19.6. Легированные стали и твердые сплавы

Легированными или специальными называют стали, в которые вводят легирующие элементы (от греческого «лега» — сложное). Ле­гирующими называют элементы, специально вводимые в сталь для изменения ее структуры и свойств. К ним относятся: Cu, Al, Si, Ti, V, Cr, Nb, W, Mo, Ni, Mn, Co и др.

Легированием повышают коррозионную стойкость сталей, при­дают им стойкость в условиях низких и высоких температур и дав­лений, повышают прочность, твердость, износостойкость и др. От­дельные легирующие элементы повышают у стали: Cu, Si, Cr, Mo, Ni и др. — коррозионную стойкость: Si, Cr, Mo, W, Mn, Ni и др. — твердость и прочность; V, Со, Ni — вязкость; Cr, Mn, Ni — сопро­тивление истиранию и т. д.

Легирующие элементы в стали могут находиться в свободном состоянии (очень редко), в виде твердых растворов замещения в феррите, аустените и цементите (легированный цементит), самостоя­тельных специальных карбидов, химических соединений с железом или друг с другом (интерметаллических) и с неметаллами (оксидов, сульфидов и др.). Более всего легирующие элементы образуют твер­дые растворы и карбиды. Большинство легирующих элементов рас­творяются в феррите и аустените с образованием твердых растворов замещения.

Легирующие элементы разделяют на две группы — не образую­щие карбидов и карбидообразующие.

Железо и вводимые в сталь легирующие карбидообразующие элементы Mn, Cr, Mo, W, Ni, V и др. (они расположены в порядке повышения степени сродства к углероду) образуют с углеродом кар­биды — Mn₃С, Сr₇С₃, Мо₂С, W₂C, NiC, VC и др., повышающие твердость и прочность стали. Железо имеет более низкую степень срод­ства к углероду, чем легирующие элементы.

В легированных сталях содержатся три фазы: легированные фер­рит, аустенит и цементит. Легированные феррит и аустенит являют­ся твердыми растворами легирующих элементов соответственно в модификациях α-Fe и γ-Fe, а легированный цементит является це­ментитом, в котором часть атомов железа замещена атомами леги­рующего элемента.

Преимущества легированных сталей особенно полно проявляются после термической обработки.

Легированные стали классифицируют в зависимости от общего содержания легирующих элементов: низколегированные содержат до 2,5%, среднелегированные 2,5—10% и высоколегированные — более 10% легирующих элементов; по назначению — конструкцион­ные (машиностроительная, строительная), с особыми свойствами (коррозионностойкие или нержавеющие, жаростойкие, жаропроч­ные и др.) и инструментальные. Легированные стали маркируют с обозначением каждой марки стали буквой и числом.

Низколегированные строительные стали применяют для изготов­ления строительных стальных конструкций (ферм, мостов, нефте­проводов, газопроводов и др.) и арматуры для железобетонных кон­струкций.

Стальные конструкции обычно являются сварными и поэтому для них применяют хорошо свариваемые малоуглеродистые (менее 0,22—0,25% С) низколегированные стали повышенной прочности с добавлением более дешевых легирующих элементов — кремния и марганца.

Низколегированные стали повышенной прочности обладают высокой пластичностью (δ = 23—25%) и ударной вязкостью, повы­шенной прочностью; предел прочности при растяжении 550— 600 МПа, предел текучести 350—450 МПа, а после термической об­работки эти показатели становятся еще выше.

Кроме низколегированных сталей повышенной прочности при­меняют и низколегированные стали высокой прочности, имеющие предел текучести более 450 МПа. Например, сталь марки 18Г2АФ имеет ферритно-перлитную структуру со значительно измельченны­ми зернами вследствие наличия в ней нитридов ванадия, что значи­тельно повышает предел текучести (примерно выше на 100 МПа).

В железобетонных конструкциях применяют простые углероди­стые стали и низколегированные арматурные стали в виде прово­локи и стержней гладких или периодического профиля. Ненапря­женные железобетонные конструкции, в которых сталь испытыва­ет небольшие напряжения, армируют простыми углеродистыми сталями и низколегированными сталями марок 35ГС, 18Г2С и 25Г2С.

Предварительно напряженные конструкции, в которых сталь подвергается большим напряжениям, армируют высокопрочными среднеуглеродистыми, высокоуглеродистыми и низколегированны­ми (марок 45С, 80С, 35ГС, 45ГС, 20ХГ2С, 20Х2Г2Т) сталями в горя­чекатаном или термически упрочненном состоянии путем закалки и отпуска.

Коррозионностойкие (нержавеющие) стали. При воздействии внешней среды может происходить разрушение металла, называе­мое коррозией. Коррозионностойкими называют стали, обладаю­щие высокой стойкостью против коррозии в агрессивных средах. Наиболее подвержены коррозии в различных средах (на воздухе, в воде и др.) железоуглеродистые и низколегированные стали. В этих случаях на поверхности металлов образуется неплотная оксидная пленка, не предохраняющая металл от дальнейшей коррозии.

При введении некоторых легирующих элементов в сталь скачко­образно повышается ее коррозионная стойкость, а при определен­ном количестве легирующего элемента возможно получение стали, практически не поддающейся коррозии. Название нержавеющей стали дается в зависимости от введенного в нее легирующего эле­мента.

Наиболее широко применяются хромистые нержавеющие стали, а также хромоникелевые. В них главным легирующим элементом яв­ляется хром. Хромистые содержат 0,08—0,40% С и 13—17% Сr и об­ладают полной коррозионной стойкостью на воздухе, в воде и неко­торых кислотах, щелочах и солях благодаря тому, что на поверхности стали образуется плотная тонкая пленка оксида хрома, защищающая сталь от коррозии.

Сталь, содержащая менее 12% Сr, подвержена коррозии. Обыч­ные марки хромистых нержавеющих сталей: 08X13, 12X13, 20X13, 30X13, 40X13, 12X17, 08Х17Т, 14Х17Н2 (содержит 1,5—2,5% Ni), 15Х25Т, 15X28.

Высокую коррозионную стойкость имеют и хромоникелевые стали. В качестве основных легирующих элементов в них вводят хром и никель. Их получают введением никеля в хромистую сталь, содержащую 0,12—0,14% С и 17—20% Сr. С введением никеля хро­мистая сталь приобретает аустенитную структуру, что уменьшает склонность зерен к росту, повышает коррозионную стойкость, пред­отвращает хладноломкость, улучшает механические свойства. Мар­ки хромоникелевых нержавеющих сталей: 12Х18Н8, 12Х18Н9Т, 10Х14Г14НТ и др.

Коррозионностойкие стали применяют для изготовления строи­тельных изделий и конструкций, эксплуатируемых в грунтовых и морских водах, газах и других агрессивных средах.

Жаростойкие и жаропрочные стали. В различных областях тех­ники все шире используют высокие температуры и давления. Между тем при высоких температурах металлы ведут себя иначе, чем при обычных или даже несколько повышенных (300—350°С) температу­рах.

Жаростойкими (окалиностойкими) называют стали, стойкие против химического разрушения (окисления) их поверхности в газо­вой среде при температурах выше 550°С, работающие длительное время в ненагруженном или слабонагруженном состоянии. Окалиностойкость стали повышают легированием ее элементами, облада­ющими большим сродством к кислороду, чем железо, вследствие чего в благоприятном направлении изменяются состав и строение окалины.

При окислении стали, легированной алюминием, кремнием или хромом, имеющими большое сродство к кислороду по сравнению с железом, на ее поверхности образуется тонкая плотная пленка окси­дов Al₂O₃, SiO₂ или Сr₂О₃, затрудняющая дальнейшее окисление.

С повышением содержания данных легирующих элементов по­вышается окалиностойкость стали, что позволяет нагревать ее до более высокой рабочей температуры.

Предельная температура эксплуатации жаростойких сталей со­ставляет 900—1150°С при содержании хрома 16—27%, если действие нагрузки кратковременное. При высокой температуре металл может иметь высокую прочность, а при длительном ее действии прочность становится низкой.

Жаростойкие стали содержат 0,08—0,50% С; они легируются главным образом хромом, а также молибденом, вольфрамом, вана­дием.

Легированные инструментальные стали и твердые сплавы. Леги­рованные инструментальные стали применяют в тех случаях, когда углеродистую сталь нельзя применять ввиду недостаточной ее стой­кости.

Тонкое лезвие (кромка) режущего инструмента работает под бо­льшим удельным давлением, в результате чего оно затупляется, из­нашивается. Для обеспечения длительной надежной работы оно должно изготовляться из металла с твердостью выше 60HRC. При больших скоростях резания и особенно твердых металлов кромка режущего инструмента значительно нагревается (до красного кале­ния). В этом случае режущая кромка должна быть из стали, облада­ющей так называемой красностойкостью (теплостойкостью), т. е. способностью сохранять высокую твердость при продолжительном нагревании.

У низколегированных инструментальных сталей высокая твер­дость сохраняется до температуры 250°С, у высоколегированных — до 600°С.

Марки низколегированных инструментальных сталей: Х06,85ХФ, 9ХС, ХГ, ХВГ, ХГСВФ, В1 и др.

Низкоуглеродистые инструментальные стали применяют для изготовления режущих инструментов, работающих в относительно легких условиях, и измерительных инструментов.

Высоколегированные (быстрорежущие) стали легируют боль­шим количеством карбидообразующих элементов — ванадием, во­льфрамом, молибденом, хромом. Возникают высокотвердые специ­альные карбиды, которые при закалке переходят в твердый раствор.

Эти стали обладают высокой твердостью (горячей твердостью) и высокими режущими свойствами в горячем состоянии и красно­стойкостью, способностью сохранять высокую твердость во време­ни. Из них изготовляют режущие инструменты для работы при вы­соких скоростях резания, когда выделяется много теплоты и инструменты сильно нагреваются. Основные марки быстрорежущих сталей: Р18, Р6М5, РЗМЗФЗ, Р6М5Ф2КВ и др.

Быстрорежущие стали обозначают буквой Р (рапиц-скорость); число за буквой Р — содержание вольфрама в процентах (буква В не пишется).

После отжига стали всех марок состоят из α-твердого раствора и карбидов.

Твердые металлокерамические сплавы и керметы. Твердые спла­вы изготовляют на основе тугоплавких карбидов. Они обладают высокими прочностью, твердостью, износостойкостью, коррозион­ной устойчивостью и жаростойкостью. Разогрев кромки режущего инструмента из быстрорежущей стали допустим только до 650°С, а из твердых сплавов разогрев возможен до 800—1000°С.

Твердые металлокерамические сплавы готовят способом порош­ковой металлургии. Порошки карбидов вольфрама и титана смеши­вают с кобальтом или никелем (связующим веществом), прессуют, и полученные изделия обжигают при высокой температуре (1500—2000°С) до спекания. Обожженные изделия состоят из мель­чайших зерен карбидов, связанных кобальтом. Полученные изделия обладают высокой твердостью (HRC до 85) вследствие содержания в них 90—95% карбидов и сохраняют ее вплоть до температуры 1000°С. Марки металлокерамических сплавов: ВК2, ВКЗ, ВК6, ВК8, Т5К10, Т14К8, Т15К6, ТЗОК6, Т60К6.

Из металлокерамических сплавов готовят режущие пластины, резцы, сверла, фрезы и др.; их применяют для скоростного резания металлов.

Керметы, т. е. керамико-металлические порошковые сплавы, го­товят методом порошковой металлургии. Из порошков неметалли­ческих материалов (карбидов, оксидов, нитридов, силицидов, боридов) и металлов (кобальта, никеля, хрома и др.), являющихся связующим веществом, получают изделия с высокими показателями твердости, коррозионной стойкости, жаростойкости и жаропрочно­сти.