Легированные стали

Легированные 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.

В качестве легирующих используют следующие элементы:

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

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

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

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

Марганец при содержании его в стали свыше 1 % повы­шает твердость, износоустойчивость, стойкость при ударных нагрузках без снижения пластичности, увеличивает прокаливаемость, но делает сталь более чувствительной к перегреву при термической обработке.

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

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

Ниобий повышает сопротивление коррозии.

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

Церий повышает прочность и особенно пластичность.

Цирконий позволяет получать сталь с необходимой зер­нистостью.

Лантан способствует уменьшению со­держания серы в стали, уменьшает пористость. Эти элементы вводят в трансформаторные, окалиностойкие и нержавеющие стали.

3.1. Классификация и маркировка легированных сталей

По назначению легированные стали делят на три группы;

- конструкционная сталь — для изготовления деталей машин и различных конструкций;

- инструментальная 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, 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

X — 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 стали в сотых долях процента. Если перед буквами стоит одна цифра, то она выражает содержание углерода в десятых долях процента; при содержании 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 содержание 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 легированной порядок маркировки по легирующим элементам тот же, что и для конструкционной, но ко­личество углерода указывается первой цифрой в десятых, а не в сотых долях процента. Если цифра отсутствует, то сталь содержит около или более 1% углерода.

Для обозначения высоколегированной стали в конце маркировки добавляют букву А. Высококачественная сталь содержит меньше серы и фосфора, чем качественная. Например, марка 15ХА обозначает хромистую сталь (буква X), содержащую 0,15% углерода и окола 1% хрома.

3.1.1. Конструкционные легированные стали

Эта группа сталей применяется главным образом для изготовления ответственных деталей машин и металлических конструкций. В данную группу относятся:

Хромистые стали. Наиболее широко применяются стали 15Х и 20Х, изделия, из которых подвергаются поверхностному науг­лероживанию (цементации), в результате чего достигается высокая твердость поверхности при вязкой сердцевине изделия. Из этих сталей изготавливают распределительные валы двигателей, кулачки, зубча­тые колеса и др. Хромистые стали с большим содержанием углерода (38Х и 45ХА) применяются для изготовления зубчатых колес, болтов, шпилек и др.

Марганцевые стали хорошо обрабатываются давлением (ковкой, штамповкой), резанием, хорошо свариваются, 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 этих сталей изготавливают­ся мостовые и судовые конструкции, а также фасонные отливки. Данные 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 и вязкость. Применяются для изготовления ответственных (например, клапанных) пружин (сталь 50ХФА).

3.1.2. Инструментальные легированные стали

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

- хромистая сталь, содержащая 0,95—1,10% углерода и 1,3—1,6% хрома;

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

Из указанных сталей изготавливают 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 изготавливаются режущие инструменты для точной обработки.

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

Наибольшее распространение получили следующие марки быстрорежущей стали: Р18, Р12, Р9, Р6МЗ, Р9Ф5, Р14ФА, Р18Ф2, Р9К5, Р9КЮ, Р10К5Ф5 и Р18К.5Ф2. Буква Р указывает, что это быстрорежущая сталь, а сле­дующие за ней буквы и цифры указывают среднее содержание входя­щих элементов. Из стали Р6МЗ изготавливаются инструменты, ра­ботающие с большими подачами и в условиях динамических нагрузок: фрезы, долбяки, протяжки и др. Стали Р9К5, Р9КЮ, Р18К.5Ф2 приме­няются для изготовления инструментов, обрабатывающих твердые ма­териалы, жаропрочные и нержавеющие сплавы.