Мартенси́тностареющие стали (также мараге́новые стали , англ. maraging steel ) — стали ( сплавы железа ), которые обладают очень большой прочностью и вязкостью без потери пластичности , хотя не могут быть хорошими материалами для лезвий. Эти стали представляют собой особый класс низкоуглеродных сверхпрочных сталей, обладающих таким свойством не из-за углерода , а из-за оседания интерметаллических соединений в процессе остаривания. Основной легирующий элемент — никель — составляет от 15 до 25 % (по массе) . Для получения интерметаллических осадков добавляются вторичные легирующие металлы, такие как кобальт , молибден и титан . Первоначально производились стали с 20 и 25 % никеля (по массе), к которым были добавлены алюминий , титан и ниобий ; рост цен на кобальт в конце 1970-х годов привёл к развитию не содержащих кобальта мартенситностареющих сталей .

Обычные ржавеющие виды стали содержат 17—19 % никеля, 8—12 % кобальта, 3—5 % молибдена и 0,2—1,6 % титана (% по массе, каждый). Добавление хрома делает стали устойчивыми к коррозии. Также хром повышает прокаливаемость, поскольку в этом случае требуется меньше никеля. Высокохромистые высоконикелевые стали, как правило, аустенитны и не могут переходить в мартенсит при термической обработке, тогда как низконикелевые стали обладают таким свойством. Другие варианты низконикелевых мартенситностареющих сталей основаны на сплавах железа и марганца с незначительными добавками алюминия , никеля и титана , в них доля марганца составляет 9—15 % от железа (по массе) . Марганец оказывает такое же действие, как никель, то есть стабилизирует аустенитную фазу. Следовательно, в зависимости от содержания марганца, железо-марганцевые мартенситностареющие стали могут быть полностью мартенситными после их охлаждения из высокотемпературной аустенитной фазы, либо оставаться в аустените . Последний эффект позволяет разрабатывать мартенситностареющие ПНП-стали .

Свойства

Из-за низкого содержания углерода мартенситностареющие стали хорошо обрабатываются. До остаривания они также могут быть подвергнуты холодной прокатке . Мартенситностареющие стали хорошо свариваются , но после сварки должны быть вновь подвергнуты остариванию для восстановления исходных свойств.

При термообработке металл расширяется на незначительную величину, и поэтому при его обработке расширение часто не учитывают. Из-за высокого содержания легирующих добавок сталь обладает высокой прокаливаемостью. Поскольку при охлаждении образуются пластичные мартенситы, трещины отсутствуют, либо незначительны. Стали могут быть азотированы для увеличения твёрдости и последующей полировки поверхности.

Нержавеющие виды мартенситностареющей стали имеют среднюю устойчивость к коррозии . Коррозионная стойкость может быть увеличена путём плакирования кадмием или фосфатирования .

Марки мартенситностареющей стали

В России к мартенситностареющим сталям относят марки: Н8К18М14, Н12К12М10ТЮ, Н12К12М7В7, Н12К15М10, Н12К16М12, Н12К8М3Г2, Н12К8М4Г2, Н13К15М10, Н13К16М10, Н15К9М5ТЮ, Н16К11М3Т2, Н16К15В9М2, Н16К4М5Т2Ю, Н17К10М2В10Т, Н17К11М4Т2Ю, Н17К12М5Т, Н18К12М3Т2, Н18К12М4Т2, Н18К14М5Т, Н18К3М4Т, Н18К4М7ТС, Н18К7М5Т, Н18К8М3Т, Н18К8М5Т, Н18К9М5Т, Н18Ф6М3, Н18Ф6М6 и прочие .

В США марки мартенситностареющей стали обозначаются числом (200, 250, 300 или 350), которое указывает приблизительную номинальную прочность на растяжение в тысячах фунтов на квадратный дюйм . Доли компонентов и требуемые свойства определены в MIL-S-46850D . Чем выше марка, тем больше кобальта и титана содержится в сплаве. Приведённые ниже параметры взяты из таблицы 1 MIL-S-46850D:

Эта группа сортов мартенситностареющей стали известна как 18Ni (по проценту содержания никеля). Существует также группы, не содержащих кобальта, которые дешевле, но не так прочны. Исследования мартенситностареющих сплавов железа, никеля и марганца были проведены в России и Японии .

Цикл термической обработки

Наиболее распространенной в промышленности из мартенситностареющих сталей является сталь марки Н18К9М5Т, для неё хорошо изучен процесс термообработки. Сначала сталь марки Н18К9М5Т отжигают при температуре около 820 °С в течение 15—30 минут для тонких участков и 1 час на каждые 25 мм для толстых участков, чтобы обеспечить формирование полностью аустенитной структуры. Затем следует воздушное охлаждение до комнатной температуры с образованием мягкого железо-никелевого мартенсита . Последующее остаривание (упрочнение осадка) в течение около 3 часов при температуре от 480 до 500 °C даёт тонкую дисперсию интерметаллических фаз Ni ₃ (X, Y) продольного смещения, оставленных мартенситным превращением, где X и Y являются растворёнными веществами, добавленные для таких осадков. Излишняя обработка приводит к снижению стабильности первичных, метастабильных когерентных осадков, что приводит к их растворению и замене полукогерентными фазами Лавеса , такими как Fe ₂ Ni или Fe ₂ Mo. Дальнейшая чрезмерная термообработка приводит к разложению мартенсита и реверсии к аустениту .

В новых составах мартенситностареющих сталей были обнаружены другие интерметаллические стехиометрии и кристаллографические отношения с исходным мартенситом, в том числе ромбоэдрический и массивный комплекс Ni ₅₀ (X, Y, Z) ₅₀ (Ni ₅₀ M ₅₀ в упрощённой нотации).

Использование

Прочность и ковкость мартенситностареющей стали на заключительном этапе позволяет формировать её в более тонкие детали, чем другие виды стали, при этом меньшей массы . Мартенситностареющие стали обладают очень стабильными свойствами и даже после избыточного, из-за чрезмерной термообработки, нагрева лишь слегка смягчаются. Эти сплавы сохраняют свои свойства при умеренно высоких рабочих температурах и имеют максимальную рабочую температуру более 400 °C. Они подходят для таких деталей двигателя, как коленчатые валы и шестерни, а также бойки автоматического оружия , когда цикл нагревания и охлаждения повторяется несколько раз при значительной нагрузке. Их равномерное расширение и лёгкая обрабатываемость делают мартенситностареющую сталь полезной в высоко изнашиваемых деталях конвейерных линий и штампов. Другие сверхпрочные виды стали, такие как сплавы AerMet, не используются из-за содержания углерода.

В фехтовании клинки оружия, используемого на соревнованиях под эгидой Международной федерации фехтования , обычно изготавливаются из мартенситностареющей стали . Нержавеющая мартенситностареющая сталь используется в рамах велосипедов и головках клюшек для гольфа. Она также используется в хирургических инструментах и шприцах для подкожных инъекций, но не подходит для лезвий скальпеля, потому что малое содержание углерода способствует быстрому затуплению лезвия.

Производство, импорт и экспорт мартенситностареющих сталей в некоторых странах, например в США, строго контролируется комиссиями по ядерному регулированию , поскольку они подходят для изготовления газовых центрифуг для обогащения урана .

Из стали этой группы изготовлены гондолы глубоководных аппаратов Мир .

Физические свойства

• Плотность : 8,1 г/см³
• Температура плавления : 1413 °C
• Теплопроводность : 25,5 Вт/м·К
• Средний коэффициент теплового расширения : 11,3·10 ⁻⁶
• Прочность на разрыв при растяжении: 1400—3500 МПа
• Предельная прочность на растяжение: 1,6—2,5 ГПа.
• Удлинение при разрыве: до 15 %
• Модуль Юнга : 210 ГПа
• Модуль сдвига : 77 ГПа
• Твёрдость (после обработки): 50 HRC (класс 250); 54 HRC (класс 300); 58 HRC (класс 350)

Примечания