Хим состав легированных сталей

Обновлено: 12.05.2024

Сталь представляет собой сплав железа с углеродом, дополненный примесями других элементов. Этот материал используется в разных отраслях промышленности - из него производят автомобильные кузова и судовые корпуса, слесарное оборудование и медицинские инструменты, строительные металлоконструкции и домашнюю посуду. По химическому составу выделяют два вида стали - углеродистую и изготовленную с помощью технологии легирования. Сравним разновидности самого "ходового" промышленного металла и рассмотрим, в чём заключается отличие углеродистой стали от легированной.

Особенности углеродистой стали

Основное отличие углеродистой стали отражено в её названии - это повышенное содержание углерода С (до 2,14%) на фоне минимального количества других примесей (марганца, кремния, фосфора, серы).

Высокий уровень включения С придаёт материалу особую твёрдость и прочность, что делает его востребованным в строительном сегменте и производстве деталей механизмов. Железоуглеродистые стальные сплавы различаются по процентному содержанию С, которое бывает:

высокое - более 0,7% (идут на изготовление деталей, функционирующих в условиях трения и усиленных нагрузок - дисков сцепления, шпинделей, регулировочных шайб, прокатных валок);
среднее - от 0,3 до 0,7% (используются в создании деталей повышенной прочности - зубчатых колёс, распределительных валов, плунжеров);
низкое - менее чем 0,3% (сюда относятся мягкие стали, применяемые в изготовлении деталей по технологии холодной штамповки - трубок, колпачков).

Металлосплав маркируется буквой У ("углерод"), за литерой идёт цифра, обозначающая содержание данного элемента в десятых долях процента. Буква А в конце маркировки говорит о том, что материал высококачественный, т. е. в нём мало вредных включений серы и фосфора.

Углеродистая сталь - распространённый и недорогой чермет, который всё же не лишён недостатков. Изделия из "углеродки"подвержены образованию ржавого налёта, не наделены пластичностью и чувствительны к перегреву - при высоких температурах механическая прочность металла снижается.

Особенности легированной стали

Легированные сплавы изготавливают посредством добавления в состав специальных примесей для улучшения физико-химических свойств получаемого материала. В таблице перечислены основные легирующие элементы и указаны свойства, которые они придают стали.

Легирующая добавка

Влияние на свойства сплава

Повышает пластичность и стойкость к появлению коррозии

Усиливает прочность, твёрдость, устойчивость к коррозионным изменениям

Понижает хрупкость и улучшает способность к закалке

Повышает прочность, упругость, электросопротивление

Стабилизирует структуру, улучшает обрабатываемость и плотность

Повышает твёрдость, снижает хрупкость при отпуске

Уменьшает зернистость структуры и способствует улучшению текучести

Усиливает ударопрочность и способность противостоять воздействию жарких температур

Производят стали с низким (>2,5%), средним (от 2, 5 % до 10 %) и высоким (10-50%) насыщением легирующими элементами. Если классифицировать материалы по сфере применения, выделяются три группы:

Конструкционные - используются в машиностроении (корпуса, детали) и строительстве (сварные металлоконструкции);
Инструментальные - становятся сырьём для изготовления режущих, ударно-штамповочных, измерительных инструментов;
Обладающие особыми характеристиками (устойчивостью к окислению и возникновению ржавчины, кислото- и окалиностойкостью, жаропрочностью, улучшенными электро-магнитными свойствами) - применяются в судостроительстве, производстве электротехнических приборов, деталей реактивных двигателей.

Легированные стали маркируются следующим образом. В начале ставится число, обозначающее уровень содержания углерода. Для конструкционных сплавов он указывается в сотых долях, а для инструментальных - в десятых долях процента. Если число впереди отсутствует, в сплаве 1, 0% углерода. Затем идут буквы, означающие наличие легирующих включений, после каждой буквы стоит число, которое показывает процентное количество дополнительных элементов. Маркировка сталей высокого качества заканчивается литерой А.

В некоторых видах стали в начале указываются дополнительные обозначения: Э - электротехническая, Ш - шарикоподшипниковая, Л - изготовленная с помощью литья, Р - быстрорежущая. Например, ШХ15 - это шарикоподшипниковая сталь с одним процентом углерода и 1, 5 процента хрома.

Сравнение легированной и углеродистой сталей

В состав обоих видов стали входят железо, углерод и различные примеси. Однако разница в соотношении элементов определяет свойства конкретного металлического сплава и специфику его применения. В приведённой ниже таблице отмечены основные различия популярных марок легированной и углеродистой сталей.

Сравнительная таблица свойств марок Х12МФ и Ст2кп

Легированная сталь

Легированная сталь – это стальной сплав, который в своем составе имеет железо (феррум), углерод и другие химические элементы, влияющие на механические и физические свойства стали. Тип добавок и их количество в сплаве зависит от вида готовой металлопродукции. Это позволяет классифицировать ее по составу, основным характеристикам, назначению.

Химический состав и классификация

Самым главным компонентом (кроме железа) является углерод. Он снижает вязкость и пластичность, а также делает сплавы более прочными и твердыми. При этом материал легко поддается гибке, резке. Но легированная сталь отличается от углеродистой тем, что этого химического элемента здесь гораздо меньше (подробнее об отличиях расскажем ниже).

Для улучшения свойств металлоизделия используются другие добавки, в число которых входит:

хром,
никель,
кремний,
ванадий,
марганец,
медь,
алюминий,
вольфрам.

Учитывая то, какие легирующие элементы входят в состав, сталь классифицируется по следующему принципу:

низколегированная сталь. К этой категории относят сплавы, в которых количество легирующих добавок не превышает 2,5%;
среднелегированная. Иных химических элементов в ее составе может быть до 10% от общего содержания;
высоколегированная сталь. В эту группу вошли сплавы, в которых процент добавок составляет от 10 до 50%.

Бывает также и нелегированная сталь. Она состоит из чистого феррита и минимальным количеством прочих примесей. Выпускается в качестве сортового проката.

Наличие и общий процент в составе углерода позволяет классифицировать легированную сталь на три вида. Она может быть:

низкоуглеродистой. Содержит очень мало этого химического элемента – до 0,25%;
среднеуглеродистой. В ее составе присутствует от 0,25 до 0,65% углеродной добавки;
высокоуглеродистой. Содержание этого вещества составляет в пределах 0,65% и выше.

Все легирующие добавки влияют на свойства металлоизделия:

алюминий сказывается на жаропрочности материала;
ванадий делает структуру стали мелкозернистой. Она становится более плотной, твердой и крепкой;
вольфрам защищает сталь от термического воздействия, полностью сохраняя ее характеристики даже при максимально высоких температурах;
наличие кремния говорит о высокой упругости материала. К тому же, металлоизделие обретает магнитные свойства. А это означает, чем больше кремния в составе, тем лучше оно будет магнититься;
марганец влияет на повышенные прочностные характеристики. Сталь с большим содержанием этого химического элемента обладает высокой износостойкостью;
медь противостоит воздействию кислот, а также делает металлоизделие устойчивым перед распространением коррозии;
присутствие никеля говорит о высокой пластичности и прочности материала;
хром придает металлопродукции антикоррозийные свойства. В большем количестве он присутствует в нержавеющих сталях.

Если вас интересует, ржавеет или нет легированная сталь, то ответим, что это зависит именно от состава и общего количества введенных в него элементов, которые и обладают антикоррозионной способностью.

Процентное содержание других компонентов определяет структуру и характеристики материала. Это позволяет разделить его на следующие классы:

доэвтектоидный — имеет много железа (феррита);
эвтектоидный — структура такой стали перлитовая;
заэвтектоидный — имеет карбиды вторичного типа;
ледебуритный — структура представлена в виде первичных карбидов.

Как вы сумели заметить, влияние легирующих элементов на свойства стали огромно. Поэтому любой сплав делится на марки.

Заметим, что все химические элементы могут быть карбирующими и некарбирующими (изменяют состав железа и растворяются во всех его состояниях). К первым относится: хром, вольфрам, ванадий, титан, ниобий, марганец, молибден, цирконий. Ко вторым – медь, никель, кобальт, кремний, алюминий.

Маркировка и ее расшифровка, виды

То, как маркируются готовые металлоизделия, говорит о том, какие легирующие элементы и в каком количестве присутствуют в составе. Исходя из этого выделяют:

инструментальные стали. Они жаропрочные. Используются для производства рабочих ручных и станочных инструментов, деталей для промышленного оборудования;
легированные конструкционные стали. Относятся к прочному и износостойкому материалу. Из них изготавливаются механизмы, конструкции и детали для автомобилей, станков и т.д. К таким относиться сталь 45.

Именно маркировка стали позволяет определить ее назначение. Ее расшифровка достаточно проста. Для примера возьмем марку 110Г13Л:

Состав и применение легированной стали

Она отличается прочностью, меньше поддается коррозии, применяется в различных областях, в том числе, машиностроении, а также для создания различных конструкций, трубы различного назначения, деталей, которые в дальнейшем будут подвергаться высоким температурным колебаниям.

Химический состав

Качество стали зависит от количества в ней углерода, который является одним из основных элементов, входящих в состав. Еще одним обязательным элементом является железо.

Хром, никель, ванадий, медь и пр. элементы добавляются для улучшения свойств материала.

Рассмотрим подробнее влияние легирующих элементов на свойства стали:

Никель – позволяет сделать материал не только прочным, но и пластичным. Именно этот элемент, входящий в состав, отвечает за стойкость к коррозии;
Хром – также отвечает за устойчивость к коррозии, благодаря ему получается нержавеющая сталь, делает ее твердой и прочной;
Ванадий – благодаря этому элементу структура стали становится мелкозернистой, плотной;
Медь – помимо стойкости к коррозии противодействует кислотам;
Вольфрам – позволяет материалу оставаться твердым при увеличении температуры (нагреве);
Марганец, входящий в состав, отвечает за износостойкость;
Кремний – делает металл упругим, отвечает за магнетизм;
Если в состав входит алюминий, то он позволяет становиться материалу жаростойким.

Что происходит со структурой, когда добавляются различные примеси? При их введении кристаллическая решетка рушится за счет различия в формах электронов, а также атомных величин. Характеристики стали могут меняться в зависимости от состава.

В состав могут входить две, три и более примесей. Это зависит от того, какой конечный продукт нужно получить.

В состав могут также входить титан, кобальт, молибден, отвечающие за прочность, твердость и пластичность материала, который приобретает все перечисленные свойства в основном после того, как будет пройдена термообработка.

Разновидности металла

Различают углеродистые и легированные стали. Рассмотрим различие.

Углеродистая сталь представляет собой сплав, в состав которого помимо железа и углерода, вводятся кремний с марганцем. Сера и фосфор, входящие также в состав, считаются вредными примесями, которые снижают механические свойства.

От количества углерода такая сталь подразделяется на высоко-, средне- и низкоуглеродистую. Чем больше состав оснащен углеродом, тем тверже и менее пластичным будет конечный продукт.

Углеродистая сталь в свою очередь делится на конструкционные и инструментальные виды. Конструкционная сталь находит свое применение в создании металлических конструкций, трубы, арматуры для железобетона и прочих строительных материалов.

Инструментальные виды – после закаливания становятся более твердыми, но хрупкими, их обработка требует осторожности (ГОСТ 1435-54).

Сталь также бывает конструкционная, инструментальные виды и добавляется еще один вид с особыми химическими свойствами (по ГОСТ).

Конструкционная легированная сталь также используется в машиностроении и строительстве, однако в нее входят легирующие примеси, позволяющие улучшить свойства материала, из которого будут сделаны конструкции, трубы и прочие строительные материалы.

Химический состав легированного металла может различаться, исходя из этого, ниже представлена классификация:

Также классификация подразделяется на жаропрочную (более 1000 градусов), коррозино-устойчивую, по химическому распаду на жароустойчивую и окалиноустойчивую (при 550 градусах).

Следует отметить, что классификация ГОСТ распространяется на свойства, а также на область применения.

Маркировка металла

О чем говорит маркировка легированных сталей? Маркировка согласно ГОСТ рассказывает следующее: буква означает название химического элемента, а цифра, которая находится после нее, указывает на процентное содержание данной примеси.

Если за буквой не располагается никакой цифры, то следовательно, процент содержания этого элемента маленький, не превышает значения 1%.

Сколько содержится углерода в стали можно понять по первым двум цифрам, обозначается также в процентах, но в сотых долях. Если вместо двух стоит одна цифра, то значит, процентное содержание указывается не в сотых, а в десятых.

Классификация и обозначение марок по химическому составу:

Еще в СССР был разработан ГОСТ, по которому была принята данная система маркировки. Примечательно то, что она до сих пор остается актуальной.

Следует отметить, что классификация и обозначение химических элементов буквами не всегда соответствует начальной букве их названия: марганец (г), хром (х), никель (н), медь (д), ванадий (ф), вольфрам (в), алюминий (ю), азот (а) и пр.

Если в середине маркировки стоит буква «А», обозначающая азот, то значит, она показывает содержание азота.

Если буква «А» стоит в конце, то следовательно, сера и фосфор содержатся в незначительном количестве (меньше 0,03%), такая сталь считается чистой.

Удвоенная буква «А» на конце говорит об особо чистом материале от содержания названных выше элементов. Определение количества серы также происходит согласно ГОСТ.

Также в начале маркировки можно встретить дополнительное обозначение: быстрорежущая сталь обозначается буквой «Р», шарикоподшипниковая – «Ш», автоматная – «А», электротехническую обозначают буквой «Э», буква «Л» говорит о том, что сталь получена литьем.

Например, маркировка стали: 18ХГТ – содержание углерода составляет 0,18%, содержит хром, марганец и титан.

Применение металла

Как уже было сказано ранее, легированная сталь обладает рядом свойств, обеспечивающих ее широкое применение. Она позволяет изделию увеличивать срок эксплуатации, обеспечить его надежность и даже в каком-то роде экономить.

Применение легированных сталей можно встретить в различных областях, не только в машиностроении и строительстве, но и в хирургии (оборудование), производстве трубы различного назначения, а также из нее делаются даже ножи, которые долго остаются наточенными.

Область применения напрямую зависит от состава элементов, от того, какая термическая обработка была применена и др. Ранее была рассмотрена классификация по назначению (по ГОСТ): конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами.

Машинные детали, а также различные конструкции чаще изготавливают из перлитных сталей.

Низколегированные материалы отличаются хорошей свариваемостью, поэтому применяются для создания конструкций, также из них делаются трубы.

Легированные инструментальные разновидности стали используются в создании деталей, предназначенных для работы под давлением (например, Х12МФ). При изготовлении резцов, сверл и фрез используются также инструментальные виды стали.

Согласно ГОСТ 5950-2000, легированный материал нашел свое применение в создании скальпелей и ножей, ленточных пил, штемпелей, матриц, зубонакатников и проч. В этом ГОСТе указано обозначение стали и сфера ее применения.

Нержавеющая сталь, в состав которой входит хром (в большом количестве), используется в создании трубы и трубопроводов.

Такие трубы отличаются устойчивостью к ржавчине, а также стойкостью к перепадам температур.

Сваривание легированных сталей

Сварка легированных сталей и их обработка должна производиться с учетом некоторых моментов, например, некоторые элементы начинают выгорать, металл в местах сварки начинает самозакаливаться, карбиды при этом выделяются, а также могут появляться трещины из-за низкого уровня теплопроводности.

Кстати, показатель теплопроводности у углеродной стали выше, чем у легированной.

Процесс сварки должен протекать правильно, исключая вышеописанные явления.

Для этого в обязательном порядке соблюдается температурный режим, таким образом, исключается возможность перегрева конструкции, флюсы различного состава также должны применяться.

Качество сварки, в первую очередь, зависит от содержания углерода: чем ниже этот показатель, тем лучше качество сварки.

Хромистая нержавеющая сталь при сварке имеет свои особенности: за счет низкого содержания углерода процесс сварки протекает хорошо.

Чтобы нержавеющая хромированная сталь не выгорала, используют защиту поверхности будущего изделия, а также электроды, которые содержат хром.

Металл для восстановления вязкости желательно перед самим процессом нагреть (до 300 градусов), а после сварки сделать отжиг шва (до 800 градусов). При этом лучше использовать электрическую дугу.

Важным моментом является то, что термическая обработка легированной стали хромом должна осуществляться при высокой температуре. Температура напрямую зависит от количества этого элемента: чем его больше, тем выше должна быть температура термообработки.

Нержавеющая хромоникелевая сталь при высокой температуре термообработки теряет карбиды хрома, из-за этого в швах снижается способность стали противостоять коррозии, что не подходит для эксплуатации многих металлический конструкций, и различных видов трубы.

Для обеспечения сохранности нержавеющих свойств вводится ниобий или титан. Отжиг, обработка и закаливание (охлаждение) шва позволят обеспечить устойчивость к ржавлению.

Швы марганцовистого металла могут потрескаться в процессе сварки. Чтобы этого избежать, сварка осуществляется электродами, состав которых не отличается от состава свариваемого металла.

Сварка и обработка должна производиться быстро, а швы по окончанию – охлаждаться.

Чтобы качество сварки получилось «на уровне», необходимо сделать предварительную чистку, поверхности. Все окалины, шлаки, смазка должны быть устранены.

Необходимо чистить не только поверхность предполагаемого шва, но и площадь рядом с ним (около 10 см).

Сварка или иначе — термическая обработка легированной стали должна происходить без перерывов и очень быстро.

Если материал предрасположен к образованию трещин, то тогда сварка (термическая обработка) должна производиться в закрытом помещении, температурным пределом является минусовой показатель в 40 градусов.

Сила тока должна быть постоянной, на поверхности материала не должен образоваться конденсат, иней или лежать снег. Лучше доверить этот процесс специалистам.

Высоколегированная сталь – марки, характеристики, применение

Высоколегированная сталь, кроме основных составляющих — железа и углерода, также содержит в своем составе ряд дополнительных добавок, их общее количество превышает 10%. Легирующие добавки, которые вводят в состав таких сталей, предназначены для того, чтобы значительно улучшить физические, а также механические свойства базового сплава.

Высоколегированная сталь обладает отличными антикоррозийнными свойствами

Виды сталей с легирующими добавками

Согласно положениям соответствующего ГОСТ (5632-72), высоколегированные стали подразделяют на две большие категории: сплавы на никелевой и железноникелевой основе. Сплавы первой категории имеют основу, в которой присутствует не менее 50% никеля. Кроме никеля в структуре таких сплавов, которые представляют собой, по сути, твердый раствор, содержится хром, а также другие элементы. Основу структуры железноникелевых сталей составляют железо и никель, которых в сплаве содержится суммарно более 65%, а также в него входят твердые растворы хрома и ряд других улучшающих добавок. Количество никеля и массовая доля железа в сплавах второй категории находится в приблизительном соотношении 1:1,5.

Классифицируют высоколегированные сплавы также по основным характеристикам, которыми они обладают. Так, различают:

окалиностойкие стали, также называемые жаростойкими; отличительной особенностью таких сталей, изделия из которых эксплуатируются в ненагруженном либо в слабонагруженном состоянии, является их повышенная устойчивость против химического разрушения их поверхностного слоя при температуре внешней газообразной среды, превышающей 550 градусов; , их также называют нержавеющими, они отличаются высокой устойчивостью к различным видам коррозии: межкристаллитной, солевой, кислотной, щелочной, атмосферной, химической, электрохимической, а также коррозии, развивающейся под действием электрического напряжения;
жаропрочные, которые отличаются от жаростойких тем, что изделия из данных высоколегированных сталей способны оговоренное время эксплуатироваться при высоких температурах внешней среды в нагруженном состоянии.

Основные свойства распространенных жаропрочных сталей

Стали с повышенным содержанием в своем составе легирующих элементов также делят на несколько категорий, в зависимости от характера их внутренней структуры. Так, в зависимости от характеристик базовой внутренней структуры, их относят к следующим классам:

мартенситные, основную структуру которых формирует мартенсит;
мартенситно-ферритные: в их структуре содержится мартенсит и, соответственно, феррит (не менее 10%);
ферритные: их структуру формирует феррит;
аустенитно-мартенситные: количественное содержание аустенита и мартенсита, формирующих структуру таких высоколегированных сталей, может варьироваться;
аустенитно-ферритные: их структуру формируют аустенит и феррит, которого в них содержится более 10%;
аустенитные: структуру формирует только аустенит.

Следует иметь в виду, что классификация высоколегированных сталей по характеру их структуры является достаточно условной, и ее даже не используют для отбраковки стальных изделий, если в их структуре имеются отклонения от нее.

К тому или иному структурному классу высоколегированную сталь относят в зависимости от того, какая в ней сформировалась базовая структура после того, как изделие из нее нагрели до высокой температуры и охладили на открытом воздухе.

Таблица соответствия российских и зарубежных стандартов — ГОСТ (Россия), EN (Европа), AISI (США) (нажмите для увеличения)

Свойства отдельных видов высоколегированных сталей

Благодаря своим уникальным характеристикам, которые можно формировать, меняя химический состав сплава, стали с повышенным содержанием легирующих добавок нашли широкое применение практически во всех отраслях современной промышленности. Среди большого разнообразия видов высоколегированных сплавов наибольшее распространение получили стали, основу внутренней структуры которых составляет аустенит. Базовыми элементами химического состава таких сталей являются никель, которого в них содержится не менее 8%, а также хром, содержание которого превышает 18%. За счет варьирования в составе подобных сталей количества других легирующих добавок получают марки сплавов с требуемыми характеристиками.

Химический состав некоторых легированных сталей

Жаропрочные стали, в составе которых дополнительно содержатся вольфрам и молибден (до 7%), а также бор, необходимый для измельчения зерна их внутренней структуры, не изменяют первоначальные механические характеристики даже при длительном нахождении в нагретом состоянии.

Отличительной особенностью марок высоколегированных сталей, относящихся к категории коррозионностойких или нержавеющих, является незначительное содержание углерода в их химическом составе (до 0,12%). Такие стали, кроме легирования соответствующими добавками, подвергают специальной термической обработке. Благодаря этому технологическому приему и свойствам элементов, которые формируют состав сталей, они становятся очень устойчивыми к воздействию агрессивных сред: кислотных, солевых, щелочных, газовых и др.

Влияние легирующих элементов на свойства стали

Жаростойкие стали, которые способны выдерживать повышенные температуры внешней среды в ненагруженном состоянии, получают свои свойства благодаря тому, что в их состав дополнительно вводят алюминий (до 2,5%) и кремний, за счет чего на поверхности изделий из таких сплавов формируются плотные и прочные оксиды. Такие оксиды становятся своеобразной пленкой, надежно защищающей поверхность стального изделия от взаимодействия с нагретой газовой средой.

Чтобы сформировать у изделий из высоколегированных сталей требуемые механические характеристики (прочность и пластичность), их подвергают специальной термической обработке, которая состоит из двух этапов:

закалки, предполагающей нагрев сплава до температуры 1150 градусов и его последующее быстрое охлаждение в воде;
стабилизирующего отпуска, который предполагает нагрев высоколегированной стали до температуры 850 градусов и ее последующее охлаждение на открытом воздухе до комнатной температуры.

Конечные свойства изделия из определенной марки высоколегированной стали зависят как от ее химического состава, так и от режимов проведения и видов используемой термической обработки.

Высоколегированная конструкционная сталь

Сферы применения изделий

К наиболее популярным маркам высоколегированных сплавов, относящихся к различным классам по своей структуре, следует отнести:

Для понимания того, насколько большое значение в современной промышленности имеют стали с высоким содержанием легирующих элементов, можно привести примеры сфер применения отдельных марок таких сплавов.

Сталь популярной марки 12Х17 широко используется для производства кухонной посуды и предметов домашнего обихода. Ограничением использования такой стали является то, что изделия из нее нельзя соединять при помощи сварки.

Физические характеристики стали марки 12Х17

Из высоколегированных сталей марок 12Х13, 08Х13 и 20Х13 изготавливают детали гидравлических устройств, изделия, подвергающиеся в процессе эксплуатации ударным нагрузкам и работающие в условиях слабоагрессивных сред.

Сталь марки 95Х18 отлично противостоит износу, поэтому из нее производят элементы шарикоподшипников для ответственных установок, втулки, ножи и другие инструменты.
30Х13 и 40Х13 — марки высоколегированных сталей, из которых изготавливают компрессорные клапанные пластины, детали автомобильных карбюраторов, пружины различного назначения, измерительный и медицинский инструмент.

Это лишь небольшой перечень сфер применения, в которых без использования высоколегированных сталей благодаря их уникальным характеристикам просто не обойтись.

Легированные стали: классификация и маркировка

Легированная сталь — это сталь, содержащая специальные легирующие добавки, которые позволяют в значительной степени менять ряд ее механических и физических свойств. В данной статье мы разберемся, что из себя представляет классификация легированных сталей, а также рассмотрим их маркировку.

Круглый прокат из легированной стали

Классификация легированных сталей

По содержанию в составе стали углерода идет разделение на:

среднеуглеродистые стали (до 0,25% до 0,65% углерода); (более 0,65% углерода).

В зависимости от общего количества в их составе легирующих элементов, которые содержит легированная сталь, она может принадлежать к одной из трех категорий:

низколегированная (не более 2,5%);
среднелегированная (не более 10%);
высоколегированная (от 10% до 50%).

Свойства, которыми обладают легированные стали, определяет и их внутренняя структура. Поэтому признаку классификация легированных сталей подразумевает разделение на следующие классы:

доэвтектоидные — в составе присутствует избыточный феррит;
эвтектоидные — сталь имеет перлитную структуру;
заэвтектоидные — в их структуре присутствует вторичные карбиды;
ледебуритные — в структуре присутствует первичные карбиды.

По своему практическому применению легированные конструкционные стали могут быть: конструкционные (подразделяются на машиностроительные или строительные), инструментальные, а также стали с особыми свойствами.

Назначение конструкционных легированных сталей:

Машиностроительные — служат для производства деталей всевозможных механизмов, корпусных конструкции и тому подобного. Отличаются тем, что в подавляющем большинстве случаев проходят термическую обработку.
Строительные — чаще всего используются при изготовлении сварных металлоконструкций и термической обработке подвергаются в редких случаях.

Классификация машиностроительных легированных сталей выглядит следующим образом.

Улучшаемые (из категорий среднеуглеродистых, низко- и среднелегированных) стали, при производстве которых используют закалку, применяются для изготовления сильно нагруженных деталей, испытывающих нагрузки переменного характера. Отличаются чувствительностью к концентрации напряжения в рабочей детали.
Цементуемые (из категорий низкоуглеродистых, низко- и среднелегированных) стали, как можно понять по названию, подвергаются цементации и следующей после нее закалке. Их применяют для изготовления всевозможных шестерен, валов и других похожих по назначению деталей.

Зависимость толщины цементованного слоя от температуры и времени обработки

Классификация строительных легированных сталей подразумевает их разделение на следующие виды:

Массовая — низколегированные стали в виде труб, фасонного и листового проката.
Мостостроительная — для автомобильных и ж/д мостов.
Судостроительная хладостойкая, нормальная и повышенной прочности — хорошо противостоит хрупкому разрушению.
Судостроительная хладостойкая высокой прочности — для сварных конструкций, которым предстоит работать в условиях низких температур.
Для горячей воды и пара — допускается рабочая температура до 600 градусов.
Низкоопущенные высокой прочности — применяются в авиации, чувствительны к концентрации напряжений.
Повышенной прочности с применением карбонитритного упрочнения, создающим мелкозернистую структуру стали.
Высокой прочности с применением карбонитритного упрочнения.
Упрочненные прокаткой при температуре 700-850 градусов.

Применение инструментальных легированных сталей

Инструментальная легированная сталь широко используется при производстве разнообразного инструмента. Но помимо явного превосходства над углеродистой сталью в плане твердости и прочности, у легированной стали есть и слабая сторона — более высокая хрупкость. Поэтому для инструмента, который активно подвергается ударным нагрузкам, такие стали не всегда подходят. Тем не менее при производстве огромного перечня режущего, ударно-штампового, измерительного и прочего инструмента именно инструментальные легированные стали остаются незаменимыми.

Отдельно можно отметить быстрорежущую сталь, отличительными особенностями которой являются крайне высокая твердость и красностойкость до температуры 600 градусов. Такая сталь способна выдерживать нагрев при высокой скорости резания, что позволяет увеличить скорость работы металлообрабатывающего оборудования и продлить срок его службы.

К отдельной категории относятся легированные конструкционные стали, наделенные особыми свойствами: нержавеющие, с улучшенными электрическими и магнитными характеристиками. От того, какие элементы, а также в каких количествах преимущественно содержатся в них, они могут быть хромистыми, никелевыми, хромоникельмолибденовыми. Также они делятся на трех-, четырех- и более компонентные по числу содержащихся в них легирующих добавок.

Легирующие элементы и их влияние на свойства сталей

Маркировка легированных сталей указывает на то, какие добавки в ней содержатся, а также на их количественное значение. Но также важно знать и то, какое именно влияние на свойства металла оказывает каждый из этих элементов в отдельности.

Добавка хрома увеличивает коррозионную стойкость, повышает прочность и твердость, является основным компонентом при создании нержавеющей стали.

Добавление никеля повышает пластичность, вязкость стали и коррозионную стойкость.

Титан уменьшает зернистость внутренней структуры, повышая прочность и плотность, улучшает обрабатываемость и коррозионную стойкость.

Присутствие ванадия уменьшает зернистость внутренней структуры, что повышает текучесть и порог прочности на разрыв.

Добавка молибдена дает возможность улучшить прокаливаемость, повысить коррозионную устойчивость и снизить хрупкость.

Вольфрам повышает твердость, не дает зернам увеличиваться при нагреве и снижает хрупкость при отпуске.

При содержании до 1-15% кремний повышает прочность, сохраняя вязкость. При увеличении процента содержания кремния повышается магнитопроницаемость и электросопротивление. Также данный элемент увеличивает упругость, стойкость к коррозии и сопротивляемость к окислению, но также повышает хрупкость.

Введение кобальта увеличивает ударопрочность и жаропрочность.

Добавление алюминия способствует повышению окалиностойкости.

Таблица назначения некоторых видов стали

Отдельно стоит упомянуть примеси и их влияние на свойства сталей. Любая сталь всегда содержит технологические примеси, так как полностью удалить их из состава стали чрезвычайно трудно. К такого рода примесям относятся углерод, серу, марганец, кремний, фосфор, азот и кислород.

Оказывает на свойства стали очень значительное влияние. Если его содержится до 1,2%, то углерод способствует повышению твердости, прочности, предела текучести металла. Превышение указанного значения способствует тому, что начинает значительно ухудшаться не только прочность, но и пластичность.

Если количество марганца не превышает 0,8%, то он считается технологической примесью. Он призван повысить степень раскисления, а также противостоять негативному влиянию серы на сталь.

При превышении содержания серы выше 0,65% механические свойства стали существенно снижаются, речь идет об уменьшении уровня пластичности, коррозионной стойкости, ударной вязкости. Также высокое содержание серы негативно влияет на свариваемость стали.

Даже незначительное превышение содержания фосфора выше необходимого уровня чревато повышением хрупкости и текучести, а также снижением вязкости и пластичности стали.

Азот и кислород

При превышении определенных количественных значений в составе стали вкрапления данных газов повышают хрупкость, а также способствуют понижению ее выносливости и вязкости.

Слишком большое содержание водорода в стали ведет к увеличению ее хрупкости.

Маркировка легированных сталей

К категории легированных относится большое разнообразие сталей, что и вызвало необходимость в систематизации их буквенно-цифрового обозначения. Требования к их маркировке оговаривает ГОСТ 4543-71, согласно которому сплавы, наделенные особыми свойствами, обозначаются маркировкой, где на первой позиции стоит буква. По этой букве как раз и можно определить, что сталь по своим свойствам относится к определенной группе.

Пример расшифровки маркировки легированной стали

Так, если маркировка легированных сталей начинается с букв «Ж», «Х» или «Е» — перед нами сплав нержавеющей, хромистой или магнитной группы. Сталь, которая относится к нержавеющей хромоникелевой группе, обозначается буквой «Я» в ее маркировке. Сплавы, относящиеся к категории шарикоподшипниковых и быстрорежущих инструментальных, обозначаются буквами «Ш» и «Р».

Стали, относящиеся к легированным, могут принадлежать к категории высококачественных, а также особо высококачественных. В таких случаях в конце их марки ставится буква «А» или «Ш» соответственно. Стали, которые обладают обычным качеством, таких обозначений в своей маркировке не имеют. Специальное обозначение также имеют сплавы, которые получены прокатным методом. В таком случае в маркировке присутствует буква «Н» (нагартованный прокат) или «ТО» (термически обработанный прокат).

Точный химический состав любой легированной стали можно посмотреть в нормативных документах и справочной литературе, но получить такую информацию позволяет и умение разбираться в ее маркировке. Первая цифра позволяет понять, сколько углерода (в сотых долях процента) содержит легированная сталь. После этой цифры в марке перечисляются буквенные обозначения легирующих элементов, которые содержатся дополнительно.

Обозначение легирующих элементов в маркировке стали

После каждой такой буквы проставляется количественное содержание указанного элемента. Выражается это содержание в целых долях. После буквы, обозначающей элемент, может не стоять никакой цифры. Означает это то, что его содержание в стали не превышает 1,5%. Государственный стандарт 4543-71 регламентирует обозначение легирующих добавок, входящих в состав легированной стали: А — Азот, Б — Ниобий, В —Вольфрам, Г — Марганец, Д — Медь, К — Кобальт, М — Молибден, Н — Никель, П — Фосфор, Р — Бор, С — Кремний, Т — Титан, Ц — Цирконий, Ф — Ванадий, Х — Хром, Ю — Алюминий.

Использование легированных сталей

Сегодня сложно найти сферу жизни и деятельности, в которых бы не использовалась легированная сталь. Из инструментальных и конструкционных сталей производится практически любой инструмент: резцы, фрезы, штампы, измерительные устройства, шестерни, пружины, подвески, растяжки и многое другое. Нержавеющие легированные стали активно используются и в быту, из них изготавливают посуду, корпуса и другие элементы многих видов бытовой техники.

Легированные стали по причине их высокой стоимости используются только для производства самых ответственных конструкций и деталей, где изделия из других металлов просто не смогут выполнить возложенные на них задачи.

Читайте также: