Применение легированных сталей. классификация и маркировка сплавов

Классификация легированных сталей

С развитием новых технологий, появлением разных легированных сталей, их нужно было классифицировать.

Разделение по количеству углерода, содержащегося в сплаве:

1. Высокоуглеродистые — более 0.65%.
2. Среднеуглеродистые — от 0.25% до 0.65%.
3. Низкоуглеродистые — менее 0.25%.

Разделение по процентному содержанию легирующих добавок:

1. Низколегированные — до 5% (по некоторым источникам до 2.5%).
2. Среднелегированные — до 10%.
3. Высоколегированные — 10–50%.

По внутренней структуре легированные стали бывают:

1. Эвтектоидные — перлитная структура.
2. Ледебуритные — наличие первичных карбидов в структуре.
3. Доэвтектоидные — присутствие избыточных ферритов, насыщающих состав.
4. Заэвтектоидные — наличие вторичных карбидов в сплаве.

По назначения эти материалы можно разделить на две больших группы:

1. Строительные — для изготовления металлоконструкций, которые во время последующей эксплуатации не будут подвергаться критическим температурам.
2. Машиностроительные — используются при изготовлении деталей для разных механизмов, корпусов.

Машиностроительные стали бывают:

1. Цементуемые — при изготовлении проходят процесс цементации, а затем закалки.
2. Жаропрочные — среднеуглеродистые стали. Применяются при изготовлении изделий, использующихся в сфере энергетики.
3. Улучшаемые — материалы, проходящие дополнительную закалку. Из них изготавливаются детали, подвергающиеся большим нагрузкам.

Легированная сталь высокоуглеродистая

Стали углеродистые качественные конструкционные

Являются основным металлом для изготовления деталей машин (валов, шпинделей, осей, зубчатых колес, шпонок, муфт, фланцев, фрикционных дисков, винтов, гайек, упоров, тяг, цилиндров гидроприводов, эксцентриков, звездочек цепных передач и др.), которые при взаимодействии в работающей машине воспринимают и передают различные по величине нагрузки. Эти металлы хорошо обрабатываются давлением и резанием, льются и свариваются, подвергаются термической, термомеханической и химико-термической обработке.

Различные специальные виды обработки обеспечивают вязкость, упругость и твердость сталей, позволяют делать из них детали, вязкие в сердцевине и твердые снаружи, что резко увеличивает их износостойкость и надежность. Из углеродистых качественных конструкционных сталей производят прокат, поковки, калиброванную сталь, сталь серебрянку, сортовую сталь, штамповки и слитки.

Таблица 3. Основные свойства стали углеродистой качественной конструкционной

Марка	Механические свойства	Физические свойства	Технологические свойства
σт	σв	δ, %	ан Дж/см2	НВ	γ, г/см3	λ, Вт/(м ·°С)	α·106 ,1/°С	обрабаты- ваемость резанием	сварива- емость	интервал температур ковки,°С	пластичность при холодной обработке	*горяче- катаная **отож- женная
МПа
08	196	324	33	—	126	7,83	811	11,6	В	ВВ	800-1300	ВВ	*
10	206	321	31	—	140	7,83	811	11,6	В	ВВ	800-1300	ВВ	*
15	225	373	27	—	145	7,82	770	11,9	В	ВВ	800-1250	ВВ	*
20	245	412	25	—	159	7,82	770	11,1	В	ВВ	800-1280	В	*
25	274	451	23	88	166	7,82	732	11,1	В	ВВ	800-1280	В	*
30	294	490	21	78	175	7,817	732	12,6	В	В	800-1250	В	*
35	314	529	20	69	203	7,817	732	11,09	В	В	800-1250	В	*
40	321	568	19	59	183	7,815	596	12,4	В	У	800-1250	У	**
45	363	598	16	49	193	7,814	680	11,649	В	У	800-1250	У	**
50	373	627	14	38	203	7,811	680	12,0	У	У	800-1250	У	**
55	382	647	13	—	212	7,82	680	11,0	У	Н	800-1250	Н	**
60	402	676	12	—	224	7,80	680	11,1	У	Н	800-1240	Н	**
Примечание. Н — низкая, У — удовлетворительная, В — высокая, ВВ — весьма высокая.

Качественные конструкционные стали обладают более высокими механическими свойствами (ГОСТ 1050-88), чем стали обыкновенного качества, за счет меньшего содержания в них фосфора, серы и неметаллических включений. По видам обработки их делят на горячекатаную, кованую, калиброванную и серебрянку (со специальной отделкой поверхности).

Обозначение марки стали составляют из слова «Сталь» и двузначной цифры, которая указывает на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, Сталь 25 содержит 0,25% углерода (допустимое количество углерода — 0,220,30 %), Сталь 60-0,60 % (допустимое количество -0,57-0,65%). Степень раскисления в марках спокойных сталей не отражается, а в марках полуспокойных и кипящих сталей, как и сталей обыкновенного качества, обозначается буквами «пс» и «кп» соответственно. В качественных конструкционных сталях всех марок допускается содержание серы не более 0,040% и фосфора — не более 0,035%.

Основные свойства углеродистой качественной конструкционной стали приведены в табл. 3, основное назначение — в табл. 4. Цвета маркировки приведены в табл. 5.

Таблица 4. Стали углеродистые качественные конструкционные, их основное назначение

Марка стали	Основное назначение
Сталь 08кп, 10	Детали, изготовляемые холодной штамповкой и холодной высадкой, трубки, прокладки, крепеж, колпачки. Цементируемые и цианируемые детали, не требующие высокой прочности сердцевины (втулки, валики, упоры, копиры, зубчатые колеса, фрикционные диски)
Сталь 15, 20	Малонагруженные детали (валики, пальцы, упоры, копиры, оси, шестерни). Тонкие детали, работающие на истирание, рычаги, крюки, траверсы, вкладыши, болты, стяжки и др.
Сталь 30, 35	Детали, испытывающие небольшие напряжения (оси, шпиндели, звездочки, тяги, траверсы, рычаги, диски, валы)
Сталь 40, 45	Детали, от которых требуется повышенная прочность (коленчатые валы, шатуны, зубчатые венцы, распределительные валы, маховики, зубчатые колеса, шпильки, храповики, плунжеры, шпиндели, фрикционные диски, оси, муфты, зубчатые рейки, прокатные валики и др.)
Сталь 50, 55	Зубчатые колеса, прокатные валики, штоки, бандажи, валы, эксцентрики, малонагруженные пружины и рессоры и др. Применяют после закалки с высоким отпуском и в нормализованном состоянии
Сталь 60	Детали с высокими прочностными и упругими свойствами (прокатные валки, эксцентрики, шпиндели, пружинные кольца, пружины и диски сцепления, пружины амортизаторов). Применяют после закалки или после нормализации (крупные детали)

Таблица 5. Цвета маркировки стали углеродистой качественной

Группа	Цвет краски
Сталь 08, 10, 15, 20	Белый
Сталь 25, 30, 35, 40	Белый и желтый
Сталь 45, 50, 55, 60	Белый и коричневый

Основные цели легирования

Слово «легирование» происходит от немецкого «legieren» (связывать, соединять). Положительное воздействие легирующих компонентов на свойства стали связано с обеспечиванием протекания двух физико-химических процессов.

Процесс №1

Образование термодинамических устойчивых растворов замещения, сопровождающееся замещением части атомов (ионов) железа в его кристаллической решётке (ионами) легирующего элемента. Это ведёт к искажению кристаллической решётки железа, поскольку радиусы ионов (катионов) легирующих элементов отличаются от радиуса катионов железа, что повышает твёрдость и прочность железа с сохранением его пластичности.

Процесс №2

Возникновение прочных и практически нерастворимых в жидком железе химических соединений между введёнными в расплавленный металл легирующими добавками и растворёнными в нём неметаллами (кислород, азот, сера, углерод и др.).

Результатами образования таких соединений являются:

• снижение остаточного содержания в расплавленном металле растворенных неметаллов, ухудшающих его качество;
• уменьшение общего объёма вредных примесей (растворённых и в виде неметаллических включений) в стали.

А также происходит выделение (выпадение) из жидкого металла таких мелких неметаллических включений, которые служат центрами кристаллизации и приводят к получению мелкозернистой первичной и вторичной структуры стали. Благодаря этому она имеет лучшую пластичность, малую анизотропность свойств после прокатки и т. д. Выделяющиеся во время кристаллизации мелкие неметаллические включения обладают склонностью скапливаться на поверхности растущих кристаллов, понижая скорость роста граней, а это, в свою очередь, уменьшает зернистость стали.

Что такое легированная сталь

Это углеродистая сталь для улучшения технологических свойств которой введены специальные легирующие элементы. Процент добавок в составе невелик, но даже при незначительной концентрации, физические свойства металла улучшаются в несколько раз.

В зависимости от вида используемых добавок при производстве стали металл приобретает следующие свойства:

• неподверженность коррозии;
• упругость;
• тугоплавкость;
• прочность.

Для придания перечисленных качеств в состав добавляют следующие металлы:

• хром;
• никель;
• молибден;
• вольфрам;
• медь.

Видео:

Это интересно: Особенности и виды отпуска стали как способа термообработки металла

Что означают добавки легированной стали и их влияние на свойства

Мы уже упоминали, что некоторые компоненты могут быть как обязательными, так и специальными примесями – в зависимости от их количества. Различные марки могут содержать:

Элемент
Влияние
Хром
Значительно защищает от коррозии, способствует повышению твердости, а также ударопрочности

Показательно то, что много хрома добавляют в нержавейку.
Никель
С добавлением данного вещества сплав становится более вязкий и пластичный, уменьшается его хрупкость, что очень важно, например, перед обработкой давлением – прессованием или штамповкой.
Титан
Снижает зернистость, делает структуру более однородной, а значит, менее подверженной появлению трещин и расколов. Дополнительно улучшается восприимчивость к металлообработке и устойчивость к ржавлению.
Ванадий
Как и после внедрения титана, можно заметить менее зернистую форму

Также характерно увеличение текучести и порога прочности на разрыв.
Молибден
После него намного эффективнее процесс закалки, а также снижается хрупкость, появляется большая выносливость к ржавлению.
Вольфрам
Кроме повышения твердости, он еще и помогает при термообработке – зернистость не увеличивается при нагреве, а при отпуске не сильно страдает ломкость.
Кремний
Его задача – одновременное увеличение прочности и сохранение уровня вязкости. Но если его будет более 15%, то можно наблюдать за повышением магнитной проницаемости и сопротивляемости электричеству. однако нужно быть осторожным, поскольку сталь становится более хрупкой.
Кобальт
Хорошо защищает от быстрого разрушения под воздействием высоких температур; делает выше ударопрочность
Алюминий
Добавляет окалиностойкость, то есть при большом жаре не происходит быстрого окисления.

Мы перечислили основные добавки, которые применяются при легировании. Также сделаем отдельную таблицу для примесей, которые невозможно полностью убрать из состава.

Элемент	Влияние
Углерод	Очень сильно повышает прочность, твердость, ударостойкость, предел текучести. Но есть строгие ограничения по его добавлению. проще говоря, если его будет более 1,2 – 1,4 процента, то все перечисленные характеристики, напротив, пойдут на спад вместе с пластичностью.
Марганец	Выше мы представили его значимость в качестве раскислителя. Но вещество защищает не только от кислорода, но и от серы, а зачем защищать, читаем ниже.
Сера	Высоким называется уже ее содержание, превышающее 0,6%. Примесь в такой концентрации приводит к плохой свариваемости, сниженной прочности, пластичности и коррозионной устойчивости. в общем, этот ингредиент не приносит никакой пользы, только вред.
Фосфор	Его наличие может привести к завышенному показателю хрупкости и текучести, а также к понижению вязкости и пластичности.
Азот, водород и кислород	Газы способствуют разрыхлению структуры, из-за чего сплав становится хрупким, менее выносливым к нагрузкам и недостаточно вязким.

Характеристики

Высоколегированная разновидность обладает такими характеристиками и качествами, которые позволяют использовать продукцию из нее во многих сферах. Итак, этот материал имеет следующие характеристики:

• высокий уровень прочности (достигается термической обработкой);
• стойкость к воздействию коррозии;
• устойчивость к деформациям;
• высокая степень пластичности;
• отсутствие магнитных свойств (сплавы, применяемые в автомобилестроении);
• закаленность;
• упругость;
• легкая свариваемость.

В связи с тем, что состав металла может быть различным, и свойства могут быть разными. Структуру можно изменить легирующими элементами и термической обработкой. Так, у исполнителя появляется возможность «подогнать» свойства материала к требованиям того или иного проекта. Например, хромистый металл может содержать в себе никель, дающий возможность обеспечить поверхности хладноломкость и высокие антикоррозийные свойства.

С помощью сварки таких металлов можно получить качественные изделия, которые можно применять в условиях любого климата. Так, технология штампосварки дает возможность применять конечное изделие при очень низких температурных показателях. Обработка с помощью кремния придает стали стойкость к воздействию сильных кислот.

Высоколегированная сталь обладает высочайшей твердостью и устойчивостью к истиранию.

Этот материал также классифицируется по своим тепловым свойствам. По этому критерию различают следующие типы:

• Платинит — применяется в производстве электродов для лампочек накаливания.
• Элинвар — прекрасно подходит для изготовления измерительных приспособлений и пружин для часов.
• Инвар — используется при создании калибровочных компонентов, эталонов.

Интересной особенностью коррозионных стальных сплавов также считается их магнитность. Потому принято различать магнитные и немагнитные высоколегированные стали.

Всем известно отличие стальных конструкций от чугунных аналогов. Фактически, две раз новидности черного металла различаются по концентрации углерода относительно железа. Предельная величина концентрации углерода составляет 2.14% и выбрана не случайно. Это пороговое значение растворимости элемента C в аустените – высокотемпературной модификации Fe с гранецентрированной решеткой. Современные технологии позволяют преодолевать предельное значение: содержание углерода в высокоуглеродистых сталях составляет до 3.4%.

Впрочем, суть эпилога в другом: сталь – это легированное углеродом железо, а добавление других металлов, позволяет управлять свойствами черного металла. Процесс аналогичен игре ребенка с конструктором, когда, зачастую, только практический эксперимент позволяет определить эффективность легирования. Действительно, влияние легирующих элементов на свойства стали — часто остается на эмпирическом уровне и не следует определенной логике. Исключение составляет, пожалуй, только Ванадий – элемент, добавление которого к стали позволяет улучшить такие характеристики, как ковкость и твердость.

Основные особенности

Высоколегированная сталь помимо углерода и железа содержит большое количество легирующих добавок (от 10 до 50%). В качестве дополнительных компонентов: хром, никель, кремний, марганец, вольфрам, молибден, ванадий, алюминий, кобальт, титан, а также различные редкоземельные металлы.

Чаще всего в качестве дополнительных компонента выступает хром и никель — остальные компоненты обычно содержатся в небольших количествах. Хотя есть и некоторые исключения: простой пример — аустенитные марки высоколегированных сталей могут содержать марганец в концентрации от 1 до 15%.

Причины внесения легирующих добавок очень простые — они изменяют структуру и физические свойства стального сплава, что позволяет человеку получить металл с нужными свойствами.

Категории

Категории высоколегированных сталей в зависимости от их физических свойств:

Окалиностойкие (жаростойкие) высоколегированные стали. Основная особенность подобных сплавов — полная устойчивость к умеренно-высоким температурам (до 550 градусов по Цельсию) окружающей среды в ненагруженном состоянии. Иными словами, подобные стали хорошо выдерживают перегрев в течение длительного времени в том случае, если им не нужно держать какой-либо тяжелый вес
Обратите внимание, что помимо высоких температур окалиностойкие стали также хорошо переносят длительное воздействие химических реагентов средней степени токсичности.
Жаропрочные высоколегированные стали. По названию можно подумать, что жаропрочные и жаростойкие сплавы — это одно и то же, однако это не совсем так
Жаропрочные сплавы выдерживают высокие температуры (до 800 градусов и выше) в состоянии высокой нагрузки, но в течение короткого времени. Иными словами, подобные сплавы выдерживают большой нагрев в течение небольшого срока (тогда как жаростойкие сплавы выдерживают средний нагрев в течение долгого времени). Кратковременная устойчивость также распространяется и на высокотоксичные химические реагенты.
Антикоррозийные (нержавеющие) стальные сплавы. Обладают полной устойчивостью ко всем основным видам коррозии (поверхностная, кристаллическая, электрохимическая и так далее). Обратите внимание, что в состав подобных сплавов легирующие компоненты равномерно распределяются по всему стальному сплаву, что делает материал равномерно устойчивым ко всем антикоррозийным воздействиям

Почему это так важно? Простой пример: при хромировании формируется только внешнее антикоррозийное покрытие, которое может повреждаться или стираться по естественным причинам — высоколегированные сплавы содержат антикоррозийные добавки по всему металлу, что делает подобные сплавы более устойчивыми.

Применение

Высоколегированные стали нашли свое широкое применение в быту. Из них делают различные детали — для автомобилей (грузовых, легковых, электрических и так далее), кораблей, самолетов, танков. Также высоколегированные стали очень часто используются в строительстве для создания несущих конструкций балочного типа.

Легирующие компоненты в таком случае могут играть множество ролей — они делает материал более жаростойким, они улучшают его антикоррозийные свойства и так далее. Также из высоколегированной стали делают посуду, медицинские инструменты, домашнюю утварь и так далее.

Применение легированной стали

Сфер использования настолько много, что их сложно перечислить. Скажем только о некоторых производствах:

• Инструменты для медицины, в том числе острые режущие предметы.
• Лезвия.
• Подшипники и прочие детали с высокой радиальной и опорной нагрузкой.
• Резцы, фрезы, сверла и прочая оснастка для станков по металлообработке.
• Корпуса для техники и приборов.
• Нержавеющая посуда – ведра, тазы и пр.
• Делали для автомобилестроения.

Это и многое другое можно изготавливать из данного вещества. Любые задачи, которые требуют превосходных прочностных качеств, могут рассчитывать на легированную сталь.

Свойства

В зависимости от легирующих компонентов они могут быть различными, но в целом улучшаются следующие характеристики:

• Коррозийная устойчивость. Иногда достаточно только обработать верхний слой защитным составом, но как быть с деталями, которые постоянно соприкасаются с влагой и кислородом? Ответ простой – легировать.
• Прочность.
• Твердость.
• Отсутствие хрупкости.
• Стойкость к нагрузкам на растяжение и сжатие.
• Нужный уровень вязкости и предела текучести.
• Уменьшение намагниченности.

Производство

Основной способ – металлургический. В ходе него в расплавленный металл добавляют нужное количество примесей. Затем задаются дополнительные условия, в которых диффузия или иные реакции проходятся с более высокой скоростью.

Второй вариант легирования – нанесение поверхностного слоя таким образом, что вещества начинают взаимное проникновение друг в друга.

Классификации легированных сталей

1. В зависимости от химического состава различают стали:

— углеродистые (ГОСТ 380-71, ГОСТ 1050-75)

— легированные (ГОСТ 4543-71, ГОСТ 5632-72, ГОСТ 14959-79).

2. По содержанию углерода «С»:

— низкоуглеродистые — С до 0,25 %

— среднеуглеродистые — С от 0,25 до 0,65 %

— высокоуглеродистые — С свыше 0,65 %

3. По степени легирования (по содержанию легирующих элементов):

— низколегированные – от 2,5 до 5 %;

— среднелегированные – от 5 до 10 %;

— высоколегированные – свыше 10%.

4. По качеству ГОСТ 4543-71

— высококачественная (А) в конце марки

— особокачественная (-Ш) в конце марки

Для того, чтобы показать, что в стали ограничено содержание серы и фосфора (S

Например: 18ХГ-Ш, 20ХГНТР-Ш, 06Х16Н15М3Б-Ш и др.

Помимо этого к наименованиям указанных сталей через тире могут добавляться буквы, означающие следующее:

ВД — вакуумно-дуговой переплав (09Х16Н4Б-ВД),

ВИ — вакуумно-индукционная выплавка (03Х18Н10-ВИ),

ЭЛ — электронно-лучевой переплав (03Н18К9М5Т-ЭЛ),

ГР — газокислородное рафинирование (04Х15СТ-ГР),

ИД — ваккумно-индукционная выплавка с последующим вакуумно-дуговым переплавом (ЭП14-ИД),

ПД — плазменная выплавка с последующим вакуумно-дуговым переплавом (ХН45НВТЮБР-ПД),

ИЛ — вакуумно-индукционная выплавка с последующим электронно-лучевым переплавом (ЭП989-ИЛ) и т.д.

5. По степени раскисления — все легированные стали спокойные.

6. По назначению.

Конструкционные стали ГОСТ 4543-71 – если впереди марки стоят две цифры, они указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Цифры после каждой буквы обозначают примерное процентное содержание соответствующего элемента, округленное до целого числа , при содержании легирующего элемента до 1.5% цифра за соответствующей буквой не указывается.

Например:

— сталь состава C 0.09 — 0.15%, Cr 0.4 — 0.7%, Ni 0.5 — 0.8% называется 12ХН,

— сталь состава C 0.27 — 0.34%, Cr 2.3 — 2.7%, Mo 0.2 — 0.3%, V 0.06 — 0.12% — 30Х3МФ.

Инструментальные стали ГОСТ 5950-73 – одна цифра впереди марки указывает среднее содержание углерода в десятых долях процента. Если впереди марки нет цифры, это значит, что углерода в ней либо 1%, либо выше 1%.

Например, сталь 4Х2В5МФ имеет содержание C 0.3 — 0.4%, Cr 2.2 — 3.0%, W 4.5 — 5.5%, Mo 0.6 — 0.9%, V 0.6 — 0.9%.

ХВГ— C 0.9 — 1.05%, Cr 0.9 — 1.2%, W 1.2 — 1.6%, Mn 0.8 — 1.1%.

Стали и сплавы с особыми свойствами резко выраженными.

Стали высоколегированные со специальными свойствами подразделяют на следующие группы:

а) коррозионно-стойкие (нержавеющие), обладающие стойкостью против атмосферной коррозии (25х18Л и др.);

б) кислотоупорные, обладающие сопротивляемостью агрессивным средам (кислотам) (15х18Н9ТЛ и др.);

в) окалиностойкие (жаростойкие), обладающие стойкостью против окалинообразования (окисления при высоких температурах), например 15х9С2Л и др.;

г) жаропрочные, сохраняющие достаточно высокую прочность при высоких температурах (15х22Н15Л и др.);

д) износостойкие с высокой сопротивляемостью износу при абразивном и ударном воздействиях в разных условиях (110Г13Л, 15х34Л и др.);

е) высокопрочные; к ним относятся низколегированные стали, подвергнутые сложной термической обработке и дополнительной деформации.

7. По методу получения – сталь деформируемая или литейная.