Легированные стали

Углеродистые стали имеют недостаточную прочность, повышенную склонность к старению и низкую коррозийную стойкость, плохо прокаливаются, хрупки при низких температурах и т. д. Поэтому очень важно улучшить эксплуатационные характеристики сталей, получить стали с особыми свойствами, например, жаропрочные, нержавеющие и др. Это достигается изменением химического состава стали.

Сталь называется легированной, если в нее вводятся специальные (легирующие) элементы, изменяющие ее свойства (табл. 1.7), или в ней имеется более 1 %Si, илиMn. Эти легирующие элементы в буквенном виде включаются в марки сталей:

А — азот Г — марганец К — кобальт П — фосфор Т — титан Ц — цирконий

Б — ниобий Д — медь М — молибден Р — бор Ф — ванадий Ю — алюминий

В — вольфрам Е — селен Н — никель С — кремний Х — хром

Число в начале марки конструкционной стали указывает на содержание углерода в сотых долях %, а цифры после соответствующих букв — среднее содержание этого химического элемента в %. Если после буквенного обозначения нет цифры, то данного элемента находится в стали около 1 %.

Таблица 1.7

Влияние углерода и легирующих элементов на свойства сталей*

Характеристики	Легирующие элементы
	C	Cr	Ni	Mn	Si	W	V	Cu
Прочность на разрыв, sв	Ý	­	­	­	­	­	­	­
Предел текучести, sт	­	­	­	­	­	­	­	­
Относит. удлинение, d	ß	0	0	¯	¯	¯	¯	0
Твердость	Ý	­	­	­	­	­	­	0
Ударная вязкость, aн	¯	­	­	¯	ß	¯	0	0
Усталостная прочность	­	0	0	0	0	0	Ý	0
Свариваемость	¯	0	0	0	¯	0	­	¯
Коррозийная стойкость	0	­	­	­	¯	0	­	Ý

* Условные обозначения: ­ — повышает; Ý — значительно повышает; 0 — не влияет; ¯ — снижает; ß — значительно снижает.

По химическому составу легированные стали могут быть:

— низколегированными (суммарное количество легирующих элементов до 2,5 %);

— среднелегированными (2,5–10 % легирующих элементов);

— высоколегированными (> 10 % легирующих элементов).

Сталь может быть легирована одним (хромистая (Cr), никелевая(Ni), ванадиевая(Wa)), двумя, тремя и более элементами; например, хромоникелевольфрамовая сталь 18Х2Н4В. Марка этой стали расшифровывается следующимобразом: среднелегированная (2 % хрома + 4 % никеля + 1 % вольфрама = 7 % легирующих элементов) хромоникелевольфрамовая сталь, содержащая 0,18 % углерода, 2 % хрома, 4 % никеля и 1 % вольфрама.

Марка стали 40ХН4А расшифровывается как высококачественная (индекс А в конце обозначения), среднелегированная (1 % хрома + 4 % никеля = 5 % легирующих элементов) хромоникелевая сталь, содержащая 0,4 % углерода, 1 % хрома и 4 % никеля.

Химические элементы могут образовывать с железом химические соединения и твердые растворы замещения.

Элементы первой группы — аустенитообразующие (Ni, Mn, C, N, Cu, Cd), расширяют область диаграммы железо–углерод. Легирующие элементы первой группы улучшают закалку. Легированный аустенит увеличивает прочность стали не только при комнатных, но и при повышенных температурах, улучшает ее коррозионную стойкость.

Элементы второй группы — ферритообразующие (Al, Si, W, Ti, Mo, Cr) — сужают g-область и расширяют d-область. Легирующие элементы второй группы растворяются в феррите, изменяют его свойства и, следовательно, свойства стали в целом.

Легированные стали подразделяются на конструкционные, инструментальные и со специальными химическими свойствами (жаропрочные, нержавеющие и т. д.).

Низколегированныеконструкционные стали широко используются в строительстве и машиностроении. Это следующие стали:

Марганцовистыестали (15Г, 20Г, …, 30Г, 40Г и др.) содержат 0,7–1,8 % марганца, который образует с ферритом и аустенитом твердый раствор, а с углеродом — карбиды.

Кремнистыестали (50С2, 55С2, 60С2, 70С3А) содержат1,5–3 % кремния. Из них изготовляются рессоры и пружины.

Хромистыеконструкционные стали (15Х, 20Х, …, 50Х), содержат около 1 % хрома. У них улучшается закалка, но пластичность после закалки почти не снижается, а твердость увеличивается.

Хромомолибденовая сталь 35ХМА используется для изготовления высоконагруженных болтов, шпилек, валов, шестерен. Она хорошо сваривается.

Применение низколегированных строительных сталей (10ХСНД, 15ХСНД, 16ГС, 16Г2СД, 09Г2, 14Г2 и др.) позволяет снизить вес строительных конструкций, повысить коррозионную стойкость, снизить чувствительность к низким температурам и к старению.

Горячекатанный прокат (листовой, швеллеры, двутавры, сталь угловая) из углеродистых и низколегированных сталей, предназначенный для изготовления сварныхстроительных конструкций, вне зависимости от его химического состава (марки стали), а с учетом только механических свойств (предел текучестиs_т) подразделяют наусловные классыстроительных сталей (табл. 1.8).

Таблица 1.8

Классы строительных сталей*

Уровни прочности	Класс стали	Предел текучести (не ниже), МПа	Марки сталей
Обычной -/- -/- -/- -/- Повышенной -/- -/- -/- -/- -/- Высокой -/- -/-	С-235 С-245 С-255 С-275 С-285 С-345 С-345Т С-345К С-375, С-375Д С-390, С=390Т С-390К С-440 С-590 С-590К	235 245 255 275 285 345 -/- -/- 375 390 -/- 440 590 -/-	Ст3кп2, 18кп Ст3пс6, Ст3сп5,18пс Ст3Гпс5,Ст3Гсп6,18Гсп Ст3пс6 Ст3сп5, Ст3Гсп5 09Г2С, 12Г2С, 14Г2 15ХСНД, Ст3Тпс 10ХНДП 12Г2С,12Г2СД 14Г2АФ,10Г2С1,10ХСНД 15Г2АФД 16Г2АФ 12Г2СМФ 12ГН2МФАЮ

* Буквенные обозначения в классах: С — сталь строительная; К и Д — варианты химического состава.

Нержавеющие стали содержат 0,1–0,45 %С, 12–14 %Cr. Окись хрома защищает изделие от разрушения в агрессивной среде. Высокой коррозионной стойкостью обладают и хромоникелевые сплавы (0,12–0,14 %С; 17–20 %Cr; 8–11 %Ni).

Износостойкиестали — это марганцовистые стали, содержащие 0,9–1,1 %Си 12–14 % Mn, из них изготовляют рабочие органы экскаваторов, драг и т.ä.

Легирующие добавки вводят в сталь при ее производстве в виде ферросплавов: ферросилициума, ферромарганца и феррохрома. Ферросплавы получают в доменных печах, но чаще их производят из руды или рудного концентрата методом восстановления в электропечах.

Из многих легирующих элементов особое место занимает по эффективности ванадий, причем он гораздо дешевле многих других легирующих элементов. Стали, упрочненные соединением ванадия с азотом, хорошо работают при низких температурах в условиях Крайнего Севера.

Ванадиевые (всего 0,06–0,12 % ванадия) стали только на 3–10 % дороже обычных углеродистых сталей, но в ряде случаев срок службы изделий повышается вдвое, существенно снижается вес узлов и машин в целом. Так, крановые колеса и шестерни, изготовленные из ванадиевого сплава, долговечнее обычных в 1,5–2 раза. Опорные катки гусеничных тракторов, изготовленные из ванадиевой стали, становятся долговечнее на 30 %.