6.4 Легированные конструкционные стали

Углеродистые конструкционные стали не всегда отвечают требованиям, предъявляемым к металлам в современном машиностроении.

Для улучшения механических и технологических свойств сталей в их состав вводят некоторые химические элементы, называемые легирующими добавками. Процесс этот называют легированием, а получаемые стали легированными. В качестве легирующих добавок используют обычно хром, никель, молибден, марганец и другие элементы. При этом марганец и кремний, которые всегда присутствуют в сталях в качестве постоянных примесей, считаются легирующими добавками, если их содержание превышает 1%.

Вводимые легирующие элементы позволяют изменять не только механические, но и физико-химические свойства сталей. В частности, с помощью легирования можно существенно повысить жаропрочность и жаростойкость сталей, придать им коррозионную устойчивость в различных агрессивных средах, изменить их электрические и магнитные свойства.

Легированная конструкционная сталь может содержать один или несколько легирующих элементов, улучшающих ее свойства. Основными легирующими элементами конструкционных сталей являются хром, марганец, кремний и никель. Другие элементы (вольфрам, молибден, ванадий и др.) вводят в сталь для дополнительного улучшения свойств. Путем легирования стали несколькими элементами требуемые свойства достигаются полнее и легче.

Следует отметить, что комплекс свойств достигается не только легированием, но и рациональной термической обработкой (см. ниже), в результате которой получается необходимая структура стали.

Как правило, стоимость легированных сталей значительно выше, чем углеродистых. Кроме того многие из легирующих добавок относятся к числу достаточно дефицитных и дорогих металлов. Поэтому, исходя из экономических соображений, легированные стали применяют только в тех случаях, когда углеродистые конструкционные стали, по каким-либо причинам, не удовлетворяют эксплуатационным условиям.

Рассмотрим влияние отдельных легирующих элементов на свойства стали.

Хром, широко применяемый для легирования, повышает твердость и прочность стали при одновременном незначительном понижении пластичности. Благодаря высокой износоустойчивости хромистой стали из нее изготавливают подшипники качения. При содержании хрома выше 13% сталь становится нержавеющей. Дальнейшее увеличение содержания хрома увеличивает антикоррозионные свойства сталей и при более высоких температурах. Обычно в конструкционных сталях хрома содержится до 3%.

Одним из ценных легирующих элементов является никель. В конструкционных сталях его содержится от 1 до 5%. Кроме прочности, присутствие никеля придает стали высокую пластичность и вязкость. Никель используют в значительных количествах, когда необходимо получить немагнитную сталь. Для легирования инструментальных сталей никель не применяется.

Вольфрам и молибден являются достаточно дефицитными элементами и вводятся в конструкционные стали в количестве не более 1 %. Введение этих элементов повышает прочность и твердость сталей, но незначительно снижает пластичность и вязкость. Кроме того, вольфрам способствует образованию мелкозернистой структуры. Наиболее ценными свойствами молибдена является жаропрочность стали.

Марганец и кремний являются недорогими легирующими добавками. Они содержатся в сталях в количестве до 2%. Марганец способствует глубокой прокаливаемости стали и улучшает ее механические свойства. Кремний, кроме того, повышает упругость стали при сохранении ее вязкости, что важно для пружинных и рессорных сталей. Повышение содержания кремния увеличивает магнитные свойства стали.

Легированные конструкционные стали классифицируют по различным признакам. По химическому составу различают стали хромистые, марганцовистые, хромомарганцевые, хромокремнистые и др. По степени легированности стали подразделяют на низколегированные (содержат не более 3% легирующих элементов), среднелегированные (от 3 до 10%) и высоколегированные (выше 10%).

По назначению конструкционные стали подразделяют на строительные, машиностроительные и пружинно-рессорные.

Химический состав легированной стали обуславливает ее свойства, область применения и стоимость. Поэтому он должен быть отражен в наименовании и марке стали.

С этой целью разработана система условных обозначений марок легированных сталей, состоящих из сочетания цифр и букв. Согласно этой системе легирующие элементы обозначают следующими буквами: никель – Н, хром – Х, вольфрам – В, ванадий – Ф, молибден – М, кремний – С, марганец – Г, алюминий – Ю, титан – Т, фосфор – П. Первые цифры марки указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Цифры, следующие за буквами, означают среднее содержание данного элемента в стали в процентах. Если за какой-либо буквой отсутствует цифра, то это означает, что содержание этого элемента в стали не превышает 1,5%. Буква А в конце марки указывает на принадлежность этой стали к высококачественным. Например, сталь 18Х2Н4МА содержит в среднем 0,18% углерода, 2% хрома, 4% никеля, 1% молибдена и пониженное содержание вредных примесей фосфора и серы. Одна цифра перед маркой соответствует содержанию углерода в десятых долях процента. Например, сталь 4Х5МФС содержит 0,4% углерода, 5% хрома, около 1% молибдена, ванадия, кремния – каждого. Отсутствие цифр перед маркой стали означает, что углерода в стали содержится около 1%. Например, в стали Х6ВФ имеется 1,0…1,2% углерода, 6% хрома, 1% вольфрама и 1% ванадия.

Некоторые высоколегированные стали, выделены в отдельные группы, их обозначают буквами, которые ставятся впереди: буква Ш – шарикоподшипниковые стали; Р – быстрорежущие стали; Е – электротехнические стали с особыми магнитными свойствами.

Вопросы для самопроверки:

Акулич Н.В. Процессы производства черных и цветных металлов и их сплавов, Гомель 2008