Основные легирующие элементы в сталях

Обновлено: 16.05.2024

Элементы, специально вводимые в сплав с целью изменения его строения и свойств, называют легирующими, a данный сплав легированным. Для легирования сталей используют значительное число элементов периодической системы (табл. 2.4.).

Наиболее существенное влияние легирующие элементы оказывают на свойства сталей, воздействуя на полиморфизм железа. Температура полиморфных превращений железа зависит от всех растворенных в нем элементов. В их присутствии расширяется область существования g-железа. При введении определенного количества легирующих элементов область g-состояния от комнатной температуры до температуры плавления. Такие сплавы называются аустенитными. Другие элементы (V, Si, Mo и др.) делают феррит устойчивым до температуры плавления. Такие сплавы называют ферритными. При нагреве и охлаждении в них не происходит эвтектоидное превращение.

Легирующие элементы могут находиться в сталях в свободном состоянии, в форме химических соединений с железом или между собой, в виде оксидов, сульфидов и других неметаллических примесей, в карбидной фазе, а также в виде твердых растворов в железе. Наиболее часто они растворяются в основных фазах сплавов железа с углеродом (в феррите, аустените, цементите) или образуют специальные карбиды.

Карбидообразующие элементы (молибден, ванадий, вольфрам, титан) задерживают выделение карбидов при отпуске и увеличивают конструкционную прочность стали.

Влияние легирующих элементов на свойства сталей проявляется, прежде всего, в изменении свойств феррита, дисперсности карбидной фазы, прокаливаемости, размера зерна и т. д. По объему (более 90%) феррит — основная составляющая конструкционных сталей. Легирующие элементы растворяются в нем, замещая атомы железа в решетке и искажая ее, что приводит к возрастанию прочности и твердости феррита. Увеличению последней наиболее сильно способствует введение кремния, марганца и никеля. Большинство легирующих элементов, однако, снижают вязкость феррита и повышают порог его хладноломкости. Исключением является никель, оказывающий наиболее благоприятное влияние на свойства стали. Хром и никель являются основными легирующими компонентами нержавеющих сталей (табл. 2.4.).

Влияние легирующих элементов на свойства сталей.

Легирующий элемент	Обозначение	Свойства, придаваемые сталям	Примеры марок сталей
Азот (N)	А	Обработка в атмосфере азота (азотирование) приводит к образованию твёрдого раствора в феррите, нитридных соединений, что придаёт твёрдость поверхностным слоям
Ниобий (Nb)	Б	Ниобий - повышает кислотостойкость сталей	03Х16Н15М3Б
Вольфрам (W)	В	Вольфрам увеличивает твердость и красностойкость, способность сохранять при высоких температурах износостойкость. Вольфрам придает стали вязкость.	В18 В6М5К5
Марганец (Mn)	Г	Марганец - при содержании свыше 1 процента увеличивает твердость, износоустойчивость, стойкость против ударных нагрузок. Марганец в виде ферромарганца применяется для «раскисления» стали при её плавке, т. е. для удаления из неё кислорода. Связывает серу, что также улучшает свойства сталей. Иногда в сочетании с другими легирующими металлами, сильно упрочняет сталь, делает её твердой и сопротивляющейся износу и ударам (сталь резко упрочняется и становится тверже при ударах). Такая сталь используется для изготовления шаровых мельниц, землеройных и камнедробильных машин, броневых элементов и т. д.	14Г2 ШХ15ГС 30ХГС-Ш А40Г
Медь (Cu)	Д	Медь - уменьшает коррозию сталей	10Х18Н3Г3Д2Л
Кобальт (Co)	К	Кобальт - повышает жаропрочность, магнитопроницаемость	Р6М5К5
Молибден (Mo)	М	Молибден - увеличивает красностойкость, прочность, коррозионную стойкость при высоких температурах. Молибден используется для легирования сталей, как компонент жаропрочных и коррозионную стойких сплавов.	Р6М5К5 03Х16Н15М3Б
Никель (Ni)	Н	Никель - повышает прочность, пластичность, коррозионную стойкость Введение достаточного количества никеля (Ni) в хромистую сталь обеспечивает лучшую механическую прочность, делает сталь более стойкой к коррозии (нержавеющая сталь) и к низким температурам.	03Х16Н15М3Б 12Х2Н4А
Фосфор (P)	П	Повышает текучесть, хрупкость
Бор (B)	Р	Увеличивает прокаливаемость стали, делает сталь чувствительной к перегреву.
Кремний (Si)	С	Придает прочность, увеличивает ударную вязкость, способствует раскислению.	30ХГС-Ш 60С2ХФА 33ХС 38ХС
Титан (Ti)	Т	Повышает прочность, сопротивление коррозии
Ванадий (V)	Ф	Повышает плотность, прочность, сопротивление удару, истиранию. Замедляет старение стали.	9Х2МФ
Хром (Cr)	Х	Повышает твердость, коррозионную стойкость. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами при некоторой меньшей пластичности в сердцевине и лучшей прочности в цементируемом слое; чувствительна к перегреву, прокаливаемость невелика. При введении легирующих элементов происходит скачкообразное повышение коррозионной стойкости. Стали хорошо свариваются.	ШХ15ГС 30ХГС-Ш ШХ6 03Х16Н15М3Б 40Х
Цирконий (Zr)	Ц	Легирование сталей цирконием (до 0,8 %) повышает их механические свойства и обрабатываемость.
Алюминий (Al)	Ю	Алюминий – повышает окалиностойкость Алитированием придают коррозионную и окалиную стойкость стальным и другим сплавам. Повышает жаростойкость сплавов на основе железа, меди, титана и некоторых других металлов. Замедляет старение стали.	АК7М2АК21М2
Редкоземельные металлы	Ч	Используются для связывания серы, фосфора в тугоплавкие соединения

В основу классификации легированных сталей заложены четыре признака: химический состав, равновесная структура (после отжига), структура после охлаждения на воздухе (после нормализации), назначение.

В зависимости от вводимых элементов легированные стали подразделяют на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые Разновидностью классификации по химическому составу является классификация по качеству. Легированные стали подразделяют на качественные (до 0,04% S и до 0,035% Р), высококачественные (до 0,025% S и до 0,025% Р) и особовысококачественные (до 0,015% S и до 0,025% Р) (раздел 2.5. классификация сталей).

По типу равновесной структуры.

По этому признаку стали подразделяются на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные. Эвтектоидные стали имеют перлитную структуру, а доэвтектоидные и заэвтектоидные наряду с перлитом содержат соответственно избыточный феррит или вторичные карбиды типа М₃С. Таким образом, с учетом фазового равновесия легированные стали относят к перлитному, карбидному, ферритному или аустенитному классам.

По структуре после нормализации. Здесь предполагается разделение сталей на три основных класса: перлитный, мартенситный и аустенитный.

Такое подразделение обусловлено тем, что с увеличением содержания легирующих элементов в стали возрастает устойчивость аустенита в перлитной области (это проявляется в смещении вправо С-образных кривых); одновременно снижается температурная область мартенситного превращения. Все это приводит к изменению получаемых при нормализации структур от перлита (сорбита, троостита и бейнита) в относительно малолегированных сталях до мартенсита (в легированных) и аустенита (в высоколегированных).

По назначению. По назначению стали подразделяют на конструкционные (например, цементуемые, улучшаемые), инструментальные и с особыми свойствами. К последним относят «автоматные», пружинные, шарикоподшипниковые, износостойкие, коррозионностойкие, теплоустойчивые, жаропрочные, электротехнические и другие стали. «Особые свойства» стали бывают физическими, например, с определенными магнитными характеристиками или малым коэффициентом линейного расширения: электротехническая сталь, суперинвар, химическими, например, нержавеющие, жаростойкие, жаропрочные стали.

Жаропрочные стали и сплавы. К жаропрочным, или окалиностойким, относят стали, обеспечивающие эксплуатацию изделий при температурах свыше 500 °С в течение заданного времени (их подробное изложение приведено далее, в разделе 2.13).

По содержанию легирующих элементов жаропрочные стали и сплавы разделяют на низко-, средне- и высоколегированные.

Нагруженные детали установок с температурой рабочей среды 450 – 470 °C изготовляют из хромистых сталей. Для повышения эксплуатационных характеристик в состав сталей вводят ванадий, вольфрам, молибден, ниобий, титан. Эти элементы, образуя карбиды и фазы Лавеса, увеличивают жаропрочность стали. Легирование бором, цирконием, церием, а также азотирование способствуют дополнительному увеличению ее жаропрочности (раздел 2.13).

Инструментальные стали и твердые сплавы. Низколегированные стали с небольшой прокаливаемостью применяют для изготовления инструмента, работающего при температурах до 200 – 260 °С. Из таких сталей можно изготавливать инструменты больших размеров и сложной формы.

Низколегированные стали выпускают в виде прутков, лент и прутков с повышенным качеством отделки поверхности. Для изготовления высокопроизводительного инструмента, предназначенного для работы с высокими скоростями резания, применяют быстрорежущие стали. Главным достоинством быстрорежущих сталей является высокая теплостойкость, которая обеспечивается введением значительного количества карбидообразующих элементов: W, Мо, V, Со. Быстрорежущие стали сохраняют мартенситную структуру вплоть до температур 600 – 640 °С, что позволяет повысить скорость резания в 3-5 раз по сравнению с обработкой обычным инструментом. Содержащиеся в быстрорежущих сталях легирующие элементы обусловливают уменьшение критической скорости закалки.

Стоимость быстрорежущих сталей примерно в 5-6 раз превышает стоимость легированных инструментальных сталей. Поэтому инструменты из них применяют преимущественно для резания высокопрочных и трудно обрабатываемых материалов.

Маркировка легированных сталей. Легирующие сталимаркируют цифрами и буквами, указывающими на примерный состав стали. В начале марки приводятся двузначные цифры (например, 12ХН3А), указывающие среднее содержание углерода в сотых долях процента. Русские буквы справа от цифры обозначают легирующие элементы, входящие в состав стали (табл. 2.5.).

Если после буквы, обозначающей легирующий элемент, находится цифра, то она указывает содержание этого элемента в процентах. Если цифры нет, то сталь содержит 0,8 – 1,5% легирующего элемента, за исключением молибдена и ванадия (содержание которых в сталях обычно до 0,2 – 0,3%), а также бора (в стали с буквой Р его должно быть не менее 0,0010%).

Высококачественные и особовысококачественные стали маркируют, так же как и качественные, но в конце марки высококачественной стали ставят букву А, (эта буква в середине марочного обозначения указывает на наличие азота, специально введённого в сталь), а после марки особовысококачественной через тире букву "Ш".

Отдельные группы сталей обозначают несколько иначе.

Шарикоподшипниковые стали маркируют буквами "ШХ", после которых указывают содержание хрома в десятых долях процента:

ШХ6 - шарикоподшипниковая сталь, содержащая 0,6 % хрома;

ШХ15ГС - шарикоподшипниковая сталь, содержащая 1,5 % хрома и от 0,8 до 1,5 % марганца и кремния.

Быстрорежущие стали. Обозначения марок быстрорежущих сталей начинаются с буквы Р и цифры, указывающей среднее содержание вольфрама в стали. Далее следуют буквы и цифры, определяющие массовые доли других элементов. В отличие от легированных сталей в наименованиях быстрорежущих сталей не указывается процентное содержание хрома, т.к. оно составляет около 4% во всех сталях, и углерода (оно пропорционально содержанию ванадия). Буква Ф, показывающая наличие ванадия, указывается только в том случае, если содержание ванадия составляет более 2,5%.

Р18 – быстрорежущая сталь, содержащая в среднем 18,0 % вольфрама.

Обозначения корозионно - стойких (нержавеющих), жаростойких и жаропрочных сталей согласно ГОСТ 5632-72 состоят из цифр и строятся по тем же принципам, что и обозначения конструкционных легированных сталей. В обозначения литейных корозионно-стойких сталей такого вида добавляется буква Л.

08Х18Н10Т имеет состав 0,08% C, 17,0-19,0 % Cr, 9,0-11,0 % Ni, 0.5 -0.7 % Ti, литейная сталь

Опытные стали, выплавленные на заводе «Электросталь», первоначально обозначают буквами ЭИ (электросталь исследовательская) или ЭП (электросталь пробная) с порядковым номером разработки (освоения), например ЭИ962 (11Х11Н2В2МФ), ЭПЗЗ (10Х11Н23ТЗМР). Такое упрощенное обозначение сталей, особенно высоколегированных, в дальнейшем широко используется и в заводских условиях.

При маркировке сплавов на железоникелевой основе указывается количественное содержание никеля (в процентах) с перечислением лишь буквенных обозначений остальных легирующих элементов, например ХН38ВТ, ХН45МВТЮБР.

03Х16Н15М3Б - высоко легированная качественная сталь, спокойная содержит 0,03% углерода, 16,0% хрома, 15,0% никеля, до 3,0% молибдена, до 1,0% ниобия.

Виды сталей, их марки, состав, области применения (примеры).

Сталь инструментальная углеродистая

У7, У7А, У8, У8А, У8Г, У8ГА, У9, У9А, У10, У10А, У11, У11А, У12, У12А, У13А

Сплав жаропрочный

10Х15Н35В3ТЮ; ХН35ВТР; ХН45Ю; ХН56ВМКЮ; ХН60Ю; ХН70ВМТЮФ; ХН32Т; ХН65ВМТЮ; ХН75ВМЮ; ХН78Т

Сталь для отливок с особыми свойствами

07Х17Н16ТЛ; 08Х15Н4ДМЛ; 10Х12НДЛ; 10Х18Н3Г3Д2Л; 120Г10ФЛ; 12Х25Н5ТМФЛ; 15Х18Н22В6М2Л; 15Х13Л; 10Х18Н9Л; 07Х18Н9Л.

Сталь для отливок обыкновенная

03Н12Х5М3ТЛ; 110Г13Л; 12Х7Г3СЛ; 15ГЛ; 20ГЛ; 20Л; 20ХМЛ; 25Л; 27Х5ГСМЛ; 12ДН2Ф.

Сталь жаропрочная высоколегированная

08Х15Н24В4ТР; 08Х20Н14С2; 09Х16Н16МВ2БР; 10Х11Н20Т3Р; 10Х15Н25М3В3ТЮК; 10Х7МВФБР; 12Х25Н16Г7АР; 13Х12Н2В2МФ; 15Х18СЮ; 18Х12ВМБФР.

Сталь жаропрочная низколегированная

12МХ; 15Х5ВФ; 15ХМФКР; 12Х1МФ; 15Х1М1Ф; 15Х5М; 16ГНМ; 12Х2МФБ; 15ХМ.

Сталь жаропрочная релаксационностойкая

20Х1М1Ф1БТ; 25Х1М1Ф; 30ХМА; 20Х1М1Ф1ТР; 25Х1МФ; 35ХМ; 20Х3МВФ; 25Х2М1Ф; 38Х2МЮА; 20ХМФБР.

Сталь инструментальная легированная

05Х12Н6Д2МФСГТ; 13Х; 5ХВ2СФ; 6Х4М2ФС; 8Х6НФТ; 9Х5ВФ; 9ХФМ; ХВ4Ф; 9Г2Ф; 6Х3МФС.

Сталь инструментальная штамповая

27Х2Н2М1Ф; 3Х3М3Ф; 4Х3ВМФ; 4Х5МФС; 5Х3В3МФС; 6ХВ2С; 7ХГ2ВМ; Х12; 5Х2МНФ; 4Х2НМФ.

Сталь инструментальная быстрорежущая

11М5Ф; Р12; Р18К5Ф2; Р2М5; Р6М5Ф3; Р9М4К8; 11Р3АМ3Ф2; Р12Ф3; Р18Ф2; Р9.

Сталь инструментальная валковая

45ХНМ; 60ХН; 75ХСМФ; 9X2; 55X; 60ХСМФ; 7Х2СМФ; 9Х2МФ; 60Х2СМФ; 75ХМ.

Сталь конструкционная низколегированная для сварных конструкций

06Г2СЮ; 09Г2Д; 10Г2БД; 10ГТ; 12Г2Б; 12ХГН2МФБАЮ; 14ХГС; 15Г2СФД; 08Г2С; 10Г2С1.

Сталь конструкционная подшипниковая

11Х18М-ШД; ШХ20СГ; 8Х4В9Ф2-Ш; ШХ4; ШХ15; ШХ15СГ.

Сталь конструкционная легированная

10Г2; 12ХН; 14Х2ГМР; 15Н2М; 15ХФ; 18Х2Н4МА; 20Г; 20Х2Н4А; 15ХА; 12ХН3А.

Сталь конструкционная повышенной обрабатываемости

А11; A35; А45Е; АС14ХГН; АС35Г2; АС45Г2; A12; А35Е; АС30ХМ; А40ХЕ;

Сплав прецизионный с высоким электрическим сопротивлением

© 2014-2022 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.022)

Легирующие элементы и примеси в сталях: краткий справочник

Характеристики углеродистых сталей далеко не всегда соответствуют требованиям, которые предъявляют к материалам различные отрасли промышленности. Чтобы откорректировать их свойства, используют легирование.

Чем отличаются легирующие элементы от примесей

В углеродистых сталях, помимо основных элементов – железа и углерода, есть и другие: марганец, сера, фосфор, кремний, водород и прочие. Их считают примесями и делят на несколько групп:

К постоянным относят серу, фосфор, марганец и кремний. Они всегда содержатся в стали в небольших количествах, попадая в нее из чугуна или используясь в качестве раскислителей.
К скрытым относят водород, кислород и азот. Они тоже присутствуют в любой стали, попадая в нее при выплавке.
К случайным относят медь, мышьяк, свинец, цинк, олово и прочие элементы. Они попадают в сталь из шихтовых материалов и считаются особенностью руды.

Для каждой из перечисленных примесей характерно определенное процентное содержание. Так, марганца в стали, как правило, не более 0,8 %, кремния – не более 0,4 %, фосфора – не более 0,025 %, серы – не более 0,05 %. Если обычного содержания некоторых элементов недостаточно, для получения сталей с нужными свойствами в них дополнительно вносят в определенных количествах специальные примеси, которые называют легирующими добавками.

Химический состав стали, формируемый в процессе выплавки, напрямую влияет на ее механические свойства

Как примеси влияют на свойства сталей

Примеси оказывают разное влияние на характеристики сталей:

Углерод (С) повышает твердость, прочность и упругость сталей, но снижает их пластичность.
Кремний (Si) при содержании в стали до 0,4 % и марганец при содержании до 0,8 % не оказывают заметного влияния на свойства.
Фосфор (P) увеличивает прочность и коррозионную стойкость сталей, но снижает их пластичность и вязкость.
Сера (S) повышает хрупкость сталей при высоких температурах, снижает их прочность, пластичность, свариваемость и коррозионную стойкость.
Азот (N₂) и кислород (O₂) уменьшают вязкость и пластичность сталей.
Водород (H₂) повышает хрупкость сталей.

Как легирующие элементы влияют на свойства сталей

Легирующие добавки вводят в стали для изменения их характеристик:

Хром (Cr) повышает твердость, прочность, ударную вязкость, коррозионную стойкость, электросопротивление сталей, одновременно уменьшая их коэффициент линейного расширения и пластичность.
Никель (Ni) увеличивает пластичность, вязкость, коррозионную стойкость и ударную прочность сталей.
Вольфрам (W) повышает твердость и прокаливаемость сталей.
Молибден (Mo) увеличивает упругость, коррозионную стойкость, сопротивляемость сталей растягивающим нагрузкам и улучшает их прокаливаемость.
Ванадий (V) повышает прочность, твердость и плотность сталей.
Кремний (Si) увеличивает прочность, упругость, электросопротивление, жаростойкость и твердость сталей.
Марганец (Mn) повышает твердость, износоустойчивость, ударную прочность и прокаливаемость сталей.
Кобальт (Co) увеличивает ударную прочность, жаропрочность и улучшает магнитные свойства сталей.
Алюминий (Al) повышает жаростойкость и стойкость сталей к образованию окалины.
Титан (Ti) увеличивает прочность, коррозионную стойкость и улучшает обрабатываемость сталей.
Ниобий (Nb) повышает коррозионную стойкость и устойчивость сталей к воздействию кислот.
Медь (Cu) увеличивает коррозионную стойкость и пластичность сталей.
Церий (Ce) повышает пластичность и прочность сталей.
Неодим (Nd), цезий (Cs) и лантан (La) снижают пористость сталей и улучшают качество поверхности.

Виды легированных сталей

В зависимости от содержания легирующих элементов, стали делят на три вида:

Если легирующих элементов менее 2,5 %, стали относят к низколегированным.
При их содержании от 2,5 до 10 % стали считаются среднелегированными.
Если легирующих элементов более 10 %, стали относят к высоколегированным.

Заключение

Примеси неизбежно присутствуют в сталях, но ряд из них являются вредными (к ним относятся скрытые примеси), поэтому их содержание стараются минимизировать. Легирующие элементы добавляют в стали целенаправленно для улучшения их свойств или получения специфических характеристик.

Как химический состав сталей влияет на их механические свойства?

На сегодняшний день сталеплавильные заводы могут выплавлять сотни марок сталей. Есть четыре основных параметра для их классификации:

По назначению стали могут быть конструкционными, инструментальными или специальными. Первые используют для изготовления деталей машин или элементов строительных конструкций; инструментальные оптимальны для изготовления мерительного, режущего или штампового инструмента; специальные востребованы для получения жаропрочных, коррозионностойких и прочих изделий с особыми характеристиками.
По качеству различают стали обыкновенные, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Чем выше качество, тем меньше в стали вредных примесей, ухудшающих ее свойства.
По степени раскисления стали бывают кипящими, полуспокойными и спокойными. Такое деление тоже связано с количеством вредных примесей. В первую очередь – кислорода.
По химическому составу различают углеродистые и легированные стали. У первых механические свойства напрямую зависят от количества содержащегося в них углерода, у вторых – от наличия и содержания легирующих элементов.

Характеристики сталей формируются в процессе их выплавки

Какие элементы могут входить в состав сталей

Элементы, которые входят в состав сталей, можно разбить на три группы:

К первой относятся основные элементы, которые обязательно присутствуют во всех сталях: железо и углерод.
Ко второй – примеси. Их в свою очередь можно разделить еще на три группы:

Фосфор, сера, кремний и марганец по-разному влияют на свойства сталей, но всегда есть в небольших количествах, поэтому их относят к постоянным.
Кислород, водород и азот тоже есть во всех сталях, но все они нежелательны и отрицательно влияют на свойства. Их относят к скрытым.
Мышьяк, медь, цинк, свинец, олово и ряд других элементов встречаются не в каждой марке стали. Их присутствие – особенность месторождений, где добывают руду. Такие примеси считают случайными.

К третьей группе относят легирующие элементы: хром, ванадий, молибден, вольфрам и прочие. Их целенаправленно добавляют в стали для получения нужных свойств.

Как различные химические элементы влияют на свойства сталей

Химические элементы по-разному влияют на механические свойства сталей:

Основные элементы:

Углерод (С) оказывает прямое влияние на способность стали сопротивляться деформации. При увеличении его содержания возрастают твердость, прочность и упругость, но одновременно снижаются свариваемость, обрабатываемость и вязкость.

Примеси:

Фосфор (Р) оказывает положительное влияние на коррозионную стойкость, обрабатываемость и прочность сталей, но ухудшает их вязкость, пластичность и повышает хрупкость при низких температурах.
Сера (S) улучшает обрабатываемость сталей резанием, но повышает их хрупкость при высоких температурах, снижает коррозионную стойкость, пластичность, истираемость, свариваемость и сопротивление усталости.
Кремний (Si) способствует повышению прочности, упругости, окалиностойкости, кислотостойкости, твердости и электросопротивления, но при содержании более 2 % делает их хрупкими при высоких температурах.
Кислород (О₂) снижает вязкость и пластичность сталей.
Марганец (Mn) считается полезной примесью: он нейтрализует вредное влияние на свойства сталей серы и кислорода. Кроме того, этот элемент повышает прочность, твердость, износоустойчивость и стойкость к ударным нагрузкам.
Водород (Н₂) увеличивает хрупкость сталей.
Азот (N₂) оказывает такое же вредное влияние на свойства сталей, как и кислород: снижает их вязкость и пластичность.
Медь (Cu) улучшает пластичность и коррозионную стойкость.
Свинец (Pb) улучшает обрабатываемость.
Цинк (Zn) повышает коррозионную стойкость сталей.
Олово (Sn) снижает пластичность и повышает хрупкость сталей.
Мышьяк повышает коррозионную стойкость, но незначительно снижает их пластичность.

Прочность и долговечность зависят от механических свойств металлопроката, которые задаются химическим составом сталей

Легирующие элементы:

Хром (Cr) увеличивает твердость, коррозионную стойкость, ударную вязкость, истираемость, жаростойкость, улучшает режущие свойства сталей, но одновременно ухудшает их теплопроводность и пластичность.
Ванадий (V) способствует росту прочности и твердости, улучшению их свариваемости.
Молибден (Мо) улучшает антикоррозионные свойства сталей, их прочность, твердость, устойчивость к ударным нагрузкам, упругость, окалиностойкость, но ухудшает свариваемость.
Вольфрам (W) увеличивает твердость, сопротивление истираемости, антикоррозионные свойства, но, как и молибден или ванадий, ухудшает свариваемость.
Ниобий (Nb) положительно влияет на коррозионную стойкость и кислотостойкость сталей.
(Ti) увеличивает пластичность, прочность, антикоррозионные свойства сталей, улучшает их обрабатываемость.
Никель (Ni) способствует увеличению упругости, прочности, коррозионной стойкости, улучшает ковкость сталей, но снижает их теплопроводность.
Кобальт (Co) положительно влияет на показатели жаропрочности, их сопротивляемость ударным нагрузкам и магнитные свойства.
Алюминий (Al) считается хорошим раскислителем. Он способствует повышению прочности, твердости, окалиностойкости и жаростойкости сталей.
Церий (Се) положительно влияет на показатели пластичности и прочности.
Неодим (Nd) уменьшает количество серы в сталях и снижает ее вредное влияние на свойства, уменьшает пористость, улучшает качество поверхности. Аналогичное влияние на характеристики сталей оказывают лантан (La) и цезий (Cs).

Химические элементы могут ухудшать или улучшать отдельные характеристики сталей. Часть из них неизбежно оказывается в их составе, другие добавляют целенаправленно. От правильно подобранного баланса и зависят конечные свойства сталей.

Легирование стали

Сталь представляет собой сплав железа (не меньше 45%) и углерода (до 2,14%). Последний повышает прочностные характеристики металлов, при этом, если сравнивать с химически однородным металлом, понижает их пластичность. В процессе производства стали концентрация углерода специально доводится до необходимых значений. Контроль за содержанием углерода позволяет получать несколько видов стали:

Низкоуглеродистую – содержание углерода не более 0,25%.
Среднеуглеродистую – не более 0,6%.
Высокоуглеродистую – 0,6 – 2,14%.

В металле также могут обнаруживаться и иные примеси, поэтому стали классифицируются как легированные и нелегированные. Последние представляют собой железно-углеродный сплав, в составе которого присутствуют и другие элементы в виде примесей или добавок меньше установленного предельного содержания.

Легированные стали

Элементы, содержание которых превышает обычное предельное значение, указанное в стандартах, называются легирующими добавками. Изменение химического состава металла путем введения легирующих добавок называется легированием стали. Основные цели легирования:

повышение прокаливаемости;
получение специфических прочностных свойств;
вызов желаемых структурных изменений;
получение специальных химических или физических свойств;
улучшение и упрощение технологии термообработки;
повышение коррозионной стойкости и устойчивости к различным температурам.

Исходя из вышесказанного следует, что легирование стали – это металлургический процесс плавки, в ходе которого в него вводятся различные добавки. Добавление легирующих элементов производится двумя способами:

Объемным – компоненты проникают в глубинную структуру материала путем их добавления в шихту или расплав.
Поверхностный – введение легирующих компонентов только верхний слой стали, на глубину 1-2 мм. Такой способ придает материалу определенные свойства, к примеру, антифрикционные.

Легирующие элементы

Хром – увеличивает прочность и твердость, повышает ударную вязкость. В инструментальные стали добавляется для повышения прокаливаемости. В случае нержавеющих сталей – определяет коррозионную стойкость.
Никель – повышает прочность и твердость при сохранении высокой ударной вязкости. Понижает пороговую температуру хрупкости. Это влияет на хорошую прокаливаемость сталей, особенно при участии хрома и молибдена.
Марганец - повышает твердость и прочность за счет пластических свойств. Марганцевая сталь характеризуются повышенным пределом упругости и более высокой стойкостью к истиранию.
Кремний – в металлургическом процессе играет роль раскислителя. Его добавление увеличивает прочность и твердость стали.
Молибден – повышает прокаливаемость сталей больше, чем хром и вольфрам. Уменьшает хрупкость металла после высокого отпуска.
Алюминий – сильно раскисляет, предотвращает рост аустенитных зерен.
Титан – понижает зернистость, что приводит к большей устойчивости к появлению расколов и трещин. Улучшает восприимчивость к металлообработке.

Легирующих добавок может быть несколько, и для получения тех или иных характеристик их введение может производиться на разных этапах плавки.

Помимо того, что в состав стали вводят различные добавки, в самом материале также присутствуют примеси, которые полностью убрать из состава невозможно:

Углерод – способствует повышению твердости, прочности и ударостойкости. Однако его превышение в составе металла понижает пластичность и все вышеперечисленные характеристики.
Марганец – раскислитель, защищающий от кислорода и серы.
Сера – высоким считается ее содержание выше 0,6%, что плохо сказывается на пластичности, прочности, свариваемости и коррозионной устойчивости.
Фосфор – ведет к повышению текучести и хрупкости, понижает вязкость и пластичность.
Кислород, азот, водород – делают сплав более хрупким, снижают показатели его выносливости.

Применение

Благодаря таким характеристикам, как прочность, устойчивость к нагрузкам, твердость, уменьшение намагниченности и нужный уровень вязкости, легированную сталь используют в самых разных сферах человеческой деятельности. Из нее производят:

медицинские инструменты, в том числе, и режущие;
детали с высокой опорной и радиальной нагрузкой;
элементы станков для металлообработки;
нержавеющую посуду;
детали автомобилей;
аэрокосмические детали;
пресс-формы и другие элементы для горячей штамповки, сохраняющие свои свойства при температуре до + 600 градусов;
измерительные приборы и так далее.

Классификация легированных сталей

Принимая принцип разделения по структуре, образованной в условиях медленного охлаждения стали в диапазоне температур, близких к солидусу, или в отожженном состоянии, сталь можно классифицировать следующим образом:

подевтектоид с ферритно-перлитной структурой;
эвтектоид с перлитной структурой;
гиперэвтектоид, содержащий вторичные карбиды, отделенные от аустенита;
ледебуритная сталь, в структуре которой встречаются первичные карбиды, выделившиеся при кристаллизации;
ферритная или аустенитная с осаждением карбидов или интерметаллических фаз. Обычно это стали с высоким содержанием легирующих элементов и низким содержанием углерода;
ферритно-мартенситная или ферритно-аустенитная сталь с наиболее часто высокотемпературным ферритом δ.

Все марки легированных сталей разделяют на три подвида в зависимости от количества полезных примесей:

Низколегированная – процентное содержание добавок около 2,5%. Прибавление некоторых положительных качеств при практически неизменных основных характеристиках.
Среднелегированная – процентное содержание добавок около 10%. Наиболее часто используемое соединение.
Высоколегированная – процентное содержание добавок варьируется от 10 до 50%. Высоколегированная сталь является максимально прочной и дорогой.

Независимо от того, какое процентное содержание добавок в составе металла, сталь разделяется на 3 подвида:

Инструментальная – жаропрочный материал, используемый при производстве станочных и ручных инструментов (сверла, фрезы, стальные резцы и так далее).
Конструкционная – прочная сталь, способная выдерживать высокие динамические и статические нагрузки. Используется при изготовлении двигателей и стальных механизмов в машиностроении, применяется в сфере строительства и станкостроения.
С особыми свойствами – сталь, отличающаяся химической и термической устойчивостью (нержавеющая, кислотостойкая, магнитная, износостойкая, трансформаторная и другие виды). Ряд исследователей предлагают отдельное деление для данного вида сталей:

Жаропрочные – способны выдерживать температуру до 1000 градусов.
Окалиностойкие и жароустойчивые – стали, невосприимчивы к распаду.
Устойчивые к коррозии – применяются при производстве изделий, работающих в условиях высокой влажности.

Марки

В СНГ используется буквенно-цифровая маркировка легированных сталей. Буквами обозначают основные легирующие добавки, цифрами, идущими следом за буквами, обозначают процент их содержания в сплаве (округляя до целого числа). Если в металле присутствует не более 1,5% той или иной добавки, цифра не ставится. Процентное содержание углерода × 100 указывается вначале наименования стали. Буква A, стоящая в середине маркировки, указывает на содержание азота. Если две буквы A стоят в конце, это указывает на особо чистую сталь. Буква Ш в конце обозначает сталь особо высокого качества.

Маркировка может быть дополнена и другими обозначениями, к примеру:

Э — электротехническая;
P — быстрорежущая;
A — автоматная;
Л — полученная литьем.

Исчерпывающие перечни марок легированной стали указаны в ГОСТ 4543-71.

Оформите заявку на сайте, мы свяжемся с вами в ближайшее время и ответим на все интересующие вопросы.

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

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: