Наибольшее распространение для изготовления ответственных деталей и конструкций в машиностроении, энергетике, строительстве и на транспорте нашли легированные стали. В них помимо углерода и примесей содержатся специально введенные при плавке легирующие элементы - вещества, вводимые в сталь в определенных концентрациях с целью изменения ее химического состава, строения и свойств. При кристаллизации легирующие элементы взаимодействуют с железом и углеродом, а также между собой, образуя новые фазы, что и приводит к изменению структуры и свойств стали.
Система обозначения марок легированных сталей. В соответствии с ГОСТом в нашей стране принята буквенно-цифровая система обозначения марок. Заглавными буквами обозначены легирующие элементы, введенные в сталь, цифрой после буквы - их содержание, если массовое количество легирующего элемента превышает 1%. Если содержание элемента в стали менее процента, то указывают только букву, цифру не показывают.
Легирующие элементы обозначают следующими буквами: Х - хром, Н - никель, М - молибден, В - вольфрам, К - кобальт, Т - титан, А - азот, Г - марганец, Д - медь, Ф - ванадий, С - кремний, П - фосфор, Ю - алюминий, Б - ниобий, Ц - цирконий, Р - бор.
В случае конструкционных легированных сталей в начале маркировки указывают две цифры, показывающие содержание углерода в сотых долях процента, сам углерод как элемент в маркировке не показывается, например 12ХНЗ (С = 0,12%, Сr<1%, Ni = 3%) -У инструментальных сталей первая цифра в маркировке показывает содержание углерода в десятых долях процента: 9ХС, 9Х, ВСГ. Если углерода в инструментальной стали более 1%, то первая цифра в маркировке опускается: ХВГ, ХГ, ХВ5.
Классификация легированных сталей. Учитывая многообразие легированных сталей по составу, структуре и свойствам, их классификацию необходимо давать по большому числу признаков (классификаторов). Ниже приводится классификация сталей.
1. По назначению легированные стали подразделяются на конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами.
Конструкционные легированные стали, как и простые углеродистые, в зависимости от содержания углерода делятся на строительные, или котельные (С ≤0,25% для хорошей свариваемости), стали цементуемые (С=0,1÷ 0,2%), стали улучшаемые (С=0,3÷0,5%) и пружинно-рессорные (С=0,55÷0,85%).
Инструментальные легированные стали по своему назначению делятся на стали для измерительных инструментов, стали для режущих инструментов и стали для холодных и горячих штампов и пресс-форм.
К легированным сталям с особыми свойствами относятся стали с повышенной коррозионной устойчивостью (нержавеющие и кислотостойкие), стали жаропрочные и жаростойкие, стали с особыми физическими свойствами (магнитными, электрическими, тепловыми и упругими).
2. В зависимости от основных легирующих элементов, которые входят в маркировку легированных сталей в соответствии с ГОСТом. К ним относятся Сr, Ni, Мn, Со и некоторые другие. В ряде случаев в зависимости от доминирующего присутствия того или иного элемента легирующие стали называют хромистыми, хромоникелевыми, марганцовистыми и т. п.
3. В зависимости от общего содержания легирующих элементов стали подразделяются на низколегированные (содержание легирующих элементов 2,5-%), сред нелегированные (3-10%), высоколегированные (свыше 10%).
4. Качество углеродистых сталей определяется содержанием вредных примесей - серы и фосфора. В тех случаях, когда их раздельное содержание превышает 0,025% (но не более 0,04%), стали относятся к качественным: при меньшем содержании вредных примесей легированные стали относятся к разделу высококачественных. Такие стали, возможно получить лишь путем выплавки в электропечах.
5. По структуре в отожженном состоянии легированные стали делятся на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные, ледебуритные (карбидные), ферритные и аустенитные. Первые три группы совпадают с соответствующей классификацией углеродистых сталей; четвертая группа характерна только для легированных сталей. Стали ледебуритного класса содержат в своей структуре первичные карбиды - карбид железа (цементит) и карбиды легирующих элементов, выпадающие непосредственно из расплава при охлаждении.
Эти карбиды входят в состав ледебуритной эвтектики.
Стали ферритного класса легированы преимущественно ферритообразующими элементами - хромом, молибденом, вольфрамом и др. (см. выше), аустенитные стали содержат аустенитообразующие элементы - никель, марганец, азот, медь.
Такие стали не претерпевают никаких фазовых превращений в твердом состоянии при охлаждении и нагреве. Поэтому их нельзя упрочнять с помощью термической обработки (например, закалки). Прочность сталей ферритного н аустенитного класса повышают с помощью холодного наклепа.
После охлаждения на воздухе, как правило, легирование смещает С-образные кривые на диаграмме вправо (превращение переохлажденного аустенита замедляется), а температура начала мартенситного превращения Мн понижается и может даже принимать отрицательные (ниже 0°С) значения (рис. 45).
Рис. 45. Диаграммы изотермического распада трех классов стали: I – перлитный класс, II – мартенситный класс, III – аустенитный класс, (v – скорость охлаждения на воздухе)
Поэтому в зависимости от местонахождения на диаграмме С-образных кривых начала и конца превращения переохлажденного аустенита в ферритоцементитную смесь и положения линии Мн по отношению к комнатной либо нулевой температуре, при одной и той же скорости охлаждения v можно получить сталь со структурой перлита (сталь перлитного класса - рис. 45, а), мартенсита (сталь мартенситного класса - рис. 45,6) либо аустенита (сталь аустенитного класса - рис. 45, в). Получение после охлаждения легированной стали того или иного класса определяется видом легирующих элементов, степенью легированности, а также содержанием в стали углерода.