Мартенситные стали: виды, структура, описание

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.

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:

1. Повышение комплекса прочностных свойств
2. Улучшение технологичности
3. 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.