3.6. Легированные стали

Необходимый комплекс свойств в сталях обеспечивается введением специальных добавок – легированием (от нем. legieren-сплавлять). Легирующие элементысущественно повышают себестоимость стали, поэтому при введении добавок руководствуются не только их влиянием на свойства стали, но и экономическими соображениями. Термическая обработка обеспечивает получение оптимальной структуры и свойств материала. Так как легированные стали дороже углеродистых, то их нерационально использовать без термической обработки.

Основными легирующими элементами в сталях являются Cr, Ni, Si, W, Mo, V, Al, Cu, Ti, Nb, B. Эти элементы образуют твердые растворы с - и γ-фазами железа. Кроме того, они влияют на области существования этих фаз на диаграмме состояния, так аустенитообразующие элементы Ni, Mn, Co, Cu, могут стабилизировать высокотемпературную γ-фазу до комнатной температуры. Ферритообразующие элементы Cr, Si, Al, Mo, V, W, Nb стабилизируют феррит. Элементы Mn,Cr, Mo, W, Ti образуют в стали карбиды, дисперсные карбиды повышают твердость и прочность стали.

Легированные стали классифицируют по следующим характеристикам:

1. по типу равновесной структуры: доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные;

2. по структуре после охлаждения на воздухе (нормализации)стали делят на три основных класса: перлитный, мартенситный и аустенитный;

3. по общему количеству легирующих элементов: низколегированные (до 2,5 %), среднелегированные (2,5-10 %), высоколегированные (более 10 %);

4. по группе основных легирующих элементов: хромистые, марганцовистые, хромоникелевые и т.п.;

5. по назначениюстали подразделяют на конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами.

Маркировка легированных сталей представляет собой буквенно-цифровую систему. Легирующие элементы обозначают буквами: Х–хром, Г–марганец, С–кремний, Н–никель, В–вольфрам, Т—титан, М–молибден, Ф–ванадий, Ю–алюминий, К–кобальт, Р–бор. Цифры, стоящие в начале марки, указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Цифры, стоящие после буквы, указывают примерное содержание легирующих элементов в процентах. Если цифра отсутствует, то содержание легирующего элемента меньше или около 1 %. Буква А в конце марки – сталь высококачественная. Пример маркировки по ГОСТ 4543-71: сталь 18Х2Н4ВА содержит 0,18 % С, 2 % Cr, 4 % Ni, 1 % W и является высококачественной.

Опытные марки стали, выплавленные на заводе «Электросталь», обозначают ЭИ или ЭП и порядковым номером разработки – ЭИ962 (11Х11Н2В2МФ). Некоторые группы сталей имеют дополнительные обозначения. Шарикоподшипниковые стали начинаются с буквы Ш; электротехнические стали – Э; сталь нержавеющая – СН. Марка инструментальной быстрорежущей стали начинается с буквы Р (от англ. rapid – быстрый).

Конструкционные легированные стали подразделяют на следующие группы:

• строительные,

• улучшаемые,

• цементуемые,

• рессорно-пружинные,

• шарикоподшипниковые.

Объем потребления строительных сталей очень большой и поэтому в качестве строительных используют низколегированные стали, содержащие сравнительно недефицитные и недорогие марганец, кремний, малые добавки ванадия.

Около 40% выплавляемой стали используют в машиностроении. Хотя условия работы машин и деталей очень разнообразны, к этим сталям предъявляется одно общее требование – сочетание повышенной прочности при сохранении достаточно большого запаса пластичности. Улучшаемые конструкционные стали – это среднеуглеродистые стали, содержащие легирующие элементы в количестве не более 5 %. Их подвергают операции так называемого «улучшения», состоящей из закалки и высокого отпуска. Наиболее широко применяют стали марок 30Х, 40Х, 30ХМ, 40ХГ, 30ХГТ, 30ХГС, 40ХН, 40ХНМ, 38ХН3М, 38ХН3МФА.

Для изготовления деталей, работающих под действием динамических нагрузок в условиях поверхностного износа, применяют низкоуглеродистые стали, подвергаемые цементации: 15Х, 20Х, 20ХН, 12ХН3А, 12Х2Н4А, 18ХГТ, 18Х2Н4МА. В табл.3.1 приведены составы некоторых конструкционных сталей.

Основные требования к рессорно-пружинным сталям – это обеспечение высоких значений пределов упругости, текучести, а также сопротивления хрупкому разрушению: 65СГ, 70С3А., 50ХФА (ГОСТ 4543-71). Шарикоподшипниковые стали должны обладать высокой твердостью, износостойкостью, этим требованиям удовлетворяют хромистые заэвтектоидные стали ШХ4, ШХ15, ШХ20СГ (ГОСТ 801-78).

Таблица 3.1

Конструкционные легированные стали

Марка стали	Содержание легирующих элементов, % по массе
	C	Cr	Mn	Mo	Ni	Другие эл-ты
Строительные стали, ГОСТ 19281-73
09Г2С	<0,12	0,5 – 0,8	1,3 – 1,7	–	–	–
15Г2СФД	0,12 – 0,18	0,4 – 0,7	1,3 – 1,7	–	–	V 0,05 – 0,10 Cu 0,15 – 0,30
Улучшаемые стали, ГОСТ 4543-71
40ХФА	0,37 – 0,44	0,80 – 1,10	0,50 – 0,80	–	–	–
30ХГСА	0,28 – 0,34	0,80 – 1,10	0,80 – 1,10	–	–	Si 0,90 – 1,20
38ХН3МФА	0,33 – 0,40	1,20 – 1,50	0,25 – 0,50	0,35 – 0,45	3,0 – 3,5	V 0,10 – 0,18
Цементуемые стали, ГОСТ 4543-71, ГОСТ 1050-88
15ХФ	0,12 – 0,18	0,8 – 1,1	04 – 0,7	–	–	V 0,06 – 0,12
12ХН3А	0,09 – 0,16	0,60 – 0,90	0,20 – 0,60	–	2,35 – 3,15	–
18Х2Н4МА	0,14 – 0,20	0,35 – 1,65	0,20 – 0,55	0,30 – 0,40	4,0 – 4,40	–

Инструментальные стали подразделяют настали для измерительного, режущего инструмента и штампов холодного и горячего деформирования.

Для обеспечения износостойкости измерительного инструмента необходима высокая поверхностная твердость, для сохранения формы – высокая прочность при наличии небольшого запаса пластичности. Для изготовления измерительного инструмента применяют высокоуглеродистые стали марок У8, У12 и низколегированные стали марок Х, ХВГ, 9ХС (ГОСТ 5950-73).

Стали для режущего инструмента должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и высокой прочностью при повышенных температурах, чтобы сохранять форму и размеры режущей кромки инструмента. Низколегированные стали 13Х6, 9ХС пригодны для работы не выше 200-250 С. Среднелегированные стали типа 9Х5ВФ, 3Х4В3М3Ф2 имеют более высокие рабочие температуры, до 300-500С (ГОСТ 5950-73). Быстрорежущие стали способны длительно работать при 500-600С. Эти стали маркируют буквой Р, цифры показывают среднее содержание вольфрама, затем указывается среднее содержание других легирующих элементов: Р9, Р18, Р6М3, Р12Ф3, Р9М4К8Ф.

Металлокерамические твердые сплавы являются инструментальными материалами, состоящими из карбидов тугоплавких металлов и цементирующего металла – кобальта. Такой инструмент позволяет повысить скорость резания в 5-10 раз по сравнению с быстрорежущими сталями, довести рабочие температуры до 800-1000 С. Твердые сплавы получают методом порошковой металлургии: спеканием карбидов WC, TiC, TaC с порошком кобальта. Сплавы разделяют на группы и маркируют в зависимости от состава карбидной основы: ВК6, ВК8, ВК1; Т5К10, Т14К8, Т15К6; ТТ7К12. В марке указывается содержание кобальта и карбидов, например, сплав Т5К10 содержит 10 % Co, 5 % TiC, остальное WC, т.е. 85 %. Общим недостатком твердых сплавов является высокая стоимость и дефицитность исходного вольфрамового сырья. Поэтому, перспективно направление использования безвольфрамовых керамических материалов (см. Гл.4).

Основные требования, предъявляемые к сталям для штампов холодного деформирования – высокая твердость и износостойкость. Используют низколегированные стали ХВГ, ХВСГ и высокохромистые, высокоуглеродистые стали Х6ВФ, Х12ВМ, Х12М, Х12Ф1, Х12ВМ. Штамповые стали для горячего деформирования должны иметь необходимую твердость и прочность при температурах нагрева инструмента, должны сопротивляться термической усталости. Этим требованиям удовлетворяют легированные стали 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХГМ, 4Х4ВМФС, 5Х2СФ, 3Х2М2Ф, 3ХВ4СФ, 4ХСН2МВФ. В табл. 3.2 приведены составы некоторых инструментальных сталей.

Таблица 3.2

Инструментальные легированные стали

Марка Стали	Содержание легирующих элементов, % по массе
	C	Cr	Mn	Si	Mo	W	V
Быстрорежущие стали, ГОСТ 19265-73
Р18	0,73 – 0,83	3,8 – 4,4	< 0,5	< 0,5	17,0 – 18,5	< 0,1	1,0 – 1,4
Р6М5	0,80 – 0,88	3,8 – 4,4	< 0,4	< 0,5	5,5 – 6,5	5,0 – 5,5	1,7 – 2,1
Штамповые стали для холодного деформирования, ГОСТ 5950-73
Х12ВМ	2,00 – 2,20	11,0 – 12,5	0,15 – 0,40	0,20 – 0,40	0,60 – 0,90	0,50 –0,80	0,15 – 0,30
Х6ВФ	1,05 – 1,15	5,50 – 6,50	0,15 – 0,40	0,15 – 0,35	–	1,10 – 1,50	0,50 – 0,80
Штамповые стали для горячего деформирования, ГОСТ 5950-73
5ХНМ	0,50 – 0,60	0,50 – 0,80	0,50 –0,80	0,15 – 0,35	0,15 – 0,30	–	Ni 1,4 – 1,8
4Х4ВМФС	0,37 – 0,44	3,20 – 4,00	0,20 – 0,50	0,60 – 1,00	1,20 – 1,50	0,80 – 1,20	0,60 – 0,90

Стали с особыми физическими и химическими свойствами: коррозионностойкие (нержавеющие), жаропрочные, жаростойкие, электротехнические, магнитные.Необходимый комплекс механических и эксплуатационных свойств таких сталей обеспечивается за счет сложного легирования и выбора соответствующей технологии термической обработки заготовок или деталей. В табл.3.3 приведен химический состав некоторых сталей с особыми свойствами.

Литейные легированные стали имеют или ту же марку, что и деформируемые, отличаясь лишь буквой Л в конце марки: 35ХГСЛ, 12Х18Н9ТЛ, или разработаны специально в качестве литейных: 20ФЛ, 08ГДНФЛ (ГОСТ 977-88, ГОСТ 2176-77).

Таблица 3.3

Коррозионностойкие, жаропрочные и жаростойкие стали

Марка стали	Содержание легирующих элементов, % по массе
	C	Cr	Mn	Mo	Ni	Другие эл-ты
Коррозионностойкие (нержавеющие) стали, ГОСТ 5632-72
08Х13	<0,08	12,0 – 14,0	–	–	–	–
12Х18Н10Т	<0,12	17,0 – 19,0	–	–	9,0 – 11,0	Ti 0,7
10Х14Г14Н4Т	<0,1	13,0 – 15,0	13,0 – 15,0	–	2,8 – 4,5	–
Жаропрочные стали, ГОСТ 5632-72
12Х1МФ	0,08 – 0,15	0,9 – 0,2	0,4 – 0,7	0,25 – 0,35	–	V 0,15 – 0,30
10Х11Н20Т3Р (ЭИ696)	<0,1	10,0 – 12,5	–	–	18,0 – 21,0	Ti 2,3 – 2,8 B 0,008
Жаростойкие стали, ГОСТ 5632-72
15Х28	<0,15	27,0 – 30,0	–	–	–	–
20Х25Н20С2	<0,20	24,0 – 27,0	–	–	18,0 – 21,0	Si 2,0 – 3,0
40Х10С2М	0,35–0,45	9,0 – 10,5	0,8	0,7–0,9	6,0	Al 1,9 – 2,6 Ti0,2