Легированные никелем стали обеспечивают успех

Бόльшая часть производимого никеля идёт на производство нержавеющей стали. Но существенная доля — 8% — идёт в легированные стали, которые используются для обеспечения особых характеристик и применяются в специализированном и зачастую критически важном оборудовании.

Марагеновая сталь с 18% содержанием никеля обладает усталостной прочностью при ударных нагрузках, необходимой для посадочных шасси самолётов

Легированные стали включают в себя большое разнообразие материалов на основе железа. Доля никеля в них варьируется от ничтожно малых величин в одних легированных сталях (~0.3%) до 20% в мартенситностареющих (марагеновых) сталях. Каждый сплав разработан таким образом, чтобы обеспечивать сочетание показателей прочности, твёрдости, износоустойчивости или ударной вязкости, превосходящее нелегированные углеродистые стали. Такие сплавы, как правило, используются в оборудовании, которое транспортирует электроэнергию, формует или режет металл, а также применяется при низких температурах, при которых у углеродистых сталей теряется необходимый уровень ударной вязкости. Для простоты и в зависимости от тех или иных их свойств, важных для определённых конечных областей использования, легированные стали можно разделить на несколько типов. Легированные никелем стали критически важны для инструментальной промышленности — т.е. производства инструментов и механизмов, используемых для производства других инструментов и механизмов.

Типовой химический состав некоторых важных никельсодержащих легированных сталей

Упрочняемая низколегированная сталь

Эти стали относятся к той категории чёрных металломатериалов, механические свойства которых лучше, чем у нелегированных углеродистых сталей. Этого добиваются с помощью добавления легирующих элементов, таких как никель, хром и молибден, с последующими закалкой (быстрым охлаждением) и отпуском (термической обработкой). Эти химические элементы, будучи растворёнными в аустените до быстрого охлаждения, увеличивают упрочняемость сплава. Никель дополняет эффект упрочнения, который вызывают хром и молибден; кроме того, он важен для придания ударной вязкости твёрдой мартенситной микроструктуре, возникающей в результате быстрого охлаждения и последующего отпуска при помощи термообработки.

Сравнение типовых механических показателей марки AISI 4340 в состоянии отжига, закалки и отпуска с углеродистой сталью марки AISI 1045

Инструментальная сталь

«Инструментальная сталь» — это термин, применяемый к разным высокопрочным и устойчивым к истиранию сталям, используемым для штамповки (тиснение или прессование), резки и обрезки, формовки, а также в инструментах ударного действия, таких как молотки (промышленные или для индивидуального пользования). Способ их термообработки подобен термообработке упрочняемой низколегированной стали.

В закалённых на воздухе инструментальных сталях снижена деформация, вызываемая быстрым охлаждением в воде, и они обладают оптимальным соотношением износостойкости и ударной вязкости.

Инструментальные стали для пресс-форм — это низколегированные углеродистые стали, подвергнутые формовке, а потом поверхностному науглероживанию, упрочнению и затем отпуску, чтобы добиться высокой поверхностной твёрдости, что делает их идеальными для использования в пресс-формах и штампах для литья под давлением.

Высокопрочный низколегированный сплав

(самопассивирующаяся сталь, стойкая к атмосферной коррозии)

Более мелкая зернистая структура этих сталей обеспечивает повышенную прочность в сравнении с нелегированными углеродистыми сталями. Подобной мелкозернистости можно добиться, влияя на температуры фазового перехода таким образом, что превращение аустенита в феррит и перлит происходит при более низкой температуре во время воздушного охлаждения. При низкоуглеродных уровнях, свойственных высокопрочным низколегированным сталям, такие химические элементы, как кремний, медь, никель и фосфор, особенно эффективны для получения мелкозернистого перлита.

Добавки хрома, меди и никеля приводят к формированию устойчивого слоя ржавчины, который сцепляется с основным металлом. Пористость его структуры намного меньше, чем у слоя ржавчины, формирующегося на обычной структурной стали. В результате снижается интенсивность коррозии, что позволяет использовать эти стали без износостойкого покрытия.

На таблице внизу показано различие механических свойств углеродистой структурной стали марки ASTM А36 и высокопрочной низколегированной структурной стали марки STM A588 класса C.

Никельсодержащая сталь

Ферритные стали с высоким содержанием никеля, как правило, выше 3%, широко используются в оборудовании и особых областях применения, связанных с воздействием температур от 0 °C до - 196 °C, в числе которых цистерны для хранения сжиженных углеводородов, а также конструкции и механизмы, рассчитанные на применение в холодных регионах. В этих сталях используется эффект включения никеля на снижение температуры перехода из вязкого состояния в хрупкое, что тем самым повышает ударную вязкость при низких температурах.

В углеродистых и большинстве низколегированных сталей по мере снижения температуры ниже 24 °C (75 °F) растут прочность и твёрдость, при этом пластичность при растяжении и ударная вязкость снижаются. Никель улучшает показатель ударной вязкости при низких температурах, что отражено в результатах ударной вязкости по Шарпи на рис. 1.

Рис. 1: Влияние никеля на ударную вязкость нормализованных и отпущенных полудюймовых (1.27 см) пластин низколегированной углеродистой стали

9-процентная никельсодержащая сталь, впервые использованная в защитной оболочке цистерн для жидкого кислорода в 1952 г., с тех пор в основном применялась во внутренней обшивке цистерн для сжиженного газа. Её предпочли аустенитным нержавеющим сталям из-за сочетания высокой прочности и надёжной ударной вязкости при очень низких температурах, вплоть до -196 °C.

Мартенситностареющая (марагеновая) сталь

Марагеновые стали представляют собой низкоуглеродистые ферроникелевые сплавы, содержащие около 18% никеля и дополнительно легированные кобальтом, молибденом, титаном и другими химическими элементами. Эти сплавы закаливают до получения мартенситной структуры, после чего подвергают дисперсионному упрочнению в процессе термообработки при температурах 480-500 °C, что способствует выделению интерметаллических соединений, таких как Ni3Mo и Ni3Ti. Эти стали обладают высокой ударной вязкостью, а их усталостная прочность при ударных нагрузках указывает на то, что они пригодны для использования в ситуациях повторяющихся динамических нагрузок — например, в деталях электромеханических устройств.

Привлекательные свойства марагеновых сталей можно кратко сформулировать следующим образом:

  • Сверхвысокопрочные при комнатной температуре
  • Легко поддаются термообработке, ведущей к минимальной деформации
  • Великолепная ударная вязкость в сравнении со сталью того же уровня прочности, но после закалки и отпуска
  • Легко монтируются, обладают хорошей свариваемостью

Термообработка упрочняемых низколегированных сталей при относительно низкой температуре приводит к намного меньшей деформации, чем при их быстром охлаждении, что делает их предпочтительными для применения в длинных и тонких деталях.

Хотя количество идущего в эти легированные стали никеля меньше, чем объём его потребления в производстве нержавеющих сталей, разнообразие таких сталей значительно, а с промышленной точки зрения они незаменимы.

Институт никеля осуществляет бесплатное техническое консультирование инженеров и разработчиков спецификаций по выбору наиболее подходящего материала для их проектов.

www.nickelinstitute.org

Настоящая таблица иллюстрирует различие механических свойств углеродистой структурной стали марки ASTM А36 и высокопрочной низколегированной структурной стали марки STM A588 класса C.