Большинство легирующих элементов вызывают низкую пластичность и упрочнение феррита, но снижают вязкость (кроме никеля). До 1% марганец и хром повышают вязкость. При превышении этого содержания ударная вязкость при надрезе снижается и достигает уровня нелегированного феррита при 3 % Cr и 1,5 % Mn.
Применение легированных сталей. Классификация и маркировка сплавов
Более 3 000 лет человечество обрабатывает железо для производства различных инструментов, машин и бытовых приборов. Несмотря на относительно высокие механические свойства этого металла, его коррозионно-индуцированное разложение не способствует длительному использованию изделий из железа на открытом воздухе.
Другим важным ограничением для использования этого металла являются его плохие эстетические свойства. Для значительного улучшения этих свойств при производстве стали используются присадки, повышающие стойкость к окислению, придающие блеск поверхности и значительно увеличивающие прочность металла.
Что такое легированная сталь
Это углеродистая сталь со специальными легирующими элементами для улучшения технологических свойств. Процентное содержание присадок в составе невелико, но даже при низкой концентрации физические свойства металла улучшаются многократно.
В зависимости от типа используемого легирующего вещества металл обладает следующими свойствами:
- неподверженность коррозии;
- упругость;
- тугоплавкость;
- прочность.
Для достижения указанных выше свойств в состав добавляют следующие металлы:
Часто бывает достаточно добавить от 1 до 3% легирующих элементов в углеродистую сталь, чтобы придать ей желаемые свойства и качества.
Конструкционная легированная сталь
Предписывающий документ: Высококачественная легированная конструкционная сталь производится в соответствии с ГОСТ 4543-71.
Легированная сталь — это сталь, к которой в процессе легирования добавляются специальные элементы в определенных количествах для придания ей желаемых свойств. Эти элементы называются легирующими. Они могут повысить прочность и коррозионную стойкость, а также снизить риск хрупкого разрушения.
В легированной стали используются следующие химические элементы Марганец (Mn) — G- Кремний (Si) — C- Хром (Cr) — X- Никель (Ni) — H- Медь (Cu) — E- Азот (N) — A- Ванадий (V) — F- Ниобий (Nb) — B, Вольфрам (W) — В- Селен (Se) — Е- Кобальт (Co) — К- Бериллий (Be) — Л- Молибден (Mo) — М- Бор (B) — П- Титан (Ti) — Т- Алюминий (Al) — Y.
Классификация конструкционной легированной стали
По соотношению общей массы легирующих элементов к массе стали:
- сталь высоколегированная — более 10%;
- сталь среднелегированная — более 2,5-10%;
- сталь низколегированная — до 2,5%.
По основным легирующим элементам:
- хромистая;
- марганцовистая;
- хромомарганцовая;
- хромокремнистая;
- хромомолибденовая;
- хромомолибденованадиевая;
- хромованадиевая;
- никельмолибденовая;
- хромоникелевая;
- хромоникелевая с бором;
- хромокремнемарганцовая;
- хромокремнемарганцовоникелевая;
- хромомарганцовоникелевая;
- хромомарганцовоникелевая с титаном и бором;
- хромоникельмолибденовая;
- хромоникельмолибденованадиевая;
- хромоникельванадиевая;
- хромоалюминиевая;
- хромоалюминиевая с молибденом;
- хромомарганцовоникелевая с молибденом;
- хромомарганцовоникелевая с молибденом и титаном.
В зависимости от химического состава и свойств
- качественная;
- высококачественная — А;
- особо высококачественная (сталь электрошлакового переплава) — Ш.(например ШХ15)
В зависимости от типа обработки:
- прокат горячекатаный и кованый (в том числе с обточенной или ободранной поверхностью);
- калиброванный;
- со специальной отделкой поверхности.
В зависимости от качества поверхности:
- 1 группа;
- 2 группа;
- 3 группа.
По состоянию материала:
- без термической обработки;
- термически обработанный — Т;
- нагартованный — Н.
Марки конструкционной легированной стали
Марки стали.
Заменители некоторых марок стали:
- 20Х — 15Х, 20ХН, 12ХН2, 18ХГТ;
- 30ХГСА — 40ХФА, 35ХМ, 40ХН, 25ХГСА, 35ХГСА;
- 40Х — 45Х, 38ХА, 40ХН, 40ХС.
Обозначение марок легированной конструкционной стали: первые две цифры указывают на содержание углерода в процентах, цифры после букв указывают на содержание сплава в целых единицах.
Применение конструкционной легированной стали
| Категория стали | Область применения |
|---|---|
| 60С2(А) | Рессоры из полосовой стали толщиной 3-16мм и пружинной ленты толщиной 0,08-3мм; витые пружины из проволоки диаметром 3-16мм. |
| 70СЗА | Тяжелонагруженные пружины ответственного назначения. Сталь склонна к графитизации. |
| 50ХГ(А) | Рессоры из полосовой стали толщиной 3-18мм. |
| 50ХФА(ХГФА) | Ответственные пружины и рессоры, работающие при повышенной температуре (до 300°С), или подвергаемые многократным переменным нагрузкам. |
| 60C2XA | Большие высоконагруженные пружины и рессоры ответственного назначения. |
| 60C2H2A(C2BA) | Ответственные высоконагруженные пружины и рессоры из калиброванной стали и пружинной ленты. |
| 20Х | Кулачковые муфты, втулки, шпиндели, направляющие планки, плунжеры, оправки, копиры, шлицевые валики и др. |
| 40Х | Зубчатые колеса, шпиндели и валы в подшипниках качения, червячные валы и др. |
| 45Х, 50Х | Зубчатые колеса, шпиндели, валы в подшипниках качения, червячные и шлицевые валы, и др. детали, работающие на средних скоростях при небольшом давлении. |
| 38ХА | Зубчатые колеса, работающие на средних скоростях при средних давлениях. |
| 45Г2, 50Г2 | Крупные малонагруженные детали: валы, зубчатые колеса тяжелых станков и т.п. |
| 18ХГТ | Детали, работающие на больших скоростях при высоких давлениях и нагрузках. |
| 20ХГР | Тяжелонагруженные детали, работающие при больших скоростях и нагрузках. |
| 15ХФ | Некрупные детали, подвергаемые цементации и закалке с низким отпуском. |
| 40ХС | Мелкие детали высокой прочности. |
| 40ХФА | Ответственные высокопрочные детали, подвергаемые закалке и высокому отпуску; средние и мелкие детали сложной формы, работающих в условиях износа; ответственные сварные конструкции, работающие при знакопеременных нагрузках. |
| 35ХМ | Валы, детали турбин и крепеж, работающие при повышенной температуре. |
Сталь низколегированная качественная конструкционная
Предписывающий документ: Низколегированная конструкционная сталь производится в соответствии с ГОСТ 19281-89.
Низколегированная сталь — это легированная сталь с содержанием легирующих элементов менее 2,5% от общей массы стали.
Марки стали низколегированной
Марки стали: 09Г2, 09Г2С, 0ХСНД, 17Г1С, 17Г1С, 16Г2АФ, 10ХНДП, 15ХНДП, 0ХСНД, 15ХСНД и др.
Низколегированные стали 10ΧНДП, 15ΧΝΔП, 0ΧΣΝΔ, 15ΧΣΝΔ устойчивы к атмосферной коррозии (АКС).
Заменители некоторых марок стали:
- 09Г2С — 09Г2, 09Г2ДТ, 09Г2Т, 10Г2С;
- 10ХСНД — 16ГАФ.
Применение стали низколегированной
Используется для изготовления корпусов железных дорог, метро и трамвайных путей, опорных конструкций двигателей, сельскохозяйственных и других полевых машин и инженерных сооружений, работающих в условиях переменных динамических нагрузок и сезонных и суточных колебаний температуры.
Свариваемость: Низколегированная сталь поддается сварке без ограничений.
Классификация
Это довольно широкое понятие и имеет несколько подтипов.
По назначению
Это может быть инженерная или конструкционная сталь. В первом случае это металлы, используемые для изготовления деталей различных механизмов, корпусных конструкций и прочего. Их главное отличие в том, что они практически всегда обрабатываются при высоких температурах. Конструкционные стали чаще всего используются для изготовления металлоконструкций, которые свариваются. Другими словами, термическая обработка для этих металлов — редкость.
Легированные нержавеющие стали могут быть жаропрочными, термообработанными и цементированными. Жаропрочные стали пользуются большим спросом на рынке механической энергии и могут использоваться, например, для изготовления компонентов турбин. Из них также получаются отличные крепежные изделия. Закаленные стали необходимо закаливать в процессе производства. Из них изготавливают изделия, подверженные высоким нагрузкам. Они также чувствительны к концентрированным напряжениям в деталях.
Науглероженные стали подвергаются науглероживанию и закалке, а затем отпуску. Они используются для производства зубчатых колес, валов и других компонентов с аналогичной функцией.
Конструкционные стали, с другой стороны, также бывают разных марок: свободные, холоднотянутые, нормальные и среднетянутые судостроительные, а также высокопрочные, закаленные паром и горячей водой стали, прокатываемые при температуре 700-850 градусов Цельсия, и так далее.
А категория легированных сталей становится исходным материалом для широкого спектра инструментов.
Но все же не для всего: материал не подходит для всего, что подвергается ударным нагрузкам. Но для категорий резания, измерения, забивания и пробивания он более чем подходит.
По количеству легирующих добавок
В эту классификацию входят высоко-, средне- и низколегированные стали. Высоколегированная сталь имеет до 50% (но не менее 10%) легирующих добавок — такие изделия можно считать самыми прочными, но и самыми дорогими. Среднелегированные стали имеют содержание легирующих добавок от 2,5 до 10 %. Низколегированные составы содержат менее 2,5 %. Такая сталь обладает рядом положительных свойств, но непригодна для металлообработки.
По химическому составу
В зависимости от химического состава сталь может быть высококачественной, высоколегированной (А) и очень высоколегированной (Х). В последнем случае сорт может быть получен путем электрополировки металла.
По виду обработки
Стальной прокат может быть кованым, горячекатаным, который требует специальной обработки поверхности, и калиброванным. Что касается термообработки, то как таковой термообработки не существует, есть только термическая обработка и закалка. Если сталь подвергалась термообработке, она маркируется TO, если это карбид вольфрама (т.е. прокат), она маркируется буквой H.
Существуют марки стали с особыми свойствами, которые по тому же ГОСТу имеют другое обозначение. В этом случае на первом месте стоит буква, обозначающая марку стали. Например, если это подшипниковая сталь, то используется буква Ш, для магнитной стали — буква Э, а для нержавеющей стали — буква У.
В конце аббревиатуры также могут стоять буквы, указывающие на то, что данная группа относится не к общей стали, а имеет свои собственные свойства и характеристики. Например, High-Grade и Super-Grade (так называемые) имеют буквы A и S в конце обозначения. Если это литейная марка, то там стоит буква L, а сплавы, характеризующиеся коррозионной стойкостью, обозначаются буквой K.
Маркировка
Маркировка в России и в мире отличается, так как отличаются и сами принципы маркировки. Все это регламентируется ГОСТом и имеет практическое значение, так как покупатель может сразу 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.
Характеристика легированных сталей
Легированная сталь — это сталь, которая, помимо обычных примесей, имеет дополнительные добавки, необходимые для выполнения определенных химических и физических требований.
Обычная сталь состоит из железа, углерода и примесей, без которых сталь немыслима. Легированная сталь состоит из легирующих элементов, называемых легирующими добавками. Они используются для придания стали свойств, необходимых в определенных ситуациях.
В большинстве случаев в качестве легирующих элементов к железу, примесям и углероду добавляют никель, ниобий, хром, марганец, кремний, ванадий, вольфрам, азот, медь и кобальт. Такие вещества, как молибден и алюминий, также не редкость в этом материале. В большинстве случаев титан добавляется для повышения прочности материала.
Этот тип стали делится на три основные категории. Классификация легированной стали зависит от количества стали и содержащихся в ней примесей и легирующих добавок.
Виды легированной стали
Существует три основных типа легированной стали:
Характеризуется содержанием около двух с половиной процентов легирующих элементов.
Она характеризуется содержанием от 2,5 до 10 процентов легирующих элементов.
Сталь с более чем десятипроцентным содержанием легирующих добавок характеризует эту марку стали. Легирующие элементы могут составлять до 50 процентов от общего содержания легирующих элементов.
Назначение легированной стали
Легированная сталь широко используется в современной промышленности. Легированная сталь обладает высокой прочностью, поэтому ее можно использовать для резки и дробления широкого спектра стальных изделий.
Легированные стали можно разделить на множество групп в зависимости от их назначения.
Наиболее важными из них являются: Стали, используемые для производства стали.
- конструкционная легированная сталь,
- инструментальная легированная сталь,
- легированная сталь с особыми химическими и физическими свойствами.
Свойства легированных сталей могут быть различными. Они зависят от соотношения основных элементов. Стали этого типа в любом случае прочнее и более устойчивы к образованию коррозии.
Цементуемые легированные стали (ГОСТ 4543-71)
Цементируемые стали — это низкоуглеродистые (до 0,25 С), низколегированные (до 2,5 %) и среднелегированные (2,5-10 % общего содержания сплава) стали. Эти стали (табл. 4) предназначены для деталей машин и оборудования, работающих в условиях трения и подвергающихся ударным и знакопеременным нагрузкам. Функциональность этих деталей зависит от свойств сердцевины и поверхностных слоев металла. Цементированные стали насыщаются углеродом с поверхности (цементируются) и подвергаются термической обработке (закалке и отпуску). Такая обработка (см. главу V) обеспечивает высокую поверхностную твердость (HRC 58-63) и сохраняет необходимую вязкость и прочность сердцевины.
Таблица 4: Цементируемые легированные стали
Популярные марки легированной конструкционной стали
В нашей стране и в остальном мире существуют различные типы сталей, обусловленные разными принципами обозначения. В России правила устанавливает ГОСТ, поэтому, покупая металл, клиент сразу может узнать по маркировке состав сплава и возможную область применения.
Легированные конструкционные стали маркируются цифрами и буквами:
- Сначала идет двузначное число, обозначающее содержание углерода в десятых долях процента.
- Далее стоит литера, показывающая использованный легирующий компонент. Так, в металле марки 12Х2Н4А присутствует 0,12 % углерода, 2 % хрома, 4 % никеля. Данная сталь считается высококачественной, о чем свидетельствует буква «А».
- На последнем месте располагается цифра, отражающая содержание добавки в сплаве в процентном отношении, правда, ее не указывают при удельном весе добавки до 1,5 %.
В качестве примера рассмотрим различные маркировки. Р6М5Ф2К8 — это быстрорежущая сталь с 8% кобальта, 5% молибдена и 2% ванадия. HVG содержит марганец, хром и вольфрам в пропорции не более 1%.
Также важно знать, где используются легированные конструкционные стали. Одним из самых распространенных видов стали является 60С2ХА, которая используется для производства пружин и больших рессор с высокой грузоподъемностью. Сталь 20Х используется для изготовления втулок, валов, кулачковых муфт, шпинделей и зубчатых валов.
Сталь 38Cr используется для среднескоростных зубчатых колес, а сталь 40Cr — как материал для небольших высокопрочных изделий. Сталь 35CrM считается наиболее подходящей для компонентов турбин, валов и крепежных деталей, которые должны выдерживать экстремальные температуры.
Преимущества и недостатки легированной конструкционной стали
Для получения необходимых свойств сталь подвергается термической обработке. Именно таким образом легированная конструкционная сталь приобретает эти свойства:
- стойкость к пластическим деформациям;
- способность к сильному прокаливанию;
- стойкость к трещинам, короблению, что достигается при помощи применения мягких охладителей в процессе температурной обработки;
- оптимальный запас вязкости;
- высокий уровень хладноломкости.
Конечный продукт из легированной конструкционной стали обладает следующими свойствами:
- надежность и долговечность, благодаря чему удается значительно повысить производительность оборудования;
- стойкость к появлению ржавчины, воздействию агрессивной среды, например, кислот, щелочей, повышенной влажности, резких перепадов температуры;
- экономичность;
- стойкость к износу;
- хорошая прокаливаемость;
- высокие технологические показатели.
Однако у легированных конструкционных сталей есть и недостатки:
- склонность к обратимой отпускной хрупкости;
- повышенный уровень мягкости в результате термообработки;
- утрата однородности в области деформирования.
Однако легированная конструкционная сталь имеет не только некоторые недостатки, но и некоторые минусы.
Легирование конструкционных сталей направлено на улучшение механических свойств, таких как прочность и пластичность.
В то же время физические, химические и эксплуатационные свойства изменяются за счет добавления добавок. Кроме того, необходимо учитывать, что легирующие добавки увеличивают стоимость сплава. Это означает, что для их добавления должна быть веская причина.
