Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Развитие таких отраслей техники, как авиакосмическая, атомная, энергетическая и ряда других, во многом определяется состоянием и техническим уровнем производства легированных сталей и сплавов, способных работать в самых разнообразных условиях. Современная техника нуждается в материалах, надежно работающих как при темпе ратуре, близкой к абсолютному нулю, так и температуре в несколько тысяч градусов, при знакопеременных и вибрационных нагрузках, под воздействием радиоактивных излучений, в агрессивных средах, в ус ловиях глубокого вакуума и резких перепадов температуры.

Решение этих задач потребовало, во-первых, конкретного улуч шения качества производимых сталей и сплавов и, во-вторых, созда ния новых материалов. Все эти стали и сплавы стали относить к так называемым специальным сталям. сталь авиакосмический атомный мировой

Специальные стали -- это сплавы на основе железа, отличающиеся от обычных сталей особыми свойствами, обусловленными либо их хими ческим составом, либо особым способом производства, либо способом их обработки. Достаточно наличия одного из этих факторов, чтобы сталь можно было назвать специальной. Чаще всего специальные стали ха рактеризуются всеми тремя особенностями. Это относится также и к ле гированным сталям с высоким содержанием легирующих элементов.

Стали и сплавы специального назначения благодаря своим уникальным свойствам находят широкое применение в электроэнергетике, станкостроении, машиностроении, медицине и здравоохранение, а также в создании различных агрегатов и устройств для нужд автомобильной, химической и авиационно-космической промышленности

В настоящее время в стране выпускается боле 1000 различных марок сталей, причем доля спецсталей с каждым годом неуклонно растет.

1. Общая характеристика и понятие специальных сталей

Специальные стали -- это сплавы на основе железа, отличающиеся от обычных сталей особыми свойствами, обусловленными либо их хими ческим составом, либо особым способом производства, либо способом их обработки.

В металлургии известны сотни сталей и сплавов, отличающихся выдающимися служебными характеристиками. На данный момент нет однозначной их классификации, в связи с тем, что во многих случаях стали относят к специальным даже по одному из трех указанных признаков:

- по химическому составу;

- по способу производства;

- по способу обработки.

По химическому составу к специальным сталям прежде всего отно сятся сплавы железа, легированные никелем, хромом, вольфрамом, мо либденом, ванадием и др., например нержавеющие стали с содержанием более 13% хрома и добавками никеля, молибдена и др. Разумеется, что при производстве и термической обработке таких сталей большое значение имеет характер легирования.

Было бы целесообразно дать более точное определение понятия ле гированная сталь. В процессе производства нелегированной стали в нее вместе с шихтой (в том числе и скрапом) непроизвольно попадают раз ные легирующие элементы, например никель, медь, хром. В общей слож ности их количество составляет около 0,5%. Эти примеси, как правило, оказывают незначительное влияние на свойства сталей и поэтому ими можно пренебречь. Было бы ошибочно такие стали называть легирован ными. Вместе с тем иногда незначительная добавка легирующего эле мента, даже в количестве 0,1% и менее, введенная в определенную сталь, позволяет считать эту сталь легированной.

Легированными сталями называют сплавы железа, к которым до бавлены определенные количества легирующих элементов с целью полу чения ряда особых свойств.

Таким образом, получение легированной стали предусматривает намеренное введение легирующих элементов в определенном количестве для получения определенных свойств.

При этом следует указать, что даже при небольшом содержание легирующих элементов, если стали приданы определенные свойства, ее относят к разряду специальных. Таким образом, по хими ческому составу к специальным сталям можно отнести чистое железо.

Специальные стали по способу производства.

Ряд сталей одинако вого химического состава -- в том числе и нелегированные с весьма ма лым содержанием марганца и кремния, определяемым процессом про изводства, -- выплавляют томасовским и бессемеровским способами, а также в мартеновских, или в электрических, или тигельных печах.

Выбор того или иного способа производства зависит от назначения сталей (области применения). Например, стали с содержанием 0,6-- 0,8% С и около 0,6--1% Мn для изделий массового производства, напри мер для закаливаемых рельсов, выплавляют томасовским способом или в основных мартеновских печах большой емкости. Стали примерно та кого же химического состава, идущие для изготовления штампов, режу щих инструментов и др., можно выплавлять или в мартеновских или в электрических печах. Особую группу этих сталей представляют выплав ляемые в бессемеровских и кислых мартеновских печах стали для пил и лемехов. Следовательно, термин специальные стали связан в данном случае со способом производства. Характерным примером зависимости свойств от способа производства является так называемая «цементная» сталь, в которой требуемое содержание углерода достигается путем спе циальной цементации особо чистого железа.

Исследование влияния минимальных количеств примесей таких эле ментов, как азот, кислород, сера, водород и фосфор, на свойства спла вов железа позволяет определить особенности, обусловленные процес сом производства стали. Изучение металлургических закономерностей показывает, что в большинстве случаев характерные свойства сплавов, обусловленные химическим составом и, в частности, малыми количест вами примесей, могут быть достигнуты лишь в результате применения определенных способов производства этих сплавов. Таким образом, спе циальные стали по способу производства (с учетом влияния незначи тельных количеств примесей) можно рассматривать одновременно и как специальные стали по химическому составу.

Специальные стали по способу обработки.

Большинство сталей вы плавляют в мартеновских печах большой емкости или в томасовских конвертерах. После плавки сталь подвергают горячей прокатке или ков ке, термической обработке, а также, например, холодной прокатке, про тяжке и тому подобным специальным способам обработки, в результате которых получают желаемые специальные свойства. Примером служат мягкие сорта листовой стали для глубокой вытяжки.

Общие тенденции мирового развития в области производства спецсталей показывают, что в настоящее время интенсивно ведутся разработки и исследования в области литейных и деформируемых сплавов и сталей со специальными свойствами, сырья, исходных компонентов для их производства и технологий их переработки в высокотехнологичную наукоемкую продукцию с большой долей инновационной составляющей.

Причем основные направления развития спецэлектрометаллургии за рубежом заключаются в:

1. Совершенствование технологии выплавки и переплава спецметалла, агрегатов, систем контроля и управления процессами, для обеспечения гарантии качества металла, увеличения выхода годного и снижения затрат.

2. Создание новых менее затратных технологий для производства спецметалла «наземного» (не авиакосмической промышленности) применения, для существенного снижение себестоимости металла.

Выделяют следующие группы спе циальных сталей:

1) Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали.

2) Инструментальные быстрорежущие стали.

3) Конструкционные износостойкие стали.

4) Машиностроительные.

В свою очередь машиностроительные стали подразделяют на:

- мартенситно-стареющие стали;

- подшипниковые стали;

- пружинные стали;

- высокопрочные стали;

- рельсовые стали.

Кроме того отдельной группой стоят прецизионные стали и сплавы, которые в свою очередь подразделяются на:

1 Магнитно-мягкие сплавы.

2 Магнитотвёрдые материалы.

3 Сплавы с заданным коэффициентом термического расширения.

4 Сплавы с особыми упругими свойствами.

5 Сверхпроводящие материалы.

7 Твёрдые материалы.

8 Жаропрочные стали и сплавы.

9 Полупроводниковые материалы.

10 Порошковые материалы.

Прецизионные стали и сплавы в настоящее время находят все большее применение в различных областях производства и техники, начиная от устройств и агрегатов бытовой техники (телефонные, телевизионные системы, холодильные агрегаты) и заканчивая машинами прикладной кибернетики, космической техники, средств связи и т.д

В настоящее время все больше внимания уделяется получению специальных сталей и сплавов методом порошковой металлургии.

Перспективы развития порошковой металлургии прежде всего связываю с созданием новых, лёгких, прочных композиционных материалов и наноструктурных покрытий.

Создание твердосплавных материалов с наноструктурой позволит улучшить режущие свойства и физико- механические характеристики материала не менее чем в 2-3 раза, а нанесение покрытий с использованием нанопорошков, позволяет увеличить срок службы изделий в 5-6 раз.

Причем исходя из «Стратегические направления развития материалов и технологий до 2030 года» предусматривается разработка технологий получения сверхчистых по примесям и керамическим включениям ультрадисперсных порошков на основе нового поколения титановых, интерметаллидных, ниобиевых и никелевых сплавов, в том числе «экстра»-порошков для лазерной LMD-наплавки (гранулометрический состав 40-80 мкм), керамоподобных титановых сплавов, работоспособных до температуры 700°С, а также создание центра компетенции (трансфера технологий) по порошковым материалам и аддитивным технологиям.

2. Область применения социальных сталей

Стали и сплавы специального назначения благодаря своим уникальным свойствам находят широкое применение в электроэнергетике, станкостроении, машиностроении, медицине и здравоохранение, а также в создании различных агрегатов и устройств для нужд автомобильной, химической и авиационно-космической промышленности.

Конструкционные легированные стали (12ХН3А, 20ХН3А, 38Х2МЮА, 30ХГСА, 18ХГТ и др.) - применяются для производства ответственных и улучшаемых деталей (втулки, пальцы, валки, шестерни и т.д.), как правило, работающих в условиях износа, при трении, при повышенных температурах.

Конструкционные подшипниковые стали (ШХ15, ШХ15СГ) - применяются для производства элементов подшипников, плунжеров, клапанов и других деталей от которых требуется высокая твердость, износостойкость и контактная прочность.

Конструкционные рессорно-пружинные стали (65, 70, 65Г, 60С2А и др.) - применяются для производства рессор, пружин, фрикционных дисков, упорных шайб и других деталей, от которых требуются повышенные прочностные и упругие свойства, износостойкость; работающих в условиях трения при наличии высоких статических и вибрационных нагрузок

Инструментальные углеродистые стали (У7А, У8А, У10А, У12А и др.) - применяются для изготовления инструмента, работающего в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки: фрез, зенковок, топоров, пил, долот и т.д.

Инструментальные легированные стали (9ХС, ХВГ) - применяются для изготовления сверл, метчиков, фрез, а также ответственных деталей, материал которых должен обладать повышенной износостойкостью, усталостной прочностью при изгибе, кручении, контактном нагружении, а также упругими свойствами.

Инструментальные штамповые стали (4Х5МФС, Х12МФ, Х12Ф1, 6ХВГ, 5ХНМ и др.) - применяются для изготовления профилировочных роликов, матриц, вырубных и просечных штампов, пуансонов, инструмента, работающего с повышенными ударными нагрузками.

Инструментальные быстрорежущие стали (Р6М5, Р6М5К5, Р18, Р9, Р9М4К8 и др.) - применяются для изготовления режущих инструментов, применяемых для обработки углеродистых, легированных, нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов.

Инструментальные валковые стали (9Х2, 75ХМ, 45ХНМ,75ХМФ и др.) - применяются для производства рабочих и опорных валков прокатных станов, для холодной и горячей прокатки металлов

Стали и сплавы с особыми физическими свойствами (электротехнические, магнитно-твердые и магнитно-мягкие, нихромы (Х20Н80, Х15Н60) и фехрали).

Кроме того практически все емкости, сосуды, реакторы, трубы и другое оборудование химической индустрии изготавливается из аустенитных нержавеющих сталей.

Специальные стали и сплавы остаются незаменимыми материалами для производства специального оборудования авиалайнеров и космических кораблей.

Например, в настоящее время одним из самых широко применяемых двигателей гражданской авиации является CFM56, которые ежегодно устанавливаются на 625 самолетах А320 и Boeing-737. Благодаря современным технологиям производства становится возможным применение новых турбинных лопаток из композиционных монокристаллических сплавов с теплозащитным покрытием, позволяет увеличит ресурс двигателя более чем в 2 раза и достичь показателя в 10000 часов.

3. Роль специальных сталей в мировом производстве

Сложившиеся мировые тенденции научно-технического развития в области разработки и использования сплавов и сталей со специальными свойствами, показывает актуальность дальнейшего развития данной отрасли.

Мировое производство стали в 2011 году выросло до нового рекордного уровня и, согласно данным World Steel, составило 1527 млн т, что на 6.8% превысило результат 2010 года. Рост производства стали и достижение рекордного объема выпуска в основном произошло за счет развивающихся стран.

В последнее время наблюдается тенденция роста отечественной черной металлургии, ее модернизации и соответствии мировому уровню. К успехам металлургического комплекса, в частности, относится пятое место в мире по объемам выплавки стали.

Колоссально различается соотношение групп никелевых сплавов в промышленности разных регионов: если в Америке доминируют жаропрочные сплавы, то в Азии более 90 % приходится на сплавы для электроники.

Общие тенденции мирового развития в области производства спецсталей показывают, что в настоящее время интенсивно ведутся разработки и исследования в области литейных и деформируемых сплавов и сталей со специальными свойствами, сырья, исходных компонентов для их производства и технологий их переработки в высокотехнологичную наукоемкую продукцию с большой долей инновационной составляющей.

Причем основные направления развития спецэлектрометаллургии за рубежом заключаются в:

1. Совершенствование технологии выплавки и переплава спецметалла, агрегатов, систем контроля и управления процессами, для обеспечения гарантии качества металла, увеличения выхода годного и снижения затрат.

2. Создание новых менее затратных технологий для производства спецметалла «наземного» (не авиакосмической промышленности) применения, для существенного снижение себестоимости металла.

В настоящее время все больше внимания уделяется получению специальных сталей и сплавов методом порошковой металлургии.

Перспективы развития порошковой металлургии прежде всего связываю с созданием новых, лёгких, прочных композиционных материалов и наноструктурных покрытий.

Создание твердосплавных материалов с наноструктурой позволит улучшить режущие свойства и физико- механические характеристики материала не менее чем в 2-3 раза, а нанесение покрытий с использованием нанопорошков, позволяет увеличить срок службы изделий в 5-6 раз.

Согласно «Стратегии развития металлургической промышленности на период до 2020 года», акценты инновационной политики должны постепенно переходить от задач закрепления предприятий на мировом рынке металлопродукции (основной приоритет 1990?2006 гг.) к задачам мобилизации потенциала развития (приоритет до 2015 г.) и в дальнейшем - к обеспечению условий для повышения технического уровня отечественной металлургической промышленности (приоритет 2010?2025 гг

Заключение

На протяжении всей истории металлургии стоит задача улучшения качества металла и прежде всего получения металла, не содержащего вредных примесей (серы, фосфора, газов, примесей цветных металлов, неметаллических включений и т.п.) и с необходимой структурой.

В настоящее время в стране выпускается боле 1000 различных марок сталей, причем доля спецсталей с каждым годом неуклонно растет.

Стали и сплавы специального назначения благодаря своим уникальным свойствам находят широкое применение в электроэнергетике, станкостроении, машиностроении, медицине и здравоохранение, а также в создании различных агрегатов и устройств для нужд автомобильной, химической и авиационно-космической промышленности.

Сложившиеся мировые тенденции научно-технического развития в области разработки и использования сплавов и сталей со специальными свойствами, показывает актуальность дальнейшего развития данной отрасли.

Список использованных источников

1) Братковский, Е.В., Электрометаллургия стали и спецэлектро-металлургия [Текст] / Е.В. Братковский, А.В. Заводяный.- Новотроицк: НФ МИСиС, 2008.

2) Поволоцкий, Д. Я.Электрометаллургия стали и ферросплавов [Текст] / Д.Я. Поволоцкий, В. Е.Рощин, М. А. Рысс и др. - М.: Металлургия, 1984. - 568с.

3) Кудрин, В.А. Технология получения качественной стали [Текст] // В.А. Кудрин, В.М. Парма. - М: Металлургия, 1984. 320 с.

4) Симонян, Л.М. Металлургия спецсталей. Теория и технология спецэлектрометаллур гии: Курс лекций [Текст]. / Л.М. Симонян, А.Е. Семин, А.И. Кочетов. - М.: МИСиС, 2007. - 180 с.

5) Кудрин, В.А. Теория и технология производства стали: Учебник для вузов. - М.: «Мир», ООО «Издательство ACT», 2003.- 528 с.

6) Гольдштейн, М.И. Специальные стали: учебник для вузов [Текст] / М.И. Гольдштейн, Грачев С.В., Векслер Ю.Г. - М.: Металлургия, 1985. - 408 с.

7) Падерин, С.Н. Теория и расчеты металлургических систем и процессов [Текст]. / С.Н. Падерин, В.В. Филиппов. - М.: МИСиС, 2002. - 334 с.

8) Кудрин, В.А. Теория и технология производства стали: учебник для вузов [Текст] / Ю.В. Кряковский, А.Г. Шалимов. - М.: «Мир», ООО «Издательство АСТ», 2003. - 528 с.

9) Воскобойников, В.Г. Общая металлургия: учебник для вузов [Текст] / В.Г. Кудрин, А.М. Якушев. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2002. - 768 с.

Размещено на Allbest.ru