Особенности мартенситной стали

В подавляющем большинстве ситуаций, когда требуется получить деталь или конструкцию с весьма высокими эксплуатационными показателями и долговечностью, инженеры-проектировщики предпочтут для её изготовления стали мартенситного класса (или просто – мартенситные). Что же это за стали, каков их химический и микроструктурный состав, где они применяются?

Химические элементы, которые должны обязательно находиться в составе мартенситных сталей

Металловеды говорят: «Не все нержавеющие стали – мартенситные, но все мартенситные стали – нержавеющие». Это правило позволит нам сориентироваться в разнообразии марок стальных сплавов, представленных в ГОСТ 5632-2014.

Диапазон и содержание элементов, которые всегда присутствуют в сталях мартенситного класса:

1. Углерод, % – 0,15…2,0.
2. Железо, % – 11,5…18,0.
3. Хром, %, не менее – 11.
4. Марганец, % – около 1.
5. Кремний, % – около 0,75.
6. Никель, % – 2…3.
7. Молибден, % - 2…3.

Присутствуют также неизбежные металлургические примеси – сера и фосфор, количество которых не превышает 0,03…0,04%. Некоторые марки рассматриваемых сталей содержат также жаропрочные металлы – вольфрам, титан, ниобий, ванадий.

Анализируя состав сталей мартенситного класса, легко понять, что процентное содержание углерода здесь не является определяющим показателем. В то же время высокий процент хрома безусловно свидетельствует о принадлежности мартенситных сталей к числу нержавеющих, хотя формально это в ГОСТ 5632-2014 и не прописано.

В зависимости от содержания углерода стали мартенситного класса подразделяют на две группы. Низкоуглеродистые (до 0,3 % С) мартенситные стали характеризуются более высокой пластичностью и коррозионной стойкостью, но меньшей прочностью. Высокоуглеродистые (от 0,6 % С) прочнее и обладают более устойчивой молекулярной структурой, хотя менее пластичны и труднее свариваются.

Особенности микроструктуры и термической обработки

Описываемые стали получили своё название от мартенсита – игольчатой тетрагональной объёмно центрированной структуры, образующейся в процессе закалки. Эта структура была открыта немецким ученым Адольфом Мартенсом в начале прошлого века. Иглы мартенсита – твёрдые (твёрдость сталей такого класса по шкале Роквелла достигает 70 HRC), но хрупкие. Одновременно мартенсит чрезвычайно прочен и может выдерживать высокие уровни ударов и истирания/износа.

Как высокотемпературная структурная составляющая, мартенсит формируется при закалке, в результате которой металл охлаждается ниже температуры так называемого мартенситного превращения. Это превращение заключается в преобразовании низкотемпературной составляющей – аустенита – в мартенсит. Начинается оно в температурном диапазоне от 300 до 700 °C, а заканчивается, когда сталь охладится ещё на 150…200 °C.

Температура мартенситного превращения зависит от химсостава сплава. Например, все легирующие элементы снижают, а углерод, наоборот, повышает значения этих температур. Поэтому высоколегированные мартенситные марки иногда содержат до 15…20 % остаточного аустенита, снижающего твёрдость, но повышающего пластичность. Таким образом, эксплуатационные показатели сталей мартенситного класса полностью определяются режимами нагрева и охлаждения.

Варианты термообработки

Зависят от технологического назначения стали. Как известно, нагрев стали до высоких температур, за которым следует быстрый процесс охлаждения, приводит к её закалке. Мартенситные стали отличаются высокой прокаливаемостью, из-за чего сплавы часто называют сталями с воздушным упрочнением.

Для достижения наивысшей пластичности мартенситные марки сталей обычно поставляются потребителям в отожженном состоянии, поэтому термическая обработка закалкой реализуется за операциями формовки. Исходный материал с твёрдостью порядка 32…37 HRC вначале нагревают до сравнительно низких температур. Эта стадия – отжиг – помогает снять внутренние напряжения в микроструктуре. Далее скорость и температуру нагрева увеличивают, чтобы достичь промежуточных уровней твёрдости сплава и не вызвать при этом трещинообразования в исходно хрупком мартенсите.

Нагрев сплава до температуры чуть ниже критической приводит к технологическому отжигу. Более длительное охлаждение после нагрева сплава до температуры чуть выше критической способствует полному отжигу. Изменение количества циклов термообработки позволяет управлять твёрдостью мартенситных сталей: от HRC 40…50 до HRC 60…65.

Менее распространённой технологией упрочнения мартенситных сталей является старение, которое препятствует движению дефектов в молекулярной структуре. Локализация этих дефектов делает металл твёрже и прочнее. После старения он хранится в течение нескольких часов при повышенной температуре до тех пор, пока процесс повышения прочности не будет завершён.

Свойства сталей мартенситного класса

Для правильного выбора марки мартенситной стали учитывают её физические и механические параметры. К первой группе относят плотность, магнитные свойства, стойкость против коррозии, ко второй – технологические показатели: свариваемость, пластичность, износостойкость.

Плотность

Плотность мартенситной нержавеющей стали может варьироваться в зависимости от состава и марки сплава. С ростом плотности сталь становится как правило, прочнее и устойчивее к коррозии.

Плотность большинства мартенситных сталей колеблется от 7750 до 8000 кг/м3.

Свариваемость

Большинство марок мартенситной стали не относятся к хорошо свариваемым, поскольку характеризуются заметной хрупкостью. Впрочем, имеются и исключения: например, нержавеющая сталь 12Х13 может быть сварена относительно легко.

Магнитные свойства

Многие виды мартенситной стали являются магнитными. Это облегчает сортировку металлов, но может усложнить процессы изготовления и сварки. Магнетизм мартенситных сталей не зависит от режима термообработки, сохраняясь как в закалённом, так и в отожжённом состоянии.

Эффект памяти формы

Некоторые стали мартенситного класса характеризуются обратимым мартенситным превращением. Оно заключается в том, что напряжение формы при увеличении объёма создаётся только во время действия внешнего механического напряжения, а при разгрузке детали/конструкции это напряжение снимается. Таким образом, определённая часть нелинейной деформации (до 8 %) может быть восстановлена при разгрузке, а (если требуется) дальнейшее восстановление достигается путём нагрева сплава выше критической температуры.

Наиболее существенное проявление эффекта памяти формы происходит в сталях и сплавах мартенситного класса, содержащих титан и никель. Имеется множество применений подобного явления, например, в трубных муфтах, коронарных стентах или в микроприводах. Тем не менее, широкому распространению этого свойства препятствуют высокие затраты на легирование и низкая обрабатываемость сталей. Кроме того, значения восстановительной деформации при росте количества циклов нестабильны и могут снижаться до 2,0…2,5 %.

Коррозионная стойкость

Мартенситные нержавеющие стали обладают самой низкой коррозионной стойкостью. Её можно повысить, если подвергнуть сплав отпуску. Добавление до 0,2 % азота позволяет уменьшить межкристаллитную коррозию, возникающую в мартенситных микроструктурах при воздействии на материал жидких, химически агрессивных сред, в частности, серной кислоты.

Прочность и твёрдость

Мартенситные нержавеющие стали часто, хотя и не всегда, используются, когда необходимо достичь высокого уровня механических свойств. Однако с ростом прочности коррозионная стойкость материала снижается, а на поверхностях деталей/узлов могут появляться поверхностные пятна ржавчины.

В отожжённом состоянии прочность на растяжение сталей мартенситного класса достигает 270…275 МПа. В этом состоянии они могут подвергаться механической обработке. Повысить прочность и твёрдость можно увеличением процентного содержания углерода в сплаве. В этом случае практически достижима твёрдость 60…62 HRC.

Пластичность и ударная вязкость

По мере увеличения содержания углерода пластичность мартенситной стали снижается, поэтому для пластического деформирования (за исключением операций резки, вырубки и пробивки) такие стали стараются не использовать, Если это невозможно, применяют разупрочняющий отжиг, а после штамповки вновь закаляют детали до необходимой твёрдости.

Ударная вязкость сталей мартенситного класса может быть улучшена добавлением азота и никеля при одновременно более низком уровне углерода. Наивысшей пластичностью обладают так называемые мартенситостареющие стали (например, Н18К9М5Т), имеющие в своём составе молибден, титан, кобальт и никель.

Сферы применения мартенситных сталей

Благодаря своему химическому составу и технологическим возможностям режимов термообработки описываемые стали могут интенсивно упрочняться. Такая способность делает сплавы мартенситного класса оптимальным выбором при конструировании и производстве высокостойких деталей различных производственных процессов и промышленного оборудования.

Производство автомобилей. Такие ответственные детали, как выхлопные системы, турбокомпрессоры и компоненты двигателя производятся из мартенситных сталей, отличающихся высокой прочностью, в том числе, при ударных и термических нагрузках.

Аэрокосмическая промышленность. Из сталей мартенситного класса изготавливают узлы и детали летательных аппаратов, требующих оптимального сочетания показателей прочности и коррозионной стойкости, в частности, авиационных и ракетных двигателей, турбинных лопаток и иных конструктивных элементов.

Медицинская промышленность. Широкая номенклатура марок мартенситных нержавеющих сталей вследствие хорошей биологической совместимости применяется для изготовления имплантатов и хирургических инструментов.

Морское дело. Стали мартенситного класса используют в судостроении, а также при строительстве шельфовых сооружений.

Архитектура и строительство. Основные области применения – проектирование и изготовление внешних декоративных и конструктивных элементов, деталей фасадной облицовки, мебели и скульптур.

Пищевая промышленность. Рассматриваемые стали находят применение при производстве лезвий для нарезки пищевых продуктов, а также в блендерах, слайсерах, измельчителях, миксерах, роликах для теста и другом оборудовании. Высокая коррозионная стойкость и низкая стоимость делают мартенситные стали популярным выбором в индустрии, занимающейся производством продуктов питания.

Исследования возможностей сталей мартенситного класса продолжаются и в наше время. Их цель – улучшить качество доводки и обработки деталей, а также расширить область рационального применения сплавов.