Классификация и маркировка легированных сталей. Влияние легирующих элементов на превращения, микроструктуру и свойства стали; принципы разработки легированных сталей

 

Легированная сталь – это сталь, которая содержит кроме углерода и обычных примесей, другие элементы, улучшающие ее свойства.

 

Для легирования стали применяют хром, никель, марганец, кремний, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, титан, алюминий, медь и другие элементы. Марганец считается легирующим компонентом лишь при содержании его в стали более 1 %, а кремний – при содержании более 0,8 %.

 

В сталь вводятся легирующие элементы, которые изменяют ее механические, физические и химические свойства, а также в зависимости от назначения стали в нее вводят элементы, изменяющие свойства в нужном направлении.

 

Легированная сталь многих марок приобретает высокие физико-механические свойства только после термической обработки.

 

По суммарному количеству легирующих элементов, которые содержатся в стали, она делится на низколегированную (суммарное содержание легирующих элементов менее 2,5 %) среднелегированную (от 2,5 до 10 %) и высоколегированную (более 10 %).

 

Недостатком углеродистой стали является то, что эта сталь не обладает нужным сочетанием механических свойств. С увеличением содержания углерода увеличиваются прочность и твердость, но одновременно резко уменьшаются пластичность и вязкость, растет хрупкость. Режущие инструменты из углеродистой стали очень хрупки и непригодны для выполнения операции с ударной нагрузкой на инструмент.

 

Углеродистая сталь часто не отвечает требованиям ответственного машиностроения и инструментального производства. В таких случаях необходимо применять легированную сталь.

 

Легирующие элементы по отношению к углероду разделяются на две группы:

 

1) элементы, которые образуют с углеродом устойчивые химические соединения – карбиды (хром, марганец, молибден, вольфрам, титан); карбиды могут быть простые (например, Сг4 С) или сложные легированные (например, ((FеСг)7С3); твердость их обычно выше твердости карбида железа, а хрупкость ниже;

 

2) элементы, не образующие в присутствии железа карбидов и входящие в твердый раствор – феррит (никель, кремний, кобальт, алюминий, медь).

 

По назначению легированную сталь делят на конструкционную, инструментальную и сталь с особыми физикохимическими свойствами.

 

Конструкционную сталь применяют для изготовления деталей машин; она делится на цементируемую (подвергаемую цементации) и улучшаемую (подвергаемую улучшению – закалке и высокому отпуску). К сталям с особыми свойствами относят: нержавеющие, жаростойкие, кислотостойкие, износоустойчивые, с особыми магнитными и электрическими свойствами.

 

Маркировка по ГОСТ для обозначения легирующих элементов: Х – хром, Н – никель, Г – марганец, С – кремний, В – вольфрам, М – молибден, К – кобальт.

 

Для стали конструкционной легированной принята маркировка, по которой первые две цифры показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы – наличие соответствующих легирующих элементов, а цифры, следующие за буквами, – процентное содержание этих компонентов в стали. Если после какой-либо буквы отсутствует цифра, то содержание данного элемента в стали примерно равно 1 %. Если цифра отсутствует, то сталь содержит около или более 1 % углерода.

 

Для обозначения высококачественной стали в конце маркировки добавляют букву А. Высококачественная сталь содержит меньше серы и фосфора, чем обычная качественная.

 

Стали специального назначения имеют особую маркировку из букв, которые ставятся впереди: Ш – шарикоподшипниковая, Р – быстрорежущая, Ж – хромовая нержавеющая ферритного класса, Я – хромоникелевая нержавеющая аустенитного класса, Е – электротехническая сталь.

 

Многие стали можно отнести к машиностроительным материалам, которые обладают достаточно высокими прочностными качествами. К таким сталям относятся: углеродистые стали, низголегированные стали, высокопрочностные среднелегированные стали, высокопрочные высоколегированные (мартенситно – стареющие) стали.

 

Все легированные стали можно разделить на группы в зависимости от четырех признаков: по равновесной структуре стали, по структуре после охлаждения стали на воздухе, по составу стали, по назначению стали.

 

В зависимости от того, какое количество углерода содержится в стали, различают следующие виды: малоуглеродистые до 0.1–0.2 %, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые 0.6–1.7 % С.

 

Структура сталей может быть доэвтектоидной (феррит + перлит), эвтектоидной (перлит) и заэвтектоидной (перлит + цементит) стали.

 

Существует три способа выплавки стали: кипящий, полуспокойный, спокойный способы. При кипящем способе в структуре стали содержатся в большом количестве газовые пузыри, которые являются результатом раскисления стали в изложницах и выделения СО.

 

Стали также получают при использовании конвертеров, электропечей, установки непрерывной разливки.

41. Конструкционные стали: строительные, машиностроительные, высокопрочные. Инструментальные стали: стали для режущего инструмента, подшипниковые, штамповые

 

Углеродистые инструментальные стали У8, У10, У11,У12 вследствие малой устойчивости переохлажденного аустенита имеют небольшую прокаливаемость, их применяют для инструментов небольших размеров.

 

Стали У10, У11, У12 применяют для режущего инструмента (сверла, напильники), У7 и У8 – для деревообрабатывающего инструмента. Стали можно использовать в качестве режущего инструмента только для резания с малой скоростью, так как их высокая твердость (У10-У12-62-63НРС) сильно снижается при нагреве выше 190–200 °C.

 

Легированные стали повышенной прокаливаемости, не обладающие теплостойкостью (11ХФ, 13Х, ХВСГ, 9ХС, Х, В2Ф), пригодны для резания материалов невысокой прочности, их используют для инструмента, который не подвергается в работе нагреву. Легированные стали по сравнению с углеродистыми обладают большей прокаливаемостью.

 

Быстрорежущие стали (Р6М5, Р12Ф3, Р8М3) обладают высокой теплостойкостью и имеют высокую твердость, прочность и износостойкость при повышенных температурах, возникающих в режущей кромке при резании с большой скоростью. Основными легирующими элементами этих сталей являются вольфрам, молибден, кобальт и ванадий.

 

Углеродистая сталь разделяется на конструкционную (мягкая и сталь средней твердости) и инструментальную (твердую) сталь.

 

Конструкционная сталь по ГОСТ разделяется на:

 

1) сталь углеродистая обыкновенного качества, горячекатаная, выплавляемая мартеновским или бессемеровским способом;

 

2) сталь углеродистая качественная машиностроительная, горячекатаная и кованая, выплавляемая в мартеновских или электрических печах. Эта сталь используется для изготовления более ответственных деталей машин и механизмов.

 

Для изготовления ответственных деталей машин и металлических конструкций применяют конструкционную легированную сталь.

 

Тройная легированная сталь. Хром в качестве легирующего компонента способствует увеличению прочности стали и является относительно дешевым. Хром сообщает стали хорошую сопротивляемость износу, а с увеличением количества углерода – высокую твердость вследствие образования карбидов.

 

Низко– и среднелегированная хромовая сталь широко применяется в авиа-, авто– и тракторостроении, а также в других отраслях машиностроения для изготовления осей, валов, зубчатых колес и других деталей.

 

Хромовая сталь при содержании 0,4–1,65 % Сг и 0,95-1,15 % С образует группу шарикоподшипниковых сталей. Низколегированную хромовую сталь применяют также для изготовления инструментов. Высоколегированная хромовая сталь является нержавеющей и отличается стойкостью против коррозии не только на воздухе, но и в агрессивных средах. Она сохраняет прочность при повышенных температурах и применяется для изготовления лопаток турбин, цилиндров высокого давления, труб пароперегревателей.

 

Никель – прекрасный легирующий элемент, но он очень дорог и дефицитен. Его стараются применять в сочетании с хромом и марганцем. Никель увеличивает прочность, вязкость и твердость (после закалки) стали, мало снижая пластичность, сильно повышает прокаливаемость и коррозионную стойкость. После закалки и низкого отпуска никелевая сталь имеет высокую твердость, но не обладает хрупкостью.

 

Низко– и среднелегированную никелевую сталь применяют в автостроении и ответственном машиностроении. Высоколегированная никелевая сталь отличается особыми свойствами. При содержании кремния свыше 0,8 % повышается прочность, упругость и твердость стали, снижая ее вязкость.

 

Низкоуглеродистую кремнистую сталь применяют для сооружения мостов и не подвергают термической обработке.

 

Сталь 55С2, 6 °C2 применяют для изготовления пружин и рессор. После закалки и отпуска эта сталь отличается высоким пределом прочности и упругости.

 

Марганец повышает твердость и прочность стали, увеличивает ее прокаливаемость и улучшает свариваемость. Легированной марганцевой сталью называют сталь, которая содержит не менее 1 % Мп. В практике применяют низколегированную и высоколегированную марганцевую сталь.

 

Широкое распространение получила высоколегированная сталь марки Г13, которая обладает очень высокой вязкостью и сопротивляемостью ударному истиранию: из нее изготовляют стрелки и крестовины железных дорог, козырьки землечерпательных машин.

 

Инструментальная легированная сталь. Для каждого вида инструмента необходимо применять сталь, наиболее подходящую по своим качествам к данным условиям работы.

 

Низколегированная сталь для режущего инструмента по своей режущей способности не отличается от углеродистой стали и применяется при небольших скоростях резания.

 

Распространенные марки низколегированной стали для режущих инструментов являются:

 

1) сталь марки Х – хромовая (для изготовления резцов, сверл);

 

2) сталь марки 9ХС – хромокремнистая (для изготовления резцов, сверл);

 

3) сталь марки В1 – вольфрамовая (для изготовления спиральных сверл, разверток).

42. Нержавеющие, теплостойкие и жаропрочные, хладостойкие, электротехнические и износостойкие стали

 

Коррозионная стойкость стали повышается, если содержание углерода снизить до минимально возможного количества и ввести легирующий элемент, образующий с железом твердые растворы, в таком количестве, при котором повысится электродный потенциал сплава. Сталь, стойкую против атмосферной коррозии, называют нержавеющей. Сталь или сплав, имеющие высокую стойкость при коррозионном воздействии кислот, солей, щелочей и других агрессивных сред, называют кислотостойкими.

 

Коррозия – это разрушение металлов из-за взаимодействия электрохимического взаимодействия их с окружающей средой. Конструкционные материалы обладают высокой коррозионной стойкостью. Углеродистые и низколегированные стали неустойчивы против коррозии в атмосфере, воде и других средах. Коррозионно-стойкими называют металлы и сплавы, которые способны сопротивляться коррозионному воздействию среды.

 

Хром – основной легирующий элемент, делающий сталь коррозионностойкой в окислительных средах.

 

Жаростойкость – это способность металлов и сплавов сопротивляться коррозионному воздействию газов при высоких температурах. Коррозионное воздействие газов приводит к окислению стали при высокой температуре. На интенсивность окисления влияют состав и строение оксидной пленки. Если пленка пористая, то окисление происходит интенсивно, если плотная – замедленно или вообще прекращается.

 

Для получения плотной оксидной пленки, которая препятствует проникновению кислорода вглубь стали, ее легируют хромом, кремнием или алюминием. Чем больше легирующего элемента в стали, тем выше ее жаростойкость.

 

Теплостойкость. Для инструментального материала она определяется наивысшей температурой, при которой он сохраняет свои режущие свойства. Теплостойкость применяемых инструментальных материалов составляет от 200 до 1500о С. По степени убывания теплостойкости материалы располагаются в следующем порядке: сверхтвердые, режущая керамика, твердые сплавы, быстрорежущие, легированные, углеродистые стали. Даже при воздействии в течении долгого времени температур высокие жаропрочные свойства должны оставаться на прежнем уровне. Металл горячих штампов должен оказывать устойчивое сопротивление отпуску.

 

Жаропрочность – это способность стали сопротивляться механическим нагрузкам при высоких температурах. К жаропрочным относят стали и сплавы, способные работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение длительного времени. Жаропрочные стали обычно одновременно и жаростойкие.

 

Ползучесть – это деформация, увеличивающаяся под длительным действием постоянной нагрузки и высокой температуры. Для углеродистых и легированных конструкционных сталей ползучесть наблюдается при температурах выше 350 °C.

 

Ползучесть характеризуется пределом ползучести, под которым понимают напряжение, вызывающее деформацию стали на определенную величину за определенное время при заданной температуре.

 

Жаропрочные сплавы. Развитие жаропрочных никелевых сплавов началось с небольших добавок титана и алюминия к обычному нихрому. Добавление менее 2 % титана и алюминия без термической обработки заметно повышает показатели ползучести нихрома при температурах около 700 °C.

 

Жаропрочные никелевые сплавы подразделяют на деформируемые и литейные. Жаропрочные свойства деформируемых сплавов формируются при термической обработке. Литейные жаропрочные никелевые сплавы по составу сходны с деформируемыми, но обычно содержат большее количество алюминия и титана.

 

Хладостойкость – способность металла оказывать сопротивление деформации и разрушению, которые могут возникнуть под воздействием низких температур.

 

Электротехническая сталь является тонколистовой мягнитномягкой сталью. Из нее изготавливают сердечники электротехнического оборудования. В состав данной стали входит кремний. Различают холоднокатаную и горячекатаную электротехническую сталь, а также динамную и трансформаторную. Для легирования стали электротехнической используют 0,5 % Al.

 

Износостойкая сталь. Для деталей, работающих в условиях абразивного износа, высоких давлений и ударов (траки гусеничных машин, щеки дробилок, переводные стрелки железнодорожных и трамвайных путей), применяют высокомарганцевую литую сталь 110Г13Л аустенитной структуры, содержащую 0,9 % С и 11,5 % Мп.

 

В литом состоянии структура стали состоит из аустенита и карбидов типа (Ре, Мп)3С, выделяющихся по границам аустенитных зерен, и ее прочность и ударная вязкость сильно снижены, поэтому литые детали подвергают закалке с нагревом до 1100 °C и охлаждению в воде. При такой температуре карбиды растворяются в аустените и сталь приобретает более устойчивую аустенитную структуру.

 

В условиях ударного воздействия и абразивного изнашивания в поверхностном слое стали образуются дефекты кристаллического строения (дислокации, дефекты упаковки), что приводит к поверхностному упрочнению. Повышение твердости и износостойкости в результате наклепа возможно при ударных нагрузках и холодной пластической деформации.

 

Из-за наклепа сталь 110Г13Л плохо обрабатывается резанием, поэтому детали или изделия из данной стали целесообразно изготовлять литьем без последующей механической обработки. Буква Л в конце марки этой стали означает «литейная».