§ 5. Легированные стали.

Легирование стали получают путем введения различных элементов, в результате чего существенно изменяются механические, физические и химические свойства. Элементы, специально вводимые в сталь для получения требуемых свойств, называются легирующими.

Влияние легирующих элементов на свойства стали.

Хром (Сr) повышает твердость, прочность и пластичность, сохраняет вязкость,увеличивает сопротивляемость стали коррозии, повышает прокаливаемость, позволяет производить закалку в масле, что значительно снижает возможность деформации детали. Хром вводят в сталь 1,5 – 2,5%, для специальных целей – до 30%.

Никель (Ni) повышает прочность, вязкость, коррозионную стойкость, увеличивает прокаливаемость, повышает сопротивление удару, уменьшает коэффициент теплового расширения, а также увеличивает плотность стали, так как является хорошим раскислителем.

Вольфрам (W) повышает твердость, прочность, красностойкость, не снижая вязкости, позволяет получать сквозную прокаливаемость и осуществлять закалку на воздухе. Это дефицитный и дорогой металл.

Кремний (Si) при содержании в стали более 0,4 – 0,6% повышает упругие свойства стали. Этот элемент увеличивает также элекросопротивление стали, что делает кремнистые стали ценным материалом для электротехнической промышленности. Кремний повышает и сопротивление сталей разъеданию кислотами, т. е. делает их кислотоупорными.

Ванадий (Va) способствует повышению прочности при высоких температурах и красностойкости, уменьшает склонность стали к перегреву, что облегчает проведение термической обработки.

Марганец (Mn) при содержании его встали свыше 1% повышает твердость, износоустойчивость, стойкость при ударных нагрузках без снижения пластичности, увеличивает прокаливаемость, но делает сталь более чувствительной к перегреву при термической обработки.

Молибден (Mo) повышает красностойкость, упругость, предел прочности при растяжении, антикоррозионные свойства и сопротивление окислению при высоких температурах.

Титан (Ti) увеличивает прочность и плотность стали, повышает обрабатываемость и сопротивление коррозии.

Ниобий (Nb) повышает сопротивление коррозии.

Алюминий (Al) повышает окалиностойкость, совместное введение с кремнием способствует коррозионной стойкости.

Церий (Ce) повышает прочность и особенно пластичность.

Цирконий (Zr) позволяет получать сталь с необходимой зернистостью.

Лантан (La) и Неодим (Nd) способствует уменьшению содержанию серы в стали, уменьшают пористость. Эти элементы вводят в трансформаторные, окалиностойкостые и нержавеющие стали.

Классификация и маркировка легированных сталей.

По назначению легированные стали делят на три группы:

Конструкционная-это сталь для изготовлению деталей машин и различных конструкций;

Инструментальная-это сталь для режущего измерительного, поверочного и ударно-штамповочного и другого инструмента;

Сталь с особыми физическими и механическими свойствами – для деталей специального назначения.

По содержанию легирующих элементов,легированные стали делят также на три группы:

низколегированные стали (ГОСТ 5058 – 65 ), содержащие легирующих элементов до 2,5%. По механическим свойствам эти стали превосходят углеродистую сталь, хорошо свариваются, лучше сопротивляются коррозии, широко применяются в машиностроении, судостроении, в строительстве гражданских и промышленных сооружений;

среднелегированные, содержащие легирующих элементов от 2,5 до 10%;

высоколегированные, содержащие легирующих элементов более 10%.

По химическому составу и механическим свойствам легированные стали делятся на качественные и высококачественные.

Принято обозначение легирующих элементов, входящих в состав стали, буквами русского алфавита:

А – азот Б – ниобий

В – вольфрам П - фосфор

Г – марганец Е - селен

Х – хром Р - бор

Н – никель Ф - ванадий

Т – титан Ю - алюминий

К – кобальт С - кремний

Д - медь Ц - цирконий

М - молибден

Маркировка легированной стали. Для обозначения легированной стали пользуются определенным сочетанием цифр и букв, показывающих примерный состав стали. Для стали конструкционной легированной принята маркировка, по которой первые две цифры стоящие перед буквами, указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Если перед буквами стоит одна цифра, то она выражает содержание углерода свыше 1%, цифру перед буквами не ставят. За цифрами следуют буквы, показывающие наличие соответствующих легирующих элементов в составе стали. Цифры за буквами показывают среднее процентное содержание легирующего элемента. Если содержания элемента до 1,5%, то цифра отсутствует; если содержание элемента около 1,5%, то ставится цифра 1; если около 2%, то ставится цифра 2 и т.д.

Для стали инструментальной легированный порядок маркировки по легирующим элементам тот же, что и для конструкционной, но количество углерода указывается первой цифрой в десятых, а не в сотых доля процента. Если цифра отсутствует, то сталь содержит около или более 1% углерода.

Для обозначения высококачественной стали в конце маркировки добавляют букву А. Высококачественная сталь содержит меньше серы и фосфора, чем качественная. Например, марка 15ХА обозначает хромистая сталь ( буква Х ), содержащую 0,15% углерода и около 1% хрома высококачественная.

Некоторые стали специального назначения выделены в отдельные группы и имеют особую маркировку. Каждой группе присваивается своя буква. Например, буква ставится впереди: Ж – обозначает хромистые нержавейки, Я – хромоникелевая нержавейка, Р – быстрорежущая, Ш – шарикоподшипниковая, Е – электротехническая.

Конструкционные легированные стали

Эта группа сталей применяется главным образом для изготовления ответственных деталей машин и металлических конструкций ( ГОСТ 4543 – 71).

Хромистые стали. Наиболее широко применяется стали 15Х и 20Х, изделия из которых подвергаются поверхностному науглероживанию (цементации), в результате чего достигаются высокая твердость поверхности при вязкой сердцевине изделия. Из этих сталей изготовляют распределительные валы двигателей, кулачки, зубчатые колеса др.

Марганцовистые стали хорошо обрабатываются давлением (ковкой, штамповкой), резанием, хорошо сваривается, отличаются глубокой прокаливаемостью, значительно большей твердостью, чем углеродистые.

Из сталей 15Г и 20Г делают сварные конструкции, а также мелкие крепежные детали (гайки, болты), а из сталей 50Г и 50Г2 – оси, валы, червяки и другие детали.

Кремнистые стали обладают повышенной прочностью и особенно высоким пределом упругости. Из сталей изготовляются мостовые и судовые конструкции, а также фасонные отливки; такие стали широко применяют в электропромышленности для изготовления деталей электрических машин и трансформаторов.

Никелевые стали отличаются высокой прочностью, значительной пластичностью и вязкостью. Они без затруднения куются, свариваются и вполне доступны всем другим видам обработки металлов. Содержание углерода в них колеблется от 0,1 до 0,4%, никеля от 1,25 до 5,5%.

Хромованадиевые стали имеют повышенную прочность, упругость, вязкость. Применяются для изготовления ответственных,например, клапанных пружин (сталь 50ХФА).

Инструментальные легированные стали

Инструментальные легированные стали по сравнению с инструментальными углеродистыми сталями обладают преимуществами. При введение определенных легирующих элементов сталь приобретает красностойкость, износостойкость, получает глубокую прокаливаемость, равномерную закалку и значительно меньше напряжений, чем углеродистую сталь кроме того она имеет высокую прочность, твердость и хорошо противостоит ударным нагрузкам, не теряет твердости при нагревах. Наиболее распространенными из рассматриваемые группы сталей являются:

хромистая сталь марки Х, содержащая 0,95 – 1,10% углерода и 0,8 – 1,6% хрома;

хромокремнистая сталь 9ХС, содержащая 0,85 – 0,95% углерода, 1,2 – 1,6 кремния и 0,95 – 1,25% хрома.

Из указанных сталей изготовляют сверла, развертки, метчики, плашки и др.

Наиболее твердой из инструментальных сталей является сталь ХВ5, которая в закаленном состоянии применяется для обработки особо твердых сплавов. Из нее изготовляются режущие инструменты для точной обработки.

Быстрорежущие стали. К группе легированных инструментальных сталей относятся быстрорежущая сталь, обладающая красностойкостью, т. е. способностью не терять режущих свойств при нагреве до 600 – 700º С. Она способна резать металл со скоростью в 3 – 4 раза выше допускаемых для углеродистых инструментальных сталей.

ГОСТ 9373 – 60 предусмотрены следующие марки быстрорежущие стали: Р18, Р12, Р9, Р6М3, Р14Ф5, Р14ФА, Р18Ф2, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5 и Р18К5Ф2. Буква Р указывает что, это быстрорежущая сталь, а следующие за ней буквы и цифры указывают среднее содержание легирующих элементов, Из стали Р6М3 изготовляются инструменты, работающие с большими подачами и в условиях динамических нагрузок: фрезы, долбяки, протяжки и др. Стали Р9К5, Р9К10, Р18К5Ф2 применяются для изготовления инструментов, обрабатывающих твердые материалы, жаропрочные и нержавеющие сплавы.

Стали с особыми свойствами.

Развитие техники, потребности авиационной, энергетической, химической и других отраслей промышленности предъявляют особые требования к сталям: например, способность сопротивляться коррозии и действию химических агрессивных сред; стойкость против окисления при высоких температурах; обладание особыми магнитными свойствами; износостойкость и др. (ГОСТ 5632 – 61*).

Нержавеющие (коррозионностойкие) стали (ГОСТ 5949 – 61) обладают высокой стойкостью против ржавления при работе в различных средах (в пресной и морской воде, атмосфере воздуха и водяного пара, разных газов, в растворах кислот, солей и т.п.).

Стойкость против коррозии обеспечивается введением в сталь наиболее действенного и дешевого легирующего элемента – хрома, количество которого в нержавеющих сталях не менее 12%. Высокая стойкость против коррозии высокохромистых сталей обеспечивается образованием на их поверхности тонкой прочной пленки окиси хрома. Например, стали 1Х13, 2Х13, 3Х13 обладают высокой стойкостью против атмосферной коррозии. Из них изготовляют турбинные лопатки, хирургические инструмент, клапаны гидравлических насосов, предметы домашнего обихода и др.

Жаростойкие стали (ГОСТ 5632 – 61) сопротивляются окислению (образованию окалины) при высокой температуре. Для отдельных деталей современных мощных паросиловых установок это свойство стали является важнейшим, обеспечивающим их надежную работу. Свойство жаростойкости сообщают стали хром, кремний, алюминий, образующие на поверхности стали прочные и плотные пленки окислов, надежно защищающие сталь от дальнейшего окисления. Жаростойкие стали образуют группу марок стали под общим наименование сильхромов (Х8СМ, Х8С3М). Из этой стали изготовляют, например, клапаны двигателей внутреннего сгорания.

Жаропрочные стали (ГОСТ 5632 – 61) сохранят или мало снижают механические свойства при высоких температурах. Легирующими элементами, повышающими жаропрочность стали, являются молибден, а также вольфрам, ванадий и в меньшей мере хром и никель. Жаропрочными являются стали марок М и МХ. Их применят в котлотурбостроении для труб и пароперегревателей, котельных барабанов и др. Наиболее распространенными сталями этой группы являются Х23Н18, Х25Н20С2; из них делают газовые турбины, реактивные двигатели и др. Жаропрочной и жаростойкой одновременно является сталь Х14Н14В2.

Магнитные стали применяются для изготовления трансформаторов, сердечников и полюсов электромагнитов, реле в телефонной аппаратуре.

Износостойкие стали обладают большим сопротивлением износу. Износостойкость сталь приобретает в результате легированием его марганцем. Наиболее распространенной маркой стали являются высокомарганцевая сталь Г13, содержащая 1,0 – 1,3% углерода, 12 – 14% марганца и другие элементы. Эта износостойкая и одновременно высокопластичная сталь применяется для изготовления звеньев гусениц (траки), козырьков ковшей экскаваторов и землечерпалок, стрелок и крестовин рельсов, а также других деталей, работающих на удар и подверженных интенсивному износу.

Марки стали указывается в документе (сертификате), присланным с металлом. Кроме того, она обозначает клеймом на торце металла или на привязанном к металлу ярлычке. Широко применяется условное обозначения марки стали несмываемой краской, которая наносится на торец или конец прутка (болванки). Каждой марке стали (или нескольким маркам) соответствует определенный цвет, который является единым для всех предприятий.