Как определить высоколегированную сталь

Обновлено: 12.05.2024

Высоколегированная сталь – это специально созданный материал, в составе которого есть легирующие компоненты, совершенствующие металл. А вот для чего его делают, как маркируют материал, каких видов он бывает и как осуществляется сварка с ним, стоит узнать подробнее, чтобы разобраться в определении высоколегированной стали.

Что это такое?

Это железоуглеродистый состав, в котором содержится ряд спецпримесей, используемых в роли модификаторов характеристик материала. Причем характеристик физических или механических. Высоколегированная сталь представляет собой высококачественный материал, в котором легирующих веществ может быть до 50%. Другое определение/название стали – конструкционная. Из нее изготавливают детали, конструкции и механизмы с выгодными физическими и химическими свойствами. Выгодными для машиностроения, например. Те же подшипники делают из такого материала.

На появление таких сталей был запрос. И исходил он от нефтяной промышленности, машиностроения в сфере энергетики, химиндустрии. Особенно активно используется такой материал в среде, которая сталкивается с внешними агрессивными воздействиями. А это, к примеру, широкая температурная разбежка. Иногда такой материал берут даже в качестве хладостойкого элемента. Для газовой среды это также практически незаменимый материал.

Легирующие компоненты здесь следующие: никель, хром, а еще ванадий, медь и другие. И добавляются они, чтобы металл стал более устойчив к коррозийным поражениям, более ковким и жаропрочным.

Вот примеры того, что легирующие компоненты дают стали:

титан повышает показатели жаропрочности, увеличивает плотность за счет выведения азотных излишков;
кобальт влияет на физическую прочность;
никель повышает упругость, поддерживает стойкость к ржавлению;
хром не дает металлу истираться, качественно прокаливает его, то есть связан с износостойкостью;
ванадий, молибден и вольфрам не дают расти зернам, сохраняют неизменность структуры стали, повышают ее режущую способность;
марганец повышает показатели твердости;
кремний делает материал более упругим.

Высоколегированные стали еще тем отличаются от других материалов, что закаливают их не в воде, а в масле.

Классификация по составу легирующих компонентов стали выглядит так: высоколегированная содержит 10% и более компонентов, среднелегированная – от 2,5 до 10%, а низколегированная – до 2,5%. То есть в этом показателе (в проценте) и заключаются главные отличия между видами. А еще название материала будет зависеть от того, какой легирующий компонент стал главным. Значит, если в составе превалирует хром, сталь будет хромистой, если марганец – марганцовистой и т. д.

По видам обработки высоколегированная сталь может быть калиброванной, со специальной отделкой поверхности, а также с прокатом (горячекатаным или кованым). Материал может быть без термообработки, термообработанным и нагартованным.

Основные свойства высоколегированной стали – прочность, сочетающаяся с пластичностью, стойкость к коррозии и деформации. Если сравнить этот материал с углеродистой сталью, главное отличие будет как раз в пластичности. И все сплавы, относящиеся к высоколегированным, могут применяться в конструкциях, которые подвергаются соединениям сварочными швами. У металла высокие показатели свариваемости, а значит, прочность швов будет максимальной. И это очень выгодно для создания конструкций, на которые будут приходиться очень высокие нагрузки.

Есть еще ряд марок, относящихся к машиностроительным сталям. Их отличают немагнитность, упругость, а также повышенная тепловая закаленность. Чтобы сплав был высокопрочным, применяется особая термическая обработка.

Маркировка

Она создана согласно ГОСТу, при этом используются специальные шифры, которые отражают состав стали. Технически они интерпретируют буквенно-числовую последовательность со структурой символов, которые пишут слитно.

Посмотрим, как расшифровывается код.

ХХХ. Это префикс из букв, который отображает тип сплава стали.
YYY. Это число показывает количеств углерода в сплаве. Если числа два, то содержание углерода выражается в сотых долях процента, а если одно, то в десятых.
ZZZ. А это уже буквенно-числовая последовательность, отображающая легирующие элементы и их примерное количество.

Первый буквенный префикс указывает на особые характеристики стали. Обычно это одна буква (реже – несколько), обозначающая определенное свойство. Например, «Э» – это электротехническая сталь, а «Р» – режущая. «А» обозначает автоматную, а «Л» – сталь, полученную с помощью литья.

Тот показатель (ZZZ), что отображает наличие легирующих компонентов, имеет такие обозначения: «В» – вольфрам, «Х» – хром, «Ф» – ванадий, «С» – кремний, «Г» – марганец. Кобальт обозначается буквой «К», никель – «Н» и т. д. Если этого компонента в сплаве более 1%, то рядом с буквой этот процент может указываться.

Кажется, все немного запутано, но разобраться можно. Например, шифр такой – Л12Х17. Это литая сталь с 0,12% углерода и 17% хрома. Или чуть посложнее – А10Х13СЮ. А здесь речь идет об автоматной стали, в которой 0,10% углерода, 13% хрома, а также кремний и алюминий в малом количестве (менее 1%).

Виды и марки

Первая классификация предполагает 3 деления: жаропрочные, окалиностойкие и коррозионностойкие. Жаропрочные высоколегированные стали от жаростойких, к примеру, отличаются тем, что изделия из них способны какое-то время использоваться при высоких термических показателях внешней среды и с нагрузкой. Коррозионностойкие стали часто называют нержавеющими. И они действительно стойкие к разным видам коррозии: как солевой, так и кислотной, щелочной, химической. Сюда же идет межкристаллитная коррозия, атмосферная и связанная с электрическим напряжением.

Наконец, окалиностойкие стали – это и есть жаростойкие. Используют их в ненагруженном состоянии или в состоянии со слабой нагрузкой. Они отличаются высокой устойчивостью к химдеформации, связанной с поверхностным слоем, когда температура внешней газообразной среды выше 550 градусов.

Также классификацию составляют магнитные и немагнитные сплавы. Первые бывают магнитомягкими и магнитотвердыми. Так что утверждение, что нержавейка – немагнитный материал, очень даже спорное.

Завершая список характеристик, нельзя не упомянуть разделение сталей на такие виды:

массовая – это трубы, листовой и фасонный прокат;
мостостроительная – используется для автомобилей и мостов;
судостроительная хладостойкая высокой прочности – для сварных конструкций, которым предстоит работать в условиях низких температур;
судостроительная хладостойкая нормальной и повышенной прочности – это сталь, которая хорошо противостоит разрушению;
для пара и горячей воды – сталь с рабочей температурой до 600 градусов;
низкоопущенная высокой прочности – материал, задействованный в авиации, однако он боится концентрации напряжений.

Справедливым будет отметить важность именно легирующих компонентов. Их можно считать основой, главным ингредиентом состава, который решает, где потом будет эффективнее использоваться материал.

Мартенситные

Ферритные

Углерода в таких сталях совсем немного – до 0,15%, а вот хрома куда больше – до 30% в максимуме, и очень много в стали будет кремния, марганца или титана. Пример такого вида – 15Х25Т.

Аустенитные

Это марки с очень низким процентом углерода, умеренным присутствием хрома, различными концентрациями никеля (может доходить до 25%) и марганца (от 1 до 14%). Совсем немного там может быть азота и кремния. Пример этого класса – 20Х25Н20С2.

Композитные аустенитно-мартенситные

Углерод здесь составляет от 0,1 до 1%, хрома довольно много – в среднем 16%, совсем немного может быть титана, кремния и алюминия. Пример – 08Х17Н6Т.

Есть марки, которые пригодны максимум для изготовления посуды. Например, 12Х17. Но в целом можно сказать, что высоколегированные стали более чем активно используются во многих отраслях, и сфера их применения однозначно только расширяется.

Сварка

А вот у этого процесса будет технология, которая серьезно отличается от сварочных процессов с другими металлами. У высоколегированных сплавов теплопроводность выше, линейное расширение металла тоже выше, а значит, процедура нуждается в корректировке. По стандартному алгоритму сварить металл не получится.

Учитывать надо следующие особенности.

Вследствие повышенной теплопроводности на металлической поверхности собирается избыток тепла, и это легче проплавляет сталь вглубь. Потому, проводя сварку, величину сварочного тока снижают на 15%, а иногда доходит и до снижения в 25%. Это делается для того, чтобы исключить повреждение детали.
Повышенный коэффициент металлорасширения при нагреве также подразумевает серьезную деформацию металла. Если работать приходится с жесткими объемными конструкциями, угроза образования трещин учитывается. Вот почему при сварке надо быть очень осторожным.
Работая со сплавами, в составе которых нет титана либо ниобия, всегда держат в уме температуру сварочной дуги. Металл, который нагревается выше 500 градусов, начнет терять антикоррозийные характеристики.
Если во время сварки металл доведен до указанной выше температуры, надо выполнять закалку или нагревать элемент уже до 850 градусов. Тогда легирующие элементы растворятся, равномерно разошедшись по всему сплаву.
Риск растрескивания при сварке очень высок. Чтобы этого точно избежать, придется использовать электроды с особым покрытием. И это марганцевое, молибденовое или вольфрамовое покрытие. Данные инструменты позволяют сделать место шва мелкозернистым: такая структура и есть тот способ, который не дает образоваться трещинам. Технология аргонодуговой сварки – популярный способ сварочных работ с данными сталями. Используется вольфрамовый электрод, который надежно выполняет корень шва, исключая прожоги.
Чтобы снизить риск растрескивания, можно предварительно нагреть сталь до 100-300 градусов. Тепло в таком случае начнет равномерно распределяться по всей толщине стали, никаких трещин не будет.
Те сплавы стали, что имеют менее 0,12% углерода в составе, перед сваркой обязательно нагревают. Не сделав этого, не удастся избежать коррозийных наростов и трещин.

Изделия, которые получают штампосваркой, можно использовать даже при температурах, которые называют критически низкими. А если материал обработать кремнием, получится состав, который готов применяться в фосфорной, азотной и других мощных кислотах. Чтобы повысить, например, износостойкость сплава, его легируют хромом или ванадием.

Итак, высоколегированная сталь – это отдельная разновидность стальных сплавов, в которой присутствует много дополнительных элементов. Не менее 10% совокупно, и чаще это никель, хром или марганец. Из таких сплавов делают шарикоподшипниковые элементы, ножи и втулки, клапанные пластины в компрессор.

И для измерительного инструмента, и даже для медицинских нужд тоже применяют эти материалы.

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.

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.

Обзор конструкционных легированных сталей

Конструкционная легированная сталь используется для изготовления деталей, конструкций и механизмов, применяемых в машиностроении, строительстве и других сферах. Она изготавливается по ГОСТ 4543-71 и подробно классифицируется в зависимости от состава и назначения.

Если взять обычную сталь, то это будет соединение железа, углерода и других примесей. Легированная сталь – это уже сплав, получаемый с помощью внедрения какого-то количества химических компонентов. Внедряются они в состав, конечно же, запланировано. Это нужно, чтобы изменить физические и химические свойства металла.

А теперь о конструкционности сталей. Формально отдельные химические элементы, которые содержатся в обычных сталях, а также в конструкционных, можно называть легирующими. Это медь, например, или кремний. А также постоянными спутниками сталей являются сера и фосфор. Но вот металловедам кажется, что это все же не легирующие добавки, а именно примеси. Объясняют они это так: любая примесь – это следствие или чистоты исходника, или специфики металлургических процессов плавки. В первом случае это будет марганец, во втором сера или фосфор. То есть выплавленная без меди, серы и фосфора сталь имела те же свойства. Но легирование ставит другие цели – повышать конкретные технические характеристики.

Конструкционные стали считаются очень прочными, потому что почти всегда проходят особую термообработку. Так как проводится легирование марганцем, сталь обретает цементирующий эффект, стойкий к значительным нагрузкам. И такие материалы используются для самых важных в конструкции элементов.

Как легирующие компоненты влияют на свойства стали:

хром – обязателен для получения нержавеющей стали, практически предотвращающий старение элемент;

титан – дает плотность стали, уменьшая зернистость, что помогает металлу быть прочнее;

никель – повышает прочность, помогает быть металлу более пластичным, жаростойким и стойким к механическим ударам;

вольфрам – не дает укрупняться зернистым образованиям, понижает хрупкость при закалке, добавляет прочность;

марганец – также повышает прочность металла, помогает ему стать более износоустойчивым;

молибден – делает металл более прочным и упругим во время нагрузок на растяжение, снижает хрупкость;

кобальт – повышает магнитные и жаропрочные свойства.

Важнейшая часть сплава – углерод. В содержании элемента до 1,2% есть только польза: материал приобретает положительные качества, становится более прочным и упругим.

Но если его процент будет выше, характеристики материала, напротив, ухудшатся, он будет более хрупким.

Классификация

Она довольно широкая, и имеет несколько подвидов.

По назначению

Стали бывают машиностроительными и строительными. В первом случае это металлы, служащие для производства деталей разных механизмов, конструкций корпусов и другого. И их главное отличие в том, что они почти всегда проходят высокотемпературную обработку. Строительные же стали чаще применяют для металлоконструкций, предусматривающих сварку. То есть термическая обработка для таких металлов – редкость.

Машиностроительные легированные стали, в свою очередь, бывают жаропрочными, улучшаемыми и цементуемыми. Жаропрочные активно востребованы на рынке энергетики, из них можно делать, к примеру, комплектующие для турбин. Из них же делают отличный крепеж. Улучшаемые стали предполагают применение закалки при производстве. Выпускают из них сильно нагруженные изделия. Они же чувствительны к концентрированному напряжению в детали.

А цементуемые стали подвергаются цементации, а также закалке, которая следует после нее. Из них делают шестерни, валы и другие детали со схожим функционалом.

Строительные же стали также бывают разные: массовая, судостроительная хладостойкая нормальной и средней прочности, а также повышенной прочности, для пара и горячих вод, упрочненные прокатом на температуре 700-850 градусов и так далее.

А класс инструментальной легированной стали становится сырьем для создания широкого круга инструмента.

Но все же не для всякого: для того, что проходит ударные нагрузки, материал не подойдет. А вот для режущих, измерительных, ударно-штамповых категорий – более чем.

По количеству легирующих добавок

Эта классификация предполагает следующее деление: высоколегированные стали, среднелегированные и низколегированные. В высоколегированной стали до 50% добавок (но не менее 10%) – такие изделия можно считать самыми прочными, но при этом и самыми дорогими. К среднелегированной стали относятся материалы, в которых легированные добавки содержатся в количестве 2,5-10%. В низколегированных составах добавок меньше 2,5%. Положительных качеств в таком металле достаточно, но для металлообработки их все же не хватает.

По химическому составу

В зависимости от химсостава сталь может быть качественной, высококачественной (А), особо высококачественной (Ш). В последнем случае получить вид можно электрошлаковой переплавкой металла.

По виду обработки

Прокат может быть кованым и горячекатаным, предполагающим особую отделку поверхности, и калиброванным. По уровню термической обработки продукция может быть: без термической обработки как таковой, с термической обработкой, нагартованной. Если обработка была, сталь будет маркироваться ТО, если нагартована (то есть используется метод проката), буквой Н.

Существуют марки с особыми свойствами, которые согласно тому же ГОСТу обозначаться будут иначе. В таком случае первой проставится буква, которая определяет вид стали. Если она шарикоподшипниковая, например, будет буква Ш, а если магнитная – Е, нержавеющая – Я. После этой буквы уже используется стандартная схема.

Могут в маркировке литеры стоять и в конце аббревиатуры, значит, эта группа не относится к обычной стали, а обладает своими свойствами и определяющими качествами. Так, высококачественная и особо высококачественная (именно так они и называются) в конце маркировки будут иметь литеры А и Ш. Если сплав литейный, будет идти литера Л. А те сплавы, которые отличает коррозийная устойчивость, обозначатся литерой К.

В России и в мире она будет разной, потому что отличаются сами принципы обозначений. Это все регулирует ГОСТ, и это удобно тем, что приобретатель сразу может увидеть состав сплава и область его применения.

Описание маркировки:

аббревиатура начинается с двузначного числа, показывающего количество углерода в десятых долях процента;

потом идет литера с названием легирующей добавки;

далее – цифра, которая в процентном отношении показывает содержание добавки в сплаве, но, если удельный вес добавки менее 1,5%, его не указывают.

Сортамент

Конструкционная сталь бывает углеродистой качественной и легированной качественной, последняя делится еще на несколько типов, которые указаны выше. Сортамент этой продукции прописан каждый своим ГОСТом: горячекатаной круглой, горячекатаной квадратной, горячекатаной шестигранной, горячекатаной полосовой, а еще кованой квадратной и круглой.

Это документы ГОСТ 2591, ГОСТ 2590, ГОСТ 1133, ГОСТ 8559 и иначе нормативная база. В сортаменте прописывается название – например, прокат калиброванный круглый, далее указывается диаметр, предельные отклонения по конкретному ГОСТу, марка стали, а также качества поверхности группы, контроль мехсвойств, вид (к примеру, нагортованный).

Конструкционные легированные стали четко структурированы в документации, они удобно маркируются и уже отлично зарекомендовали себя в эксплуатации. К слову, если в структуре выплавляемого сплава процент железа не выше 55%, то легированной сталью такой материал уже не назовешь.

Легирующими компоненты будут только, если содержание их выше 1-1,5%, и если введение их имеет целенаправленный характер. Добавки меняют структуру так называемого дочернего материала, они ступенчатым образом создают составы проникновения либо исключения, и даже могут выйти на границы структур. Процесс интересен, перспективен, и могут появиться новые виды сплавов с новым назначением.

Все о легированных сталях

Знать все о легированных сталях, о том, что это такое, и чем они отличаются от углеродистых сталей, крайне важно для любого толкового инженера и для организации производства, вообще. Внимание стоит уделить маркам и маркировке, влиянию легирующих элементов на свойства стали. А также надо разобраться с тем, какая при легировании стали появляется классификация.

Вводить в сплавы металлов различные добавки пытались уже в древности. Но только при должном развитии металлургии получилось то, что ныне называют легированными сталями. В зависимости от поступления отдельных компонентов продукция будет иметь различный уровень пластических характеристик, хрупкости и прочности. Их научились изменять в несколько раз, приспосабливая тем самым за счет влияния элементов на свойства конкретные марки сплавов к основным областям применения. Специальные компоненты при легировании добавляют двумя различными способами.

Объемная методика легирования подразумевает внедрение полезных веществ в глубинную структуру. Необходимые добавки попадают в шихту либо расплав.

Поверхностное улучшение подразумевает, что легирующие вещества вводятся посредством диффузионного либо прочего напыления, и оказываются лишь в верхнем слое металла. Надо учитывать, что легированные сплавы, при всех своих достоинствах, обрабатываются механически гораздо хуже, чем обычная сталь. Эта проблема давно обнаружилась, основательно исследована материаловедами, и найдены уже оптимальные пути ее решения.

Доля железа в составе стали обычно составляет 97-99%. В ряде случаев она окажется меньше, но сокращение более чем до 45% не допускается. Доля углерода преимущественно составляет от 0,1 до 1,4%, редко больше или меньше.

Марганец придает ценные свойства, если его добавляют от 1% и более. Это отличный раскислитель, позволяющий исключить вредное воздействие кислорода.

При высоком содержании марганца можно получить даже сплав Гадфильда, который не имеет магнитных свойств, зато очень стоек к ударам и механическому износу. Кремния добавляют обычно 0,8% и больше, потому что этот компонент:

помогает, опять же, раскислять сплав;

наращивает его стойкость;

увеличивает жаропрочность и ряд иных ценных свойств.

Необходимо учитывать, что сталь содержит не только те вещества, которые улучшают ее свойства. Так, из-за присутствия серы увеличивается риск растрескивания прогретых заготовок. Фосфор, обычно присутствующий вместе с серой, увеличивает хрупкость. Под влиянием азота, кислорода и водорода структура становится рыхлее. Из-за окислов и нитридов вероятно появление надрывов.

В отдельный разряд выделяют так называемые случайные примеси. Они обычно безвредны и проникают в сталь из шихт. Некоторые случайные примеси приносят вред, но их содержится настолько мало, что этим можно пренебречь. Речь идет про цинк, медь, свинец.

Легированные стали отличаются от углеродистых прежде всего введением специальных улучшающих компонентов 4-й категории, обеспечивающих упрочнение.

Хромистые стали отличаются высокой твердостью. Она же свойственна и марганцевым сплавам — при этом такая твердость достигается после грамотной обработки и без потери пластических свойств. Износоустойчивость марганцевых сталей давно подтверждена на практике. Встречаются также:

Углеродистые стали в отличие от легированных не содержат титана, молибдена, вольфрама. Они являются универсальным промышленным материалом и не предназначаются для узкоспециального применения. Технические и практические свойства у углеродистых сплавов хуже. Они проигрывают по стойкости к нагреву и по твердости. Однако эти материалы оказываются дешевле, и во второстепенных по требованиям сферах их использование более оправдано.

По составу

Речь идет о том, что все сплавы имеют суммарное количество улучшающих компонентов. По этому признаку выделяют:

низколегированные металлы (максимум 2,5%);

среднелегированные (до 10%);

высоколегированные (разброс от 10% до половины всего состава).

Говоря про особенности видов стали по содержанию улучшающих компонентов, надо указать сразу, что низколегированный металл в основном отличается улучшенной прокаливаемостью. Это означает, что в дальнейшем путем термообработки проще будет добиться необходимых иных свойств. Среднелегированные сплавы выделяются прежде всего высокой механической выносливостью.

Обрабатывать их довольно удобно. Считается, что такой металл отлично подходит для свариваемых конструкций.

Высоколегированные стали имеют узкоспециальное применение. Некоторые из них могут отлично переносить воздействие агрессивной среды. Востребованы аустенитные соединения. Высоколегированный металл может быть рассчитан и на условия повышенной коррозионной активности. Значительное содержание специальных компонентов резко увеличивает сложности обработки, но дополнительные практические возможности того стоят.

По структуре

По этому показателю также классифицируются любые виды сплавов. Доэвтектоидным считается металл, где есть избыток феррита. Он отличается повышенной пластичностью. Отмечают оптимальное соотношение прочности и способности переживать нагрузки. Влияя на дисперсность феррита, металлурги регулируют свойства готового продукта.

Перлитной структурой обладают эвтектоидные стали. Соответствующее превращение происходит при условии постоянной температуры и стабильном же составе фаз. Доля третичного цементита не превышает 0,3%, потому его можно не учитывать.

Заэвтектоидным может стать только металл, содержащий минимум 0,8% углерода. Все такие продукты применяются в производстве инструментов.

Ледебуритный тип стали подразумевает присутствие в структуре первичных карбидов. Это высокоуглеродистые высоколегированные соединения. Структурно стальной ледебурит неотличим от ледебурита в составе белого чугуна. Однако отличия по свойствам несомненны. Ковка довольно сильно затрудняется, но она вполне возможна.

Микроструктура и состав, а также обусловленные ими характеристики, прямо влияют на практическое применение металлургического продукта. Выделяют:

быстрорежущие и некоторые другие виды стали.

Основные марки и ключевые правила обозначения легированного металла заданы в ГОСТ 4543. Зная базовые принципы, легко произвести расшифровку любой маркировки.

В конце обозначения может стоять буква А, которая говорит об особенно высоких практических характеристиках.

Цифры после отдельных букв говорят о концентрации вещества, а если менее 1%, то цифровой элемент пропускают. Востребованностью пользуются:

Если обозначение начинается с Х, Ж либо Е, это означает соответственно хромистую, жаропрочную или не склонную ржаветь сталь. Особо добротный металл в конце названия имеет не А, а Ш. Могут также встречаться буква Н, то есть нагартованный прокат, и ТО, что говорит о термообработке при прокатке. Не стоит путать ее с буквой Н, обозначающей никель. Другие индексы:

Обозначение прочих элементов — по первой букве русского названия. Таковы:

Применение

Высокие качества легированной стали и ее разнообразие позволяют говорить, что она используется в самых разных сферах. Такой металл хорош для производства промышленных установок и хирургических инструментов.

Им охотно пользуются при создании металлоконструкций и строительной арматуры. Легированный сплав систематически применяется и при выпуске кухонных принадлежностей различного рода.

Дополнительные области использования:

получение различных труб;

кулачковые муфты и плунжеры;

поршневые пальцы и червячные валы;

пружины для часовых механизмов и измерительной аппаратуры.

Особенности сварки и обработки

Температура плавления разных марок легированной стали варьируется от 1400 до 1800 градусов. Потому необходимо подбирать режим сваривания индивидуально. Низколегированный металл подвержен появлению холодных трещин. Недопустимо поэтому быстро остужать толстый металл, а также варить его там, где гуляет ветер. Повышенная пластичность легированных сплавов позволяет сравнительно быстро получать сложные конструкции при сварке.

Электроды для сваривания улучшенной стали должны иметь основное либо рутилово-основное покрытие. Величину тока подбирают под конкретный вид электродов. Учитывают также вид сплава и толщину обрабатываемой конструкции. Ошибки приведут к низкому качеству шва и потере прочности изделия.

Низколегированный металл варят без перерыва, чтобы температура его не падала менее 200 градусов.

Среднелегированные марки стали варят, применяя материалы с несколько меньшей концентрацией добавок. При толщине листов не более 0,5 см может практиковаться аргонодуговая сварка. Газосварочные работы ведут при помощи ацетилен-кислородного сочетания. Сложнее обстоит дело со сваркой высоколегированных сплавов. В этом случае надо добиваться как можно меньшего теплового захвата материала.

Такой момент связан с тем, что важно уменьшить опасность коробления материала. Для самой работы берут электроды, покрытые фтористокальциевой смесью. Подобный подход гарантирует механическую и химическую стабильность сварочного шва. Газосварочные работы по высоколегированной стали проводятся крайне редко.

Лишь иногда такую методику применяют, чтобы соединять лист толщиной максимум 2 мм.

Низколегированные сплавы рекомендуется варить с применением вертикальных, потолочных швов. Нецелесообразно применение сварочных стержней диаметром менее 0,4 см. Уменьшение темпа потери температуры достигается за счет бортовых либо стыковых швов. Заготовки толщиной до 0,6 см включительно варят в один проход. Максимально пластичный шов появляется при использовании электродов марки Э42А.

Если же в составе стали есть марганец, никель, то она должна проходить эти процедуры при той же температуре, что и углеродистый металл. Оценивать температуру надо с учетом особенностей роста аустенитных зерен. Время термообработки легированного материала больше, чем углеродистого продукта. Это связано с более низким уровнем теплопроводности, а также с необходимостью растворить легированные карбиды в аустените.

Термическая обработка легированных сталей также имеет особенности. Прогревать их надо медленнее, чем углеродистый металл. Максимальную осторожность стоит проявлять при наличии в составе сплава вольфрама. Температуру подбирают с учетом критических точек стали. Хромистые, ванадиевый, кремнистые и вольфрамовые стали нуждаются в повышенных температурах:

Остужать быстрорежущий инструмент требуется в масле, но если он имеет малое сечение, закалка должна идти на воздухе.

Надо помнить и о том, что любые легирующие добавки, за исключением кобальта, сокращают критическую скорость закалки.

С практической точки зрения это означает, что подавляющее большинство легируемых металлов закаляют на мартенсит в масле. При высоком уровне оптимизирующих включений допускается иногда даже воздушное закаливание. Быстрорежущие стали закаляют практически при температуре плавления, чтобы полнее растворить карбиды в аустените. Избежать окисления и обезуглероживания помогает обработка в соляной ванне, а растрескивание исключают за счет предварительного нагрева до 900-950 градусов.

Такой подогрев ведут в камерных либо шахтных печах. Окончательный прогрев выполняют в электродной печи-ванне. Такую процедуру ведут при 1280-1310 градусах. Длительность выдержки при целевой температуре определяется сечением инструмента, но она не превышает долей минуты.

Даже закаленный быстрорежущий металл может содержать десятки процентов остатка аустенита, потому он недостаточно тверд. Решение этой проблемы — или многократный отпуск, или разовое остужение заготовок до — 80 градусов с дальнейшим отпуском. Отпускают металл при 540-550 градусах, что связано с повышенной красностойкостью мартенсита и стойкостью аустенита. Сверла закаливают и подвергают низкому отпуску, наращивая твердость и сопротивляемость износу.

Читайте также: