Легированые стали, свойства, маркировка, применение.

Легированная сталь наряду с обычными примесями содержит легирующие элементы, главным образом опре­деляющие ее свойства. К легирующим элементам отно­сят: хром, вольфрам, ванадий, молибден, никель, а так­же кремний и марганец в большом количестве и др. Легированная сталь обладает свойствами, которых нет у углеродистой стали, и она не имеет ее недостатков. При­менение легированной стали сокращает расход металла, повышает надежность и долговечность изделий. Влияние легирующих элементов на свойства стали показано

ниже.

1. Хром повышает твердость, прочность стали, незначительно уменьшает пластичность. При содержании хрома выше 13% сталь становится коррозионно-стойкой.

2. Никель придает стали высокие прочность, пластичность, коррозионную стойкость и повышает сопротивление удару.

3. Вольфрам резко увеличивает твердость и краснотойкость стали.

4. Ванадий повышает плотность, прочность, способствует измельчению зерна, сопротивлению удару, истиранию, разрыву.

5. Кобальт повышает жаропрочность, магнитопроницаемость.

6. Молибден увеличивает красностойкость, упругость, прочность, сопротивление окислению при высоких тем­пературах.

7. Кремний в количестве более 1% повышает проч­ность, не уменьшая пластичности, увеличивает упругость, кислостойкость и магнитопроницаемость.

8. Марганец, при содержании 1% и более, увеличива­ет износоустойчивость без потери пластичности.

9. Алюминий увеличивает окалиностойкость.

10. Титан повышает прочность, уменьшает межкристаллитную коррозию.

11. Ниобий увеличивает сопротивление коррозии и

кислостойкость.

12. Цирконий придает прочность, способствует из­мельчению зерна.

13. Церий повышает прочность и пластичность.

14. Медь уменьшает коррозию.

В сталь вводят также новые редкоземельные метал­лы: неодим, цирконий, тантал, селен и др. Легированная сталь может одновременно содержать несколько леги­рующих элементов. По содержанию легирующих элемен­тов сталь делят на низколегированную с содержанием легирующих элементов до 3%, среднелегированную — от 3 до 10%, высоколегированную — свыше 10%. По назначению легированную сталь подразделяют на конст­рукционную, инструментальную и сталь с особыми физическими и химическими свойствами.

В маркировке легированной стали приняты следующие буквенные обозначения легирующих элементов: X — хром, Н — никель, А — азот, В — вольфрам, Ф — ванадий, Г — марганец, Д — медь, П — фосфор, М — молибден, К — кобальт, С — кремний, Ю — алюминий, Ц — цирконий, Е — селен, Б — ниобий. Эти буквы в сочетании с цифрами образуют марку стали.

Кроме этих обозначений ГОСТ устанавливает буквы, характеризующие целую группу сталей Ш — шарико­подшипниковые, Р — быстрорежущие, Е — магнитные и Э— электротехнические. Сочетание цифр и букв дает характеристику легированной стали. Если впереди мар­ки стоят две цифры, то они указывают среднее содержа­ние углерода в сотых долях процента; одна цифра в на­чале марки — содержание углерода в десятых долях про­цента. Если в начале марки нет цифры, то количество углерода в ней 1% и выше. Цифры за буквами показы­вают содержание данной легирующей примеси в процен­тах. При отсутствии цифры за буквой содержание дан­ного элемента менее 1 %. Буква А в конце марки обозна­чает высококачественную сталь, в ней меньше серы и фосфора. Например, 12Х2Н4А — это легированная сталь, содержащая 0,12% углерода, 2% хрома, 4% никеля, вы­сококачественная; Г13 — это легированная сталь, содер­жащая 1% и более углерода и 13% марганца. Для групп -стали, обозначаемых одной буквой — Р, Ш, Э — прави­ла маркировки другие. Для специальных методов плавки вводят буквы: ВД — вакуумно-дуговой; ЭЛ — электрон­но-лучевой и др.

Конструкционную легированную сталь различают: ка­чественную, высококачественную и особо высококачест­венную. Высококачественная обозначается буквой А в танце марки, а особо высококачественная — буквой Ш через черточку в конце марки. Например, сталь марки,12ХНЗА — высококачественная, а сталь марки 30ХГС-Ш — особо высококачественная. В качественной стали допускается до 0,025% серы, а в высококачествен­ной-0,015%.

Область применения конструкционной легированной стали очень велика. Широкое применение находят хро­мистые стали, обладающие хорошими твердостью, проч­ностью, сопротивлением коррозии. Марки этих сталей: 15Х,20Х, ЗОХ, 45Х, 40ХР, 40ХЦ и др. Марганцовые стали марок 45Г2, Г13 отличаются высокой износоустойчивостью, сталь марки Г13 применяется для изготовления стрелочных переводов, траков гусениц тракторов, 45Г2 — для изготовления болтов.

Кремнистые и хромокремнистые стали марок 50С2 и ЗЗХС — твердые и упругие, предназначены для произ­водства пружин и рессор. Хромомолибденовые стали ма­рок 20ХМА, ЗОХМА очень прочные, хорошо свариваются, штампуются, дорогостоящие, поэтому их часто заменяют хромокремнистые (хромансиль) марок 25ХГСА, ЗОГСА. Хромованадиевые стали марок 45ХФ, 45ХФА особо проч­ные, износоустойчивые, применяются для производства деталей автомобилей, осей, валов.

Особая роль принадлежит хромоникелевым, хромоникелевомолибденовым сталям марок 40ХН2МА, 13ХЗНФА, 45ХН2МФА и др. Они применяются для изготовления ответственных деталей машин: зубчатых колес, шатунов, деталей турбин. Они обладают высокой износоустойчи­востью. К легированным конструкционным сталям отно­сится шарикоподшипниковая. Ее можно отнести и к ин­струментальным, так как она содержит около 0,95% уг­лерода. Марки этой стали: ШХ6, ШХ15, ШХ15ГС. Со­держание хрома указано в десятых долях процента. Низколегированная сталь используется в строитель­стве. Она прочнее углеродистой, лучше противостоит дей­ствию ударных нагрузок. Применение этой стали умень­шает массу конструкции на 15—30%.

Различают следующие марки низколегированных сталей: 14Г2, 10Г2С2, 10Г2С9, 16Г2АФД, 09Г2С, 15ХСНД, 15Г2СФ и др.

Инструментальная легированная сталь применяется для изготовления режущих, измерительных, ударно-штамповых инструментов. По качеству инструмент из этой стали значительно превосходит инструмент из углеродистой стали, он тверже, лучше противостоит износу. Режущий инструмент выдерживает большую температу­ру, не теряя своей твердости. В этом случае можно ве­сти обработку на высоких скоростях резания. Легирую­щими элементами в инструментальной стали являются хром, вольфрам, ванадий и др. Они повышают стой­кость инструмента, производительность его при металло­обработке резко возрастает. Измерительные инструмен­ты — резьбовые калибры, скобы и др. — изготавливают из стали марок: 7ХФ, 9ХФ, Х14, 11ХФ (содержание углерода в стали марки 11ХФ 1,1%). Режущий инструмент (фрезы, сверла, метчики, развертки) получают из стали

марок: 9ХС, ХГС, 9Х5ВФ, 85Х6НФТ. Для штампов горя­чей штамповки применяют сталь марок: 7X3, 5ХНМ, 55ХГМ, 4Х8В2 и др. Для штампов холодной штамповки используют сталь марок: Х6НФ, Х12Ф1, Х12ВМ, 7Х12ВМ и др.

Важнейшей инструментальной легированной сталью является быстрорежущая. Из нее изготовляют резцы, сверла, фрезы, метчики для обработки твердых метал­лов, жаропрочных и коррозионно-стойких сталей. Основ­ными легирующими элементами являются хром (не ме­нее 4%) и вольфрам (не менее 6%). Кроме этих приме­сей вводят кобальт, ванадий, молибден, они повышают твердость и красностойкость. Содержание углерода 0,7—1%, серы и фосфора не более 0,06% в сумме. Эта сталь не теряет твердости до температуры 600 °С. ГОСТ 19265—73* (СЭВ 3896—82) установлены марки быстрорежущей стали: Р6, Р9, Р18, Р6МЗ, P6M5_, Р14Ф14, Р9КЮ, Р10К5Ф5 и др. Буква Р обозначает бы­строрежущую сталь, а число за буквой Р показывает со­держание вольфрама в процентах, число за буквами М, Ф, К — содержание молибдена, ванадия и кобальта.

Стали и сплавы с особыми физическими и химически­ми свойствами имеют решающее значение в энергетике, ракетной технике, в турбинной, нефтегазовой отраслях промышленности и др. К первой группе сталей относят магнитные, немагнитные, с высоким омическим сопро­тивлением, с особыми тепловыми и упругими свойствами. Магнитные стали и сплавы делятся на магнитотвердые и магнитомягкие. Магнитотвердая сталь служит для изготовления постоянных магнитов. Согласно ГОСТу, эта сталь обозначается буквой Е. Марки этой стали: ЕХЗ, ЕХ6, ЕХ5К5, ЕХ9К15М2. Содержание углерода в этой стали составляет 1 %. Применяются также сплавы, например ЮНДК24, содержащие, %: 9 А1; 13,5 Ni; 3 Си; 24 Со; остальное железо. Магнитомягкие стали и сплавы имеют высокую магнитопроницаемость. Их используют Для получения электромагнитов, роторов, статоров, Обо­значаются буквой Э. Они содержат большой процент кремния. Магнитомягкие сплавы особой чистоты марки­руются 79НМ, 50НХС, 80НХС.

немагнитные стали марок 12Х18Н9, 55Г5Н20, 45Г17Ю3, 55Г9Н9 заменяют дорогостоящие цветные металлы в точных приборах, когда магнитность материала может повлиять на точность показаний. Сейчас применяют более дешевую сталь, не содержащую никеля, ее мар­ка 45Г17ЮЗ.Сталь с высоким омическим сопротивле­нием используют в нагревательных приборах, реостатах и т. д. Ее марки 0Х23ЮБ, 0Х23ЮБА, 0Х27ЮБА (содер­жание углерода в ней 0,05—0,1%). Кроме этих сталей широко применяют хромоникелевые сплавы марок Х20Н80, Х15Н80Т5, называемые нихромами.

Стали и сплавы с особым тепловым действием имеют низкий коэффициент теплового расширения, применяют­ся в точных приборах, где недопустимо изменение разме­ров под действием температуры. К ним относят стали марок 18ХМТФ и 18ХТФ и сплавы: инвар Н36, содержа­щий 36% никеля (остальное железо), применяют в опти­ческих и геодезических приборах; ковар 29НК, использу­ют для приборов, где сталь впаивают в стекло; инвар Н36К8 — при производстве часовых пружин и сплав Н48, заменяющий платину. Эти сплавы обладают также особыми упругими свойствами и используются для про­изводства часовых пружин и рессор общего назначения в приборостроении и мембран; они имеют высокие пре­делы упругости и выносливости.

Стали с особыми химическими свойствами приобрета­ют большее значение в связи с распространением агрес­сивных сред, вызванных бурным развитием химической и нефтегазовой промышленности, и т. д. К ним относятся коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные ста­ли. Коррозионно-стойкие стали делятся на две группы:

1. Стали, обладающие стойкостью против коррозии в атмосфере, почве, воде и других менее агрессивных сре­дах. Это высокохромистые стали. Согласно ГОСТу, раз­личают марки: 15X5, 15Х5М, 10X13, 20X13, 30X13, 40X13, 15Х5ВФ, 15X28 и др. Максимальное содержание углерода в этих сталях 0,4% (40X13). Чем меньше угле­рода, тем выше коррозионная стойкость.

2. Стали, обладающие стойкостью против коррозии в сильно агрессивных средах. Используют для изделий, эксплуатируемых в кислотах: азотной, соляной, серной, уксусной, фосфорной и др. Эти стали с большим содержа­нием хрома и никеля. Их марки: 12Х18Н9Т, 03Х18НЮ, 023Х17Н14М2, 10Х13Н11Б, 17Х18Н9Т, 03Х16Н15МЗБ и др.

К жаростойким (окалиностойким) относятся стали и сплавы, стойкие против химического разрушения в газо­вых средах при температуре выше 300 °С в слабонагруженном состоянии. Детали в таких условиях быстро раз­рушаются, поверхность их окисляется. Способность противостоять этому разрушению и характеризует жаростойкость. К ним относятся стали марок 03Х18Н12Т, 12Х25Н16Г7АР, 15Х28 и сплавы марок ХН60Ю, ХН78Ю, ХН75М25ТЮ и др. Жаропрочные стали и сплавы работа­ют в напряженном состоянии при высоких температурах в течение длительного времени. Они не теряют прочности в процессе эксплуатации. Применяются в ракетной, ре­активной технике. В составе этих сталей содержатся хром, никель, молибден. бор, ванадий. Их марки 12Х2МФСР, 08Х14Н28ВЗТЗЮР, 13Х12Н2В2МФ, 37Х12Н18МФ5, марки сплавов: ХН77ЮР, ХН70ВМТЮ.