Мартенситные стали широко используются в промышленности благодаря уникальному сочетанию прочности, вязкости и коррозионной стойкости. В статье рассмотрены особенности структуры и свойств этих материалов, технологии производства, области применения.
Природа мартенситных сталей
Мартенситные стали образуются в результате быстрого охлаждения расплава стали до температур мартенситного превращения. При этом в структуре стали образуется мартенсит - твердый раствор углерода в α-железе с тетрагональной кристаллической решеткой. Мартенсит имеет игольчатое строение и отличается высокой твердостью, прочностью, но невысокой пластичностью.
Мартенситные стали содержат 0,2-1% углерода и легированы хромом, никелем, вольфрамом и другими элементами для повышения прочности и коррозионной стойкости. Благодаря этому они превосходят по своим характеристикам обычные конструкционные стали.
Технология производства
Получение стали мартенситного класса включает следующие основные операции:
- Выплавка стали заданного химического состава
- Разливка в слитки или непрерывное литье заготовок
- Термическая обработка:
- Нагрев до температуры полного растворения карбидов (около 1000°С) Быстрое охлаждение со скоростью выше критической (выше 20°С/с) для образования мартенсита Низкий отпуск при 150-250°С для снятия внутренних напряжений
Благодаря высоколегированному составу мартенситные стали обладают хорошей прокаливаемостью и минимальной склонностью к образованию трещин при закалке. Это позволяет получать из них ответственные детали сложной конфигурации.
Химический состав и классификация
Мартенситные стали подразделяют на углеродистые и легированные. Последние в свою очередь классифицируют:
- По основному легирующему элементу: никелевые, марганцовистые
- По назначению: конструкционные, инструментальные, нержавеющие
- По маркам сталей (ГОСТ, AISI)
Наиболее распространены хромоникелевые мартенситные стали марки 12Х15Н7, 12Х13 и др.
Механические и физические свойства
Для мартенситной структуры стали характерно сочетание высокой твердости и прочности с достаточной пластичностью и вязкостью. Это определяет широкое применение таких сталей для ответственных деталей машин и механизмов.
| Свойство | Значение |
| Предел прочности σв, МПа | 800-2000 |
| Твердость HRC | 40-60 |
| Ударная вязкость KCV, Дж/см2 | 20-100 |
Помимо высоких механических характеристик, мартенситные стали обладают хорошими магнитными свойствами, что позволяет использовать их в электротехническом оборудовании.
Технологичность
Мартенситное превращение в стали придает металлу определенную хрупкость, что осложняет механическую обработку. Однако благодаря невысокому содержанию углерода (до 1%) мартенситные стали все же обладают приемлемой обрабатываемостью резанием.
Свариваемость мартенситных сталей также ограничена из-за склонности к образованию холодных трещин в сварном шве и околошовной зоне. Для предотвращения этого применяют предварительный подогрев перед сваркой, а также специальные сварочные материалы и защитные среды (аргон, флюс).
Коррозионная стойкость
Благодаря легированию хромом, никелем и другими элементами мартенситные стали обладают повышенной коррозионной стойкостью по сравнению с углеродистыми сталями. Особенно высокими антикоррозионными свойствами отличаются мартенситные нержавеющие стали.
Для защиты от коррозии поверхности деталей из мартенситных сталей часто подвергают дополнительной обработке: хромированию, никелированию, фосфатированию и др.
Термическая обработка
Помимо закалки для получения мартенситной структуры, мартенситные стали могут подвергаться отпуску или старению. Это позволяет дополнительно регулировать комплекс их механических и технологических свойств.
Ферритно-мартенситные стали
Помимо полностью мартенситных, выделяют ферритно-мартенситные стали. В их структуре наряду с мартенситом присутствует некоторое количество феррита. Такие стали обладают более высокой пластичностью по сравнению с полностью закаленными.
Аустенитная и мартенситная сталь
Если в процессе термической обработки аустенитная мартенситная сталь охлаждается с недостаточно высокой скоростью, аустенит полностью не превращается в мартенсит. В этом случае структура стали будет смешанной - аустенитно-мартенситной.
Применение мартенситных сталей
Благодаря уникальному комплексу характеристик мартенситные стали широко используются для изготовления ответственных деталей, работающих в тяжелых условиях. К таким деталям относятся:
- Детали авиационных и ракетных двигателей
- Режущий инструмент
- Пружины
- Подшипники скольжения
Перспективы применения мартенситных сталей
В настоящее время ведутся работы по созданию новых составов мартенситных сталей с улучшенными характеристиками. Основные направления:
- Повышение комплекса прочностных свойств
- Улучшение технологичности
- Повышение износостойкости
Это позволит расширить области использования мартенситных сталей в машиностроении, энергетике, транспорте.
Производители мартенситных сталей
Крупнейшими компаниями-производителями мартенситных сталей являются:
- В России - ПАО "Северсталь", Магнитогорский металлургический комбинат
- В Европе - ThyssenKrupp, ArcelorMittal
- В США - Carpenter Technology, Crucible Industries
- В Азии - Baosteel (Китай), POSCO (Южная Корея)
Данные компании выпускают широкую номенклатуру мартенситных сталей различного назначения под собственными торговыми марками.
Стоимость мартенситных сталей
Из-за высоколегированного состава и сложной технологии производства мартенситные стали обладают довольно высокой стоимостью. На мировых рынках цены варьируются от 1500 до 5000 долларов США за тонну в зависимости от марки стали.
Экологические аспекты производства мартенситных сталей
Процессы выплавки, разливки и термической обработки мартенситных сталей сопряжены с выбросами вредных веществ в атмосферу и сбросами в водоемы. Для минимизации негативного воздействия на экологию используются современные газоочистные установки и системы водооборота.
Правовое регулирование оборота мартенситных сталей
В некоторых странах действуют ограничения на импорт/экспорт мартенситных сталей, а также требования лицензирования деятельности по их производству на территории государства. Это связано с возможностью использования мартенситных сталей при создании вооружений и ядерных установок.
Сертификация мартенситных сталей
Производители мартенситных сталей обязаны подтверждать соответствие продукции требованиям нормативно-технической документации. Для этого проводятся испытания образцов сталей на предприятиях-изготовителях, а также в независимых аккредитованных лабораториях.
Исторические аспекты развития мартенситных сталей
Мартенситное превращение было открыто и описано в конце XIX века немецким металлургом Адольфом Мартенсом. Поначалу данное явление рассматривалось в основном как курьез и длительное время не находило практического применения.
Разработка первых мартенситных сталей
Первые образцы легированных мартенситных сталей для промышленного производства были созданы и запатентованы американской компанией Republic Steel в 1940-х годах.
Внедрение в авиакосмическую отрасль
Выдающиеся прочностные свойства мартенситных сталей обусловили их широкое применение в 1950-1960-х гг. в авиации и ракетостроении СССР и США для изготовления ответственных деталей.
Разработка нержавеющих мартенситных сталей
В 1970-1980-х гг. были созданы коррозионностойкие мартенситные нержавеющие стали, что позволило расширить области использования данных материалов.
Развитие производства мартенситных сталей в современный период
В настоящее время мартенситные стали перестали быть эксклюзивными или дефицитными материалами. Они широко выпускаются металлургическими комбинатами и применяются в самых разных отраслях промышленности.
Перспективные составы и режимы обработки мартенситных сталей
В настоящее время ведутся работы по созданию новых перспективных составов мартенситных сталей с улучшенным комплексом свойств.
Повышение прочности и трещиностойкости
Добавление наноразмерных частиц карбидов и нитридов титана, ванадия, ниобия в состав мартенситной стали позволяет получить принципиально более высокие значения прочности и вязкости по сравнению с традиционными составами.
Увеличение износостойкости
Легирование мартенситных сталей бором в сочетании с азотированием позволяет значительно повысить износостойкость поверхностного слоя деталей, работающих в условиях интенсивного трения и ударных нагрузок.
Создание сплавов с эффектом памяти формы
Разрабатываются составы мартенситных сталей с эффектом памяти формы на основе железа, никеля и титана. Такие сплавы находят применение при создании "умных" деталей и конструкций, изменяющих форму при нагреве/охлаждении.
Новые методы упрочняющей обработки мартенситных сталей
Кроме традиционной термической обработки, перспективными являются комбинированные методы упрочнения мартенситных сталей, включающие пластическую деформацию, облучение и др.
Тенденции в развитии рынка мартенситных сталей
Несмотря на относительно высокую стоимость, спрос на мартенситные стали в мире неуклонно растет. Это связано с постоянным расширением областей их применения.
Рост потребления в авиакосмической и оборонной отраслях
В авиастроении и ракетостроении мартенситные стали используются все шире благодаря требованиям создания более легких и надежных конструкций. Аналогичные тенденции наблюдаются и в военной промышленности.
Увеличение спроса на инструментальные мартенситные стали
Рост производительности металлообрабатывающего оборудования диктует необходимость применения более износостойкого режущего инструмента, в том числе на основе мартенситных сталей.
Расширение использования в медицине
Мартенситные нержавеющие стали все чаще применяются для изготовления хирургических инструментов и имплантатов, что также ведет к росту спроса на данные материалы.
Перспективные ниши применения мартенситных сталей
Помимо традиционных областей, в будущем возможно более широкое использование мартенситных сталей в таких сферах, как робототехника, микроэлектроника, возобновляемая энергетика и др. Это обеспечит дальнейшее увеличение спроса.
