Легирующие элементы определяют название легированной стали или сплава. Например, хромистая, ванадиевая, хромоникелевая стали в своем составе в качестве легирующих элементов содержат соответственно хром, ванадий и хром с никелем.
Для увеличения конструктивной прочности в сталь вводят одиндва легирующих элемента. Для получения комплекса физико-химических свойств вводят несколько легирующих элементов.
Марганец — естественная постоянная примесь в углеродистых сталях (до 0,6 %). При искусственном увеличении массовой доли марганца (свыше 1 %) увеличивается твердость, износостойкость, ударная вязкость. Пластичность стали не снижается. Сам марганец нейтрализует вредное влияние серы, связывая ее.
Кремний — также постоянная примесь в сталях (до 0,4 %). С увеличением массовой доли кремния увеличиваются конструктивная прочность и упругость. Высокая массовая доля кремния придает стали специальные физические свойства, благодаря которым кремнистые стали широко используются в электротехнической промышленности. Кремний придает стали также кислото- и окалиностойкость. Высокое содержание кремния способствует распаду структуры цементита с образованием ферритно-перлитной структуры и придает стали упругость. Рессорно-пружинные стали являются, как правило, кремнистыми.
Хром повышает прочность, твердость, прокаливаемость. Пластичность хромистых сталей несколько уменьшается. Высокое содержание хрома (12 % и более) делает сталь коррозионно-стойкой и придает ей магнитные свойства. Хром является экономически дешевым, недефицитным легирующим металлом.
Никель придает стали прочность, пластичность и ударную вязкость, понижает температуру отжига, нормализации и закалки. Никелевые стали имеют высокую прокаливаемость. Никель применяется так же как активный раскислитель, способствует удалению из стали в жидком состоянии кислорода, водорода, азота, увеличивая ее плотность. Никелевые стали имеют низкий коэффициент теплового линейного и объемного расширения.
Титан повышает прочность, твердость и пластичность, а также температуру отжига, нормализации и теплостойкость (окалиностойкость) стали. При небольшом содержании титана прокаливаемость стали увеличивается, при содержании более 12 % — уменьшается.
Медь увеличивает прокаливаемость, температуру отжига и нормализации, прочность, твердость и пластичность. Придает стали коррозионную стойкость. Медь вводят главным образом в строительные стали.
Кобальт понижает прокаливаемость и пластичность. Придает теплостойкость и магнитные свойства. Увеличивает жаропрочность и ударную вязкость.
Молибден повышает прочность, твердость, износостойкость, упругость, ударную вязкость и жаропрочность, незначительно понижает пластичность, увеличивает прокаливаемость, температуру отжига, нормализации и закалки.
Вольфрам резко увеличивает твердость, износостойкость, красностойкость, прокаливаемость и жаропрочность, повышает температуру отжига, нормализации и закалки. При массовой доле вольфрама в пределах 1 % увеличивается пластичность стали.
Ванадий повышает износостойкость, твердость, прочность и пластичность, увеличивает прокаливаемость и температуру нагрева для отжига, нормализации и закалки.
В теплостойкие, коррозионно-стойкие и электротехнические стали вводят также редкоземельные элементы:
· лантан,
· ниодим,
· цирконий и др.
Согласно ГОСТ 5950—2000 приняты условные буквенные обозначения легирующих элементов:
· алюминий — Ю,
· азот — А,
· бор — Р,
· ванадий — Ф,
· вольфрам — В,
· кобальт — К,
· кремний — С,
· марганец — Г,
· молибден — М,
· медь — Д,
· никель — Н,
· ниобий — Б,
· селен — Е,
· хром — Х,
· цирконий — Ц,
· титан — Т,
· фосфор — П,
· редкоземельные металлы — РЗМ.
Кроме того, стандартом предусмотрены и другие обозначения отдельных групп легированных сталей:
· Р — быстрорежущие;
· Ш (в конце марки) — сталь особовысококачественная;
· Ш (впереди марки) — сталь подшипниковая;
· А (впереди марки) — сталь автоматная;
· А (в конце марки) — сталь высококачественная;
· А (в середине марки) — сталь с содержанием азота;
· Э — сталь электротехническая;
· Е (впереди марки) — сталь магнитная;
· О — сталь холоднокатаная текстурированная;
· ОО — сталь холоднокатаная высокотекстурированная;
· И — сталь исследовательская;
· П — сталь пробная;
· ЭП — сталь пробная, полученная электроплавкой.
Легированные стали выпускаются улучшаемые термической обработкой и цементуемые, т. е. подвергаемые химико-термической обработке. В основном все признаки классификации легированных сталей заложены в принципы маркировки.
Принцип маркировки легированных конструкционных сталей рассмотрим на примерах. Марка 15ХА — сталь легированная конструкционная хромистая, цементуемая, высококачественная, массовая доля углерода — 0,15 %, хрома — примерно 1 %, с пониженным содержанием вредных примесей (серы и фосфора). Марка 30ХГСН2А — сталь легированная конструкционная улучшаемая, хромокремнемарганцево-никелевая, высококачественная, массовая доля углерода — 0,3 %, хрома, марганца и кремния — по 1 %, никеля — 2 %, имеет пониженное содержание вредных примесей. Легированные конструкционные стали по ГОСТ 4543—71* по массовой доле углерода подразделяются на цементуемые и улучшаемые стали.
Цементуемые легированные стали — это низкоуглеродистые (до 0,3 % углерода) и низко- и среднелегированные стали марок 15Х, 20Х, 15Г, 20Г, 10Г2, 18ХГТ, 20ХГТ и др. В связи с низкой массовой долей углерода эти стали закалке не подвергаются. С целью улучшения механических свойств поверхностей деталей их насыщают углеродом (цементация). После цементации производится закалка с последующим отпуском. После закалки и отпуска поверхность деталей имеет высокую износостойкость, твердость 58 … 63 НRС и прочную и вязкую сердцевину.
Улучшаемые легированные стали — это среднеуглеродистые (массовая доля углерода — более 0,3 %) и среднелегированные стали марок 30Х, 30Г 35Х, 38ХА, 40Х, 50Х, 50Г, 50Г2, 30ХГТ и др. Повышение механических свойств улучшаемых легированных сталей производят путем закалки и последующего отпуска.
Легированные стали маркируются цифрами, указывающими массовую долю углерода и легирующих элементов, и буквами, обозначающими легирующие элементы.
Буквой А в конце марки обозначают сталь высококачественную, а буквой Ш — особовысококачественную. Эти стали имеют пониженную массовую долю вредных примесей — серы и фосфора.
Цифры, стоящие вначале, указывают на содержание углерода: в конструкционных сталях — в сотых долях процента, в инструментальных — в десятых долях процента.
Если впереди марки цифр нет, то массовая доля углерода в пределах 1 %.
Цифры, стоящие после букв, соответствуют массовой доле легирующих элементов в процентах.
Если после букв цифр нет, то массовая доля легирующих элементов в пределах 1 %.
Например, 18Х2Н4МА — легированная конструкционная высококачественная (с пониженным содержанием серы и фосфора) хромоникельмолибденовая (2 % хрома, 4 % никеля, 1 % молибдена, 0,18 % углерода) сталь.
Так как массовая доля углерода — до 0,3 %, сталь является цементуемой, т. е. улучшается химико-термической обработкой.
Сталь легированная конструкционная поставляется в виде сортового проката, в том числе фасонного, калиброванного и шлифованного прутка и серебрянки, полосы, поковок и кованых заготовок, труб, листов разной толщины и других видов проката. Легированная конструкционная сталь выпускается горячекатаной и кованой с обточенной или ободранной поверхностями, калиброванной и со специальной отделкой поверхностей круглого сечения.
В зависимости от назначения сталь подразделяется на четыре подгруппы:
· для горячей обработки давлением;
· для холодной механической обработки (точение, строгание, сверление, фрезерование и др.);
· для холодного волочения (подкат);
· для горячей осадки, штамповки, высадки.
Сталь может поставляться в термически обработанном состоянии (Т), без термической обработки и нагартованная (Н).
Легированные цементуемые конструкционные стали применяются для изготовления деталей, работающих в условиях трения при незначительных нагрузках: втулок, пальцев, валиков, толкателей, шестерен и др.