2.2. Легированные стали
Легирование сталей для улучшения их свойств (механических, коррозионных, тепловых, магнитных и др.) проводится путём введения в расплав легирующих элементов, которые заметно изменяют структуру стали, её свойства и условия термической обработки. В качестве легирующих элементов применяются: хром(в маркировке стали обозначается буквой Х),никель(Н),молибден(М),вольфрам(В),ванадий(Ф),титан(Т),редкоземельные элементы(РЗМ) и др. Являются легирующими элементами такжемарганец (Г) икремний(С), если присутствуют в стали в повышенном количестве.
Каждый легирующий элемент выполняет определённую роль:
марганец (Г) - повышает прокаливаемость, прочность и твёрдость стали, её упругие свойства; снижает красноломкость (за счёт образования соединения MnS с Тпл = 1620оС); при содержании 13% и выше придаёт стали аустенитную структуру, противоударную стойкость, высокую износостойкость при сухом трении. Недостатки: при содержании более 1,5% сообщает склонность к отпускной хрупкости; с ростом температуры способствует росту аустенитного зерна;
кремний (С) - повышает прочность, твёрдость, износостойкость, коррозионную стойкость и магнитную проницаемость, придаёт упругие и антифрикционные свойства; повышает прокаливаемость, препятствует росту аустенитного зерна при нагревании стали. Недостатки: повышает температуру термической обработки (закалка, нормализация или отжиг); при содержании более 2% снижает пластичность. Применяется часто в сочетании с хромом или с хромом и марганцем;
никель (Н) - повышает прокаливаемость, особенно в сочетании с хромом; способствует повышению прочности (без снижения ударной вязкости!) и коррозионной стойкости при высоких температурах; при нагреве стали препятствует росту зерна и ускоряет превращение перлита в аустенит (т.е. обеспечивает получение мелкозернистой структуры, что, в свою очередь, способствует повышению прочности при сохранении высокой пластичности и вязкости);
хром (Х) - карбидообразующий элемент; повышает прокаливаемость; способствует получению рабочих поверхностей повышенной твёрдости и износостойкости; повышает критические точки Ас1 и Ас3 при термической обработке; при содержании 13% и более придаёт высокие антикоррозийные (нержавеющая сталь) и жаростойкие свойства. Недостаток: замедляет превращение перлита в аустенит; способствует росту отпускной хрупкости. Особенно часто применяется вместе с марганцем, никелем, титаном и кремнием;
вольфрам (В) - эффективный карбидообразующий элемент (WC); главное достоинство - после закалки и отпуска обеспечивает получение высокой твёрдости (HRC 63-65) и прочности за счёт образования карбидов WC; активно препятствует росту аустенитного зерна при нагревании стали; в хромоникелевых сталях способствует получению равномерной структуры. Широко применяется при изготовлении инструментальных сталей и сплавов;
молибден (М) - наряду с вольфрамом является эффективным карбидообразующим элементом (но: карбиды молибдена имеют меньшую твёрдость и прочность, чем карбиды вольфрама!); повышает прокаливаемость стали, существенно снижает склонность к отпускной хрупкости. Обеспечивает получение равномерной мелкозернистой структуры, придаёт стали высокую прочность, пластичность и вязкость;
титан (Т) - является эффективным карбидообразующим элементом (TiC). Способствует получению мелкозернистой структуры, особенно в сочетании с хромом и марганцем. При закалке обеспечивает высокую твёрдость рабочих поверхностей деталей, повышает коррозионную стойкость;
ванадий (Ф) - эффективный карбидообразующий элемент. В малых количествах способствует получению мелкозернистой структуры и повышению вязкости стали. Способствует сохранению твёрдости при отпуске. Является одним из элементов, улучшающих свариваемость, так как выполняет функции активного раскислителя и дегазатора;
бор (Р) - при микролегировании (0,001-0,003%) сильно повышает прокаливаемость сталей, особенно хромомолибденовых легированных, мало- и среднеуглеродистых. При большем содержании образует в стали нерастворимые бориды, повышающие критическую скорость закалки. Недостаток: добавка бора в количестве более 0,007% приводит к возникновению горячих трещин (развивается красноломкость);
алюминий (Ю) - способствует измельчению зерна; повышает ударную вязкость стали. При нагреве способствует графитизации, что можно предотвратить введением титана и ванадия. Повышает коррозионную стойкость.
В специальных целях в сталь также могут вводиться медь(Д),ниобий(Б),фосфор(П),кобальт(К),азот(А),редкоземельные элементы(Ч).
Изменения свойств сталей в процессе легирования неоднозначны, не исчерпываются процессами, описанными выше. Это связано с протеканием тонких процессов, связанных с взаимным влиянием элементов друг на друга.
Рассмотрим несколько примеров.
Одновременное увеличение содержания углерода и марганца повышает прочность стали, но приводит к одновременному ухудшению её свариваемости.
Ванадий и титан (вместе) упрочняют сталь за счёт образования карбидов, нитридов и карбонитридов, а также за счёт измельчения зерна (чему способствует присутствие этих элементов).
Ниобий способствует измельчению зерна (в результате увеличиваются прочность и вязкость стали), но одновременно повышаются технологические характеристики стали за счёт улучшения качества поверхности листа.
Никель, хром и медь (совместно) повышают коррозионную стойкость, однако одновременно ухудшают свариваемость.
Микролегирование ванадием, ниобием и титаном повышает прочность стали, что позволяет снизить содержание углерода; в результате снижения содержания углерода улучшается свариваемость и повышаются пластические свойства стали.
Снижение содержания углерода улучшает структуру, повышает коррозионную стойкость и свариваемость стали (но: снижает прочность!).
Можно подобрать и другие примеры.
Для достижения поставленных машиностроителями целей применяются разные методы легирования.
В некоторых случаях сталь легируют введением одного элементав большом количестве; удаётся получить легированную сталь с высокими требуемыми свойствами. Например, введением 18% (17,5-19%) вольфрама удаётся получать быстрорежущую сталь Р18 (Р –рапид, быстрый; в маркировке не указаны, но также содержатся в стали 0,7-0,8% углерода; 3,8-4,4% хрома; 1,0-1,4 ванадия); при введении 13% (и более) никеля или хрома можно получить нержавеющие стали (15Х13, 20Х13, 10Х18Н9Т, 10Х18Н10Т и др.); за счёт введения 1,2-1,5% хрома получают высокопрочные шарикоподшипниковые стали (ШХ12, ШХ15), имеющие высокую износостойкость при трении качения. За счёт повышенного содержания дорогостоящих элементов стали приобретают высокую стоимость.
Значительно чаще применяется комплексное легирование, когда одновременным введением в небольшом количестве нескольких элементов удаётся решить сразу несколько задач, получить сталь (точнее - сплав) с высокими (в определённом направлении) свойствами, например нержавеющую, кислотостойкую, жаропрочную, с высокими магнитными свойствами и т.д. Примерами таких сталей (сплавов) являются высокопрочные и термостойкие стали 3Х2В8Ф, 5Х4СВ4МФ, применяемые для изготовления штампового инструмента и др.
Комплексным легированием можно решать и другие технические задачи. Так, для изготовления трубопроводов, предназначенных для транспортирования газа и нефтепродуктов, необходимы сравнительно дешёвые (с учётом больших диаметров и протяжённости трубопроводов), малоуглеродистые (по соображениям свариваемости), малочувствительные к старению и хладноломкости стали. В справочниках перечисляются комплексно легированные стали с невысоким содержанием легирующих элементов: марганцовистые 09Г2 и 14Г2, а также с добавками меди 09Г2Д; кремнемарганцовистые 09Г2С, 10Г2С1, 12ГС, 16ГС, 17ГС, 17Г1С, а также с медью 09Г2СД, 10Г2С1Д; марганцево-ванадиевые с азотом и медью 14Г2АФД, 16Г2АФД, 15Г2АФДпс, 18Г2АФДпс; марганцево-ниобиевая сталь 10Г2Б; хромо-кремнемарганцевая 14ХГС и др.
В маркировке легированных сталей цифры, стоящие после определённых букв, означают следующее:
Г, Н, С и Х – среднее содержание данного элемента(марганца, никеля, кремния и хрома) в сталив целых единицах процентов; отсутствие цифрпосле букв указывает на содержание данного элемента в среднемоколо 1%;
Т, Ю, Ц, Ф, Ч и П – обозначают содержание титана, алюминия, циркония, ванадия, РЗМ и фосфора в десятых долях процента(до 0,2%);
А и Б – содержание азота и ниобияв сотых долях процента(азотадо 0,015%, ниобиядо 0,05%);
Р – содержание борав тысячных долях процента(до 0,006%).
Рассмотрим несколько примеров маркировки легированных сталей.
40ХНВА - цифра 40 указывает содержание углерода в сотых доляхпроцента, буквы Х, Н и В указывают на присутствие хрома, никеля и вольфрама, около 1% каждого, А указывает на низкое содержание включений серы и фосфора.
25Х1М1Ф1БР - комплексно легированная сталь, содержит около 0,25% углерода, около 1% хрома, молибдена и ванадия, не выше 0,05% ниобия и до 0,006% бора; эта сталь долгое время была известна как сталь ЭП 44 – электрического изготовления, пробная и выпускалась по заказу оборонной промышленности.
10ХГНМАЮ – малоуглеродистая комплексно легированная сталь для изготовления трубопроводов, эксплуатируемых при низких температурах (сохраняет высокие вязкие свойства до температуры минус 120оС), содержит в небольшом количестве (в пределах 1%) хром, марганец, никель, молибден, азот и алюминий.
В некоторых случаях маркировка легированной стали указывает не только на её состав, но и на определённое назначение. Так, стали 5Х4СВ4МФ и 3Х2В8Ф – типичные инструментальные стали, применяющиеся для изготовления штампового инструмента; уже упоминавшиеся стали ШХ12, ШХ15 – материал для изготовления шарикоподшипников; Р18 – сталь для изготовления режущего инструмента.
Стоимость легированных сталей в несколько(4-5 и выше) раз выше углеродистых,поэтому изготовленные из них детали и машины, даже несмотря на снижение расхода металла (размеры сечения деталей можно уменьшить по причине более высокой прочности), будут иметь более высокую себестоимость. Однако надёжность и долговечность таких деталей и машин в эксплуатации будет значительно выше, а эксплуатационные расходы - ниже. Следовательно, затратыприизготовлении с лихвой окупаютсяв процессе эксплуатациимашин и механизмов за счёт их безаварийной и длительной работы.