условиях. Сталь хорошо сваривается автоматической аргоно-дуговой сваркой без присадки (неплавящимся электродом) и ручной аргоно-дуговой сваркой с присадкой. После сварки не требуется обязательная термическая обработка. Сталь не склонна к коррозии под напряжением: σ =980 МПа в условиях камеры солевого тумана (KСТ-35).
ВНС-74 – кратковременный предел прочности 1400–1495 МПа. Сталь мартенситного класса предназначена для изготовления крепежа, получаемого холодной высадкой, эксплуатирующегося во всеклиматических условиях при температурах от -70 до +350°С. Сталь не склонна к коррозии под напряжением в условиях камеры солевого тумана (КСТ-35) и морском климате при приложенном напряжении σ =980 МПа. Обладает хорошей способностью к холодной высадке.
Детали крепежа из стали ВНС-74
ВНС-72 – кратковременный предел прочности 1750 МПа. Обладает повышенной пластичностью, хорошо сваривается аргоно-дуговой и электронно-лучевой сваркой. Сталь предназначена для изготовления крепежных деталей, силовых деталей планера, в том числе сварных деталей авиационной техники.
ВНС-53 – коррозионностойкая сталь с температурой эксплуатации от -70 до +300°С, обеспечивает высокую технологичность при изготовлении деталей трубопроводных систем (гибка, раскатка, развальцовка). Трубы из стали ВНС-53 с толщиной стенки от 0,5 мм по характеристикам прочности и выносливости в 2 раза превосходят серийные трубы из стали 12Х18Н10Т (используется для серийных деталей).
ВНС9-Ш – кратковременный предел прочности не менее 1470 МПа. Сталь применяется в виде ленты различной толщины для высоконагруженных, ответственных деталей: пластины торсионов, муфт и т. п.
Пластина торсиона вертолета, изготовленная из холоднокатаной ленты стали ВНС9-Ш
Физико-механические свойства коррозионностойких сталей (средние значения)
| Сталь | ? в | ? 0,2 | ? 5 | ? |
|---|---|---|---|---|
| МПа | % | |||
| ЭП817 | 1325 | 1050 | 15 | 55 |
| ВНС-16-1 | 1270 | 1000 | 15 | 50 |
| СН-2А | 1300 | 1050 | 15 | 55 |
| ВНС-5 | 1550 | 1200 | 18 | 60 |
| ВНС-43 | 1650 | 1270 | 15 | 50 |
| ВНС-65 | 1760 | 1300 | 15 | 50 |
| СН-3ПН | 1300 | 1100 | – | – |
| ВНС-73 | 1430 | 1110 | 15 | 55 |
| ВНС-74 | 1400 | 1200 | 16 | 60 |
| ВНС-72 | 1750 | 1300 | 15 | 45 |
| ВНС-53 | 980 | 780 | 20 | – |
Характеристики вязкости разрушения и малоцикловой усталости коррозионностойких сталей
| Сталь | KC V (r н =0,25 мм), Дж/см 2 | К 1с , МПа?м | МЦУ: ? max , МПа (N =2·10 5 цикл; f =5 Гц; R =1), при K t | |
|---|---|---|---|---|
| 1,035 | 2,2 | |||
|
>0,5 года |
||||
|
>0,5 года |
||||
|
>0,5 года |
||||
| Не склонна к коррозии | ||||
Все стали имеют свою маркировку, отражающую в первую очередь их химический состав. В маркировке стали первой цифрой указано содержание углерода в сотых долях процента. Затем следуют буквы русского алфавита, обозначающие наличие легирующего элемента. Если за буквой цифры нет, это означает, что содержание легирующего элемента составляет не более одного процента, а следующие за буквой цифры (цифра) означают содержание его в процентах.
Примеры расшифровки обозначения сталей:
12ХНЗА: содержание углерода - 0,12%, хрома - 1,0%, никеля - 3,0%, высокого
качества;
30ХГСА: содержание углерода - 0,30%, хрома, марганца, кремния по одному проценту,
буква "А" обозначает высокое качество;
19ХГН: cодержание углерода - 0,19%, хрома, марганца, никеля по одному проценту;
15Х25Т: содержание углерода - 0,15%, хрома - до 25%, титана - до 1%;
08Х21Н6М2Т: содержание углерода - 0,08%, хрома - 21%, никеля - 6%, молибдена
- 2%, титана - до 1 процента.
09Х16Н15М3Б: содержание углерода - 0,09%, хрома - 16%, никеля - 15%, молибдена
- 3,0%, ниобия - до 1 процента.
В последние годы для улучшения качества стали применяются новые методы ее выплавки, которые находят отражение в обозначениях марок стали:
- ВД - вакуумно-дуговой;
- ВИ - вакуумно-индукционный;
- Ш - шлаковый;
- ПВ - прямого восстановления;
- ЭШП - электронношлаковый переплав;
- ШД - вакуумно-дуговой после шлакового переплава;
- ЭЛП - электронно-лучевой переплав;
- ПДП - плазменно-дуговой переплав;
- ИШ - вакуумно-индукционный плюс электрошлаковый переплав;
- ИП - вакуумно-индукционный плюс плазменно-дуговой переплав.
- ЭП - электростальская (завод) поисковая;
- ЭИ - электростальская исследовательская;
- ЧС - челябинская сталь;
- ЗИ - златоустовская исследовательская;
- ВНС - ВИЭМовская нержавеющая сталь;
- ДИ - днепроспецстальская (завод) исследовательская.
По степени раскисления стали маркируются так:
кипящие - кп, полуспокойные - пс, спокойные - сп.
Углеродистые стали
Углеродистая сталь по назначению делится на конструкционную и инструментальную .
Конструкционной углеродистой называется сталь, содержащая до 0,6 % углерода (как исключение допускается 0,85 процента).
По качеству конструкционная углеродистая сталь разделяется на две группы: обыкновенного качества
и качественная
.
Сталь обыкновенного качества применяется для неответственных строительных конструкций, крепежных деталей, листового проката, заклепок, сварных труб. На конструкционную углеродистую сталь обыкновенного качества установлен ГОСТ З80-88. Эта сталь выплавляется в кислородных конвертерах и мартеновских печах и подразделяется на три группы: группа А, поставляемая по механическим свойствам; группа Б, поставляемая по химическому составу и группа В, поставляемая по механическим свойствам и химическому составу.
Качественная углеродистая конструкционная сталь поставляется по химсоставу и механическим свойствам, выплавляется в кислородных конвертерах и мартеновских печах. На нее распространяется ГОСТ 1050-88.
Качественная конструкционная сталь применяется для деталей, работающих при повышенных нагрузках и требующих сопротивления удару и трению: зубчатых колес, осей, шпинделей, шарикоподшипников, шатунов, коленчатых валов, а также для изготовления сварных и бесшовных труб. К конструкционным углеродистым сталям относится автоматная. Для улучшения обработки резанием в ее состав вводится сера, свинец, селен. Из этой стали делают трубы для автомобилестроения.
Легированные стали
В стали особого назначения вводят также редкоземельные элементы, в легированных сталях может одновременно находиться несколько легирующих элементов.
Область применения конструкционной легированной стали очень велика. Применение легированной стали экономит металл, повышает долговечность изделий.
По назначению легированные стали делятся на группы: конструкционная, инструментальная и сталь с особыми физическими и химическими свойствами.
Конструкционная легированная сталь согласно ГОСТ 4543-71 делится на три группы: качественная, высококачественная и особо высококачественная.
В легированной стали наряду с обычными примесями (сера, кремний, фосфор) имеются легирующие, т.е. связывающие элементы: хром, вольфрам, молибден, никель, а также кремний и марганец в повышенном количестве. Легированная сталь обладает высоко ценными свойствами, которых нет у углеродистой стали.
Ниже описано влияние конкретных элементов на свойства стали:
- Хром - повышает твердость, коррозионностойкость;
- Никель - повышает прочность, пластичность, коррозионностойкость;
- Вольфрам - увеличивает твердость и красностойкость, т.е. способность сохранять при высоких температурах износостойкость;
- Ванадий - повышает плотность, прочность, сопротивление удару, истиранию;
- Кобальт - повышает жаропрочность, магнитопроницаемость;
- Молибден - увеличивает красностойкость, прочность, коррозионностойкость при высоких температурах;
- Марганец - при содержании свыше 1 процента увеличивает твердость, износоустойчивость, стойкость против ударных нагрузок;
- Титан - повышает прчность, сопротивление коррозии;
- Алюминий - повышает окалиностойкость;
- Ниобий - повышает кислотостойкость;
- Медь - уменьшает коррозию.
Наибольшее распространение получили следующие легированные стали:
- хромистые, обладающие хорошей твердостью, прочностью: 15Х, 15ХА, 20Х, 30Х, 30ХРА, 35Х, 40Х, 45Х;
- марганцовистые, отличающиеся износоустойчивостью: 20Г, 50Г, 10Г2, 09Г2С;
- хромомарганцовые: 19ХГН, 20ХГТ, 18ХГТ, 30ХГА, 25Х2ГНТА-ВД;
- кремнистые и хромокремнистые, обладающие высокой твердостью и упругостью: 33ХС, 38ХС;
- хромомолибденовые и хромомолибденованадиевые, особо прочные, противостоящие истиранию 30ХМА, 15ХМ, 15Х5М, 15Х1МФ;
- хромомарганцевокремнистые стали ("хромансиль") : 14ХГСА, 30ХГСА, 35ХГСА;
- хромоникелевые, очень прочные и пластичные: 12Х2Н4А, 20ХН3А, 12ХН3А;
- хромоникелевольфрамовые, хромоникелеванадиевые стали: 12Х2НВФА, 20Х2Н4ФА, 30ХН2ВА.
Стали и сплавы высоколегированные, коррозионостойкие, жаропрочные и жаростойкие
Коррозионностойкие высокохромистые стали, легированные никелем, титаном, хромом, ниобием и другими элементами. Предназначены для работы в средах разной агрессивности. Для слабо агрессивных сред используются стали 08Х13, 12Х13, 20Х13, 25Х13Н2.
Детали из этих сталей работают на открытом воздухе, в пресной воде, во влажном паре и растворах солей при комнатной температуре.
Для сред средней агрессивности применяют стали 07Х16Н6, 09Х16Н4Б, 08Х17Т, 08Х22Н6Т, 12Х21Н5Т, 15Х25Т.
Для сред повышенной агрессивности используют стали 08Х18Н10Т, 08Х18Н12Т, 03Х18Н12, которые обладают высокой стойкостью против межкристаллитной коррозии и жаростойкостью. Структура коррозионностойких сталей в зависимости от химсостава может быть мартенситной, мартенситно-ферритной, ферритной, аустенитно-мартенситной аустенитно-ферритной, аустенитной.
Хладостойкие стали должны сохранять свои свойства при температурах минус 40…минус 80 град. С. Наибольшее применение имеют стали: 20Х2Н4ВА, 12ХН3А, 15ХМ, 38Х2МЮА, 30ХГСН2А, 40ХН2МА и др.
Жаропрочные стали способны противостоять механическим нагрузкам при высоких температурах (400…850 град. С). Стали 15Х11МФ, 13Х14Н3В2ФР, 09Х16Н15М3Б и другие применяют для изготовления пароперегревательных устройств, лопаток паровых турбин, трубопроводов высокого давления. Для изделий, работающих при более высоких температурах, используются стали 15Х5М, 16Х11Н2В2МФ, 12Х18Н12Т, 37Х12Н8Г8МБФ и др.
Жаростойкие стали способны сопротивляться окислению и окалинообразованию при температурах 1150…1250 град. С. Для изготовления паровых котлов, теплообменников, термических печей, аппаратуры, работающей при высоких температурах в агрессивных средах используются стали марок 12Х13, 08Х18Н10Т, 15Х25Т, 10Х23Н18, 08Х20Н14C2, 1Х12МВСФБР, 06Х16Н15М2Г2ТФР-ИД, 12Х12М1БФР-Ш.
Теплоустойчивые стали предназначены для изготовления деталей, работающих в нагруженном состоянии при температуре 600 град. С в течение длительного времени. К ним относятся: 12Х1МФ, 20Х3МВФ, 15Х5ВФ, 12Х2МФСР.
Химический состав марок стали
Источник: [http://tirus.ru/ ]| C | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | S | P | Cu | V | Ti | N | Al | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 10 | 0,07…0,14 | 0,17…0,37 | 0,35…0,65 | 0,15 | 0,30 | - | - | - | - | - | - | - | - |
| 20 | 0,17…0,24 | 0,17…0,37 | 0,35…0,65 | 0,25 | 0,25 | - | 0,03 | 0,025 | 0,30 | - | - | 0,008 | - |
| 12Х18Н10Т | 0,12 | 0,80 | 2,00 | 17,0…19,0 | 9,0…11,0 | - | 0,02 | 0,035 | - | - | …0,80 | - | - |
| 17Г1С | 0,20 | 0,55 | 1,60 | 0,30 | - | - | 0,035 | 0,035 | - | - | - | - | 0,02 |
| Ст1пс | 0,06…0,12 | 0,05…0,15 | 0,25…0,50 | 0,30 | - | - | 0,05 | 0,04 | - | - | - | 0,01 | - |
| Ст2пс | 0,09…0,15 | 0,05…0,15 | 0,25…0,50 | 0,30 | - | - | 0,05 | 0,04 | - | - | - | 0,01 | - |
| Ст2сп | 0,09…0,15 | 0,15…0,30 | 0,25…0,50 | 0,30 | - | - | 0,05 | 0,04 | - | - | - | 0,01 | - |
| Ст3сп | 0,14…0,22 | 0,15…0,30 | 0,40…0,65 | 0,30 | - | - | 0,05 | 0,04 | - | - | - | 0,01 | - |
| 35 | 0,32…0,40 | 0,17…0,37 | 0,50…0,80 | 0,25 | 0,30 | - | 0,04 | 0,035 | 0,30 | - | - | - | - |
| 35 ГС | 0,34…0,40 | 0,40…0,60 | 1,00…1,40 | 0,30 | 0,30 | - | 0,03 | 0,035 | 0,30 | - | - | - | - |
| Ст3пс | 0,14…0,22 | 0,05…0,15 | 0,40…0,65 | 0,30 | - | - | 0,05 | 0,04 | - | - | - | 0,01 | - |
| 40Х | 0,36…0,44 | 0,17…0,37 | 0,50…0,80 | 0,80…1,10 | 0,30 | - | 0,035 | 0,035 | 0,30 | - | - | - | - |
| 45 | 0,42…0,45 | 0,17…0,37 | 0,50…0,80 | 0,25 | - | - | - | - | - | - | - | - | - |
| 09Г2С | 0,12 | 0,50…0,80 | 1,30…1,70 | 0,30 | 0,30 | - | 0,04 | 0,035 | 0,30 | - | - | - | - |
| 15Х5М | 0,15 | 0,50 | 0,50 | 4,50…6,00 | 0,60 | 0,45…0,60 | 0,025 | 0,025 | 0,20 | - | - | - | - |
| 30ХГСА | 0,28…0,34 | 0,90…1,20 | 0,80…1,10 | 0,80…1,10 | 0,30 | - | 0,005 | 0,025 | - | - | - | - | - |
| 12Х1МФ | 0,10…0,15 | 0,17…0,37 | 0,40…0,70 | 0,90…1,20 | 0,25 | 0,25…0,35 | 0,025 | 0,025 | 0,20 | 0,15…0,30 | - | - | - |
| 08пс | 0,05…0,11 | 0,05…0,17 | 0,35…0,65 | 0,10 | - | 0,04 | 0,035 | - | - | - | - | 0,06 | - |
| 20…ПВ | 0,17…0,24 | 0,17…0,37 | 0,35…0,65 | 0,25 | 0,25 | - | 0,03 | 0,03 | 0,30 | - | - | - | - |
| Ст2кп | 0,09…0,15 | 0,05 | 0,25…0,50 | 0,3 | - | - | 0,05 | 0,04 | - | - | - | - | - |
| 08Х18Н10Т | 0,08 | 0,80 | 2,00 | 17,0…19,0 | 9,0…11,0 | - | 0,02 | 0,035 | - | - | …0,70 | - | - |
| Сплав 29НК | 0,03 | 0,30 | 0,40 | 0,10 | 28,5…29,5 | - | 0,015 | 0,015 | 0,20 | - | 0,10 | - | 0,20 |
| Сплав 29КН…ВИ | 0,03 | 0,30 | 0,40 | 0,10 | 28,5…29,5 | - | 0,015 | 0,015 | 0,20 | - | 0,10 | - | 0,20 |
| 30ХГСН | 0,27…0,34 | 0,90…1,20 | 1,00…1,30 | 0,90…1,20 | 1,40…1,80 | - | 0,035 | 0,035 | 0,30 | - | - | - | - |
| 30ХГСН2А | 0,27…0,34 | 0,90…1,20 | 1,00…1,30 | 0,90…1,20 | 1,40…1,80 | - | 0,25 | 0,025 | 0,30 | - | - | - | - |
| 30ХГСН2АВД | 0,27…0,33 | 0,90…1,20 | 1,0…1,20 | 0,90…1,20 | 1,40…1,80 | - | 0,011 | 0,015 | 0,39 | - | - | - | - |
