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.