Конструкционные легированные стали

Классификация легированных сталей

Легированные стали классифицируются по нескольким признакам.

По химическому составу сталь подразделяется в зависимости от того, какими элементами она легирована: хромистая (Cr), марганцовистая(Mn), хромоникелевая (Cr и Ni), хромоникельмолибденовая (Cr, Ni, Mo) и т.д.

По количеству легирующих элементов стали подразделяют на: низколегированные, при содержании легирующих элементов в сумме до 2,5%; среднелегированные - 2,5 - 10%; высоколегированные - свыше 10%. Если сумма легирующих элементов превышает 50%, то получается сплав, а не сталь.

По назначению стали подразделяются на: конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими и химическими свойствами. При этом, конструкционные стали подразделяют на цементуемые (с низким содержанием углерода - до 0,25-0,30%) и улучшаемые (при более высоких значениях содержания углерода).

По структуре стали делятся на классы: ферритный, перлитный, бейнитный, мартенситный, аустенитный и ледебуритный (карбидный).

К ферритному классу относится сталь с высоким содержанием элемента, расширяющего область α-железа и сужающего аустенитную γ-область, таким образом, что сталь при небольшом содержании углерода при комнатной температуре получает структуру чистого феррита. К сталям ферритного класса относится, например, хромистая низкоуглеродистая нержавеющая сталь с содержанием хрома 13%.

К перлитному классу относится большинство сренеуглеродистых и высокоуглеродистых конструкционных и инструментальных сталей с небольшим и средним содержанием легирующих элементов. Стали этого класса в нормализованном состоянии (после охлаждения на воздухе из аустенитного состояния) состоят преимущественно из перлита и при наличии других фаз в качестве избыточной структурной составляющей.

К бейнитному классу относят стали, получающих после охлаждения на воздухе бейнитную структуру.

Мартенситный класс составляют высоколегированные стали с высокой устойчивостью аустенита к распаду, в которых при охлаждении на воздухе образуется мартенсит.

Стали ледебуритного (карбидного) класса характеризуются наличием в их структуре устойчивого ледебурита (карбидной эвтектики), образовавшегося при первичной кристаллизации, и сохраняющегося в слитке и промежуточной заготовке. В готовом прокате карбидная эвтектика, раздробившись, может образовывать карбидную неоднородность (строчечность) в инструментальной быстрорежущей и штамповой сталях.

Необходимо иметь в виду, что, с учетом особенностей классификационных признаков одна и та же сталь может одновременно относиться к одному или нескольким классификационным группам. Например, хромоникелевая нержавеющая сталь одновременно относится к группе сталей с особыми свойствами, и к группе конструкционных сталей. Стали инструментальные быстрорежущие ледебуритного (карбидного) класса одновременно можно отнести и к сталям мартенситного класса.

Маркировка легированных сталей

В соответствии с действующими государственными стандартами в России принят буквенно-цифровой принцип маркировки легированных сталей (таблица 6.1).

Таблица 6.1 - Примеры марок сталей и их среднего химического состава

Марка стали	Химический состав и классификационные характеристики стали
40Х	0,4% С, 1% Cr, сталь хромистая, конструкционная, улучшаемая, низколегированная, перлитного класса;
18ХГТ	0,18% С, 1% Cr, 1% Mn, 0,1% Ti, сталь хромомарганцевотитановая, конструкционная, цементуемая, низколегированная, перлитного класса;
9ХС	0,9% С, 1% Cr, 1% Si, сталь хромокремнистая инструментальная низколегированная перлитного класса;
ХВГ	1% С, 1% Cr, 1% W, 1% Mn, сталь хромомарганцевовольфрамовая, инструментальная, перлитного класса

Легирующие компоненты в марках сталей обозначаются большими буквами русского алфавита: Х - хром, Н - никель, В - вольфрам, Ф - ванадий, М - молибден, Т - титан, Ю - алюминий Д - медь, К - кобальт, Ц - цирконий, Р - бор, Б - ниобий, Г - марганец, С - кремний. Буква А, стоящая перед началом марки - обозначает марку автоматной стали с улучшенной обрабатываемостью резанием, что достигается введением в сталь повышенного содержания серы или свинца. Если буква А стоит в середине марки, то она обозначает азот, специально введенный в сталь. Если буква А стоит в конце марки, то это обозначает высококачественную сталь с пониженным содержанием серы и фосфора.

Две цифры, стоящие перед буквенным обозначением, соответствуют количеству в стали углерода в сотых долях процента, а также показывают принадлежность стали этой марки к группе конструкционных сталей. Если впереди букв стоит одна цифра, то она обозначает содержание углерода в десятых долях процента, и то, что данная марка соответствует инструментальной стали. Если перед буквенным обозначением марки цифры нет, то это значит, что в инструментальной стали содержание углерода, в среднем 1,0%.

Цифры, стоящие после каждой буквы, обозначают содержание в целых процентах того элемента, после которого они стоят. Если после буквы, обозначающей элемент в марке стали, цифры нет, то это значит, что количество этого элемента в стали равно или около одного процента. Исключение составляют: Mo, Ti, Zr, V, содержание которых в этом случае составляет от 0,1 до 0,3%.

Для некоторых марок сталей применяются особые буквенные обозначения. Это в первую очередь относится к букве А, о которой говорилось выше. Быстрорежущие стали начинаются с буквы Р, шарикоподшипниковые - с буквы Ш, электротехнические - с буквы Э. Исследовательские марки, не внесенные в стандарты, имеют заводские маркировки, например, ЭИ - завод "Электросталь" (ЭИ-69, ЭИ-914 и т.д.).

Кроме углеродистых конструкционных сталей, рассмотренных в 5-й главе, в промышленности используются стали легированные. В связи с особенностями их химического состава, условиями их производства и поставки целесообразно их разделить на следующие группы:

строительные низколегированные стали;

автоматные стали;

конструкционные стали общего назначения, в том числе: цементуемые, улучшаемые, азотируемые;

высокопрочные стали;

пружинно-рессорные стали;

стали для шариковых (роликовых) подшипников;

стали литейные.

Строительные стали.Строительные стали можно разделить на две подгруппы: стали доля сварных металлоконструкций и арматурная для армирования железобетонных конструкций. Свариваемые строительные стали предназначены для изготовления конструкций мостов, ферм, котлов, газо- и нефтепроводов и т.д. Важнейшим отличительным свойством таких сталей является высокая технологичность сталей при сварке, или свариваемость.

Свариваемость стали определяется углеродным эквивалентом, который зависит в основном от содержания углерода. Для того чтобы стали хорошо сваривались, значение углеродного эквивалента не должно превышать 0,3 (Сэкв ≤0,3). В связи с этим содержание углерода в строительных сталях не должно бвть более 0,22 %.

Кроме углеродистых сталей обыкновенного качества по ГОСТ 380-94 и проката из качественной стали по ГОСТ 1050-88 (см. гл. 5), в качестве свариваемых строительных сталей используют малолегированные малоуглеродистые стали: 09Г2; 09Г2Д; 14Г2; 17ГС; 17Г1С; 09Г2С; 10Г2С1; 15ГФ; 14Г2АФ; 14Г2АФД; 16Г2АФ; 10Г2Б; 10ХСНД по ГОСТ 19281-89. Поставка сталей в горячекатанном и термически обработанном состоянии. Предел текучести, в зависимости от марки стали, не менее 290 - 390 МПа, при относительном удлинении не менее 21 - 19%.

В качестве арматурных сталей при изготовлении железобетонных конструкций чаще всего используют стали углеродистые обыкновенного качества по ГОСТ 380-94 (Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст5сп, Ст5пс). К недостаткам углеродистых свариваемых строительных сталей относят низкую хладностойкость, что приводит к снижению механических характеристик, особенно при эксплуатации их в Сибири и районах крайнего Севера. Повышение прочности и надежности при эксплуатации является проблемой, решаемой с помощью применения легированных сталей. Применяют низколегированные стали 18Г2С; 25Г2С; 35ГС; 80С по ГОСТ 5781-82. В зависимости от марки стали и применяемой технологии упрочнения легированные стали могут иметь предел текучести не менее 290 - 590 МПа, при относительном удлинении не менее 19 - 6%.

Автоматные стали. Обрабатываемость резанием характеризуется способностью получения высокой чистоты поверхности деталей при обработке режущими инструментами при высоких скоростях резания с минимальными усилиями, за счет исключения налипания на инструмент трудноломающейся длинной стружки. Автоматные стали специально созданы для изготовления массовых деталей, к материалу которых не предъявляется высоких требований по механическим свойствам, но которые должны с высокой степенью технологичности и высокой производительностью изготавливаться на металлорежущих станках-автоматах с высокими требованиями по размерам и чистоте поверхности. Такие стали используются, например, для крепежных деталей.

Автоматные стали созданы на основе введения в сталь присадок S, Se, Ca, Fe, Pb, которые приводят к образованию включений, способствующих получению легко ломающейся стружки. Введение в сталь этих элементов понижает конструктивную прочность сталей, уменьшает предел выносливости после цементации до 40 %. Углеродистые автоматные стали маркируют буквой «А» и цифрами, обозначающими содержание углерода в сотых долях процента: А12, А20, А30. При повышенном содержании Mn (до 1 %): А12Г. При введении других элементов они указываются буквами, например: АС11, АС14 – стали, содержащие свинец до 0,15 – 0,3 %. Для сохранения высоких механических свойств автоматные стали могут легироваться марганцем, кремнием, хромом, молибденом и др. В этом случае марки стали следующие: АС38Г2, АС30ХМ, АС38ХГМ. Их используют в деталях двигателей.

Кальций вводится в виде силикокальция, глобулирует сульфидные включения, что повышает обрабатываемость. Сера способствует образованию вытянутых вдоль направления прокатки сульфидов марганца, которые оказывают смазывающее действие, и нарушают сплошность металла в зоне резания, образуя короткую и ломкую структуру стружки. Стали с повышенным содержанием серы (0,08 – 0,3 %) обладают повышенной анизотропией механических свойств. Свинец, при содержании до 0,15 – 0,3 % повышает обрабатываемость резанием при средних и пониженных скоростях резания (до 100 об/мин).

Конструкционные стали общего назначения, в том числе: цементуемые, улучшаемые, азотируемые.Углеродистые стали для машиностроения и других отраслей промышленности используются только в тех случаях, если к материалу изделий не предъявляются высокие требования по механическим свойствам, а также для изготовления мелких деталей, что связано с малой прокаливаемостью углеродистых сталей. Высокий комплекс механических свойств может быть получен на сталях с оптимальной степенью легирования в зависимости от размеров изделия и ответственности изделия в процессе эксплуатации. Конструкционные легированные стали общего назначения, преимущественно, поставляются по ГОСТ 4543-88.

Для изготовления цементуемых и нитроцементуемых деталей используются малоуглеродистые (до 0,25% С) мало и среднелегированные стали. Легирование одним компонентом (например, хромом) позволяет применять после цементации закалку в масло против закалки в воде углеродистых сталей, что уменьшает коробление и устраняет опасность образования трещин (стали, 15Х, 20Х). Увеличение степени легирования хромом, а также дополнительное легирование никелем, молибденом, вольфрамом увеличивает прокаливаемость и позволяет получать после цементации, нитроцементации и окончательной термической обработки высокий комплекс механических свойств не только в поверхностном цементованном слое но и в сердцевине крупногабаритных изделий (стали 20ХН, 12ХН3А, 12Х2Н4А, 18Х2Н4МА, 18Х2Н4ВА). Легирование титаном уменьшает склонность к росту зерна стали при цементационном нагреве (стали 18ХГТ, 25ХГТ).

Улучшаемые стали - это стали, для которых основным методом упрочнения изделий по всему сечению является улучшение, т.е. закалка с высоким отпуском. После улучшения изделия по всему сечению имеют сочетание высоких прочностных (предел прочности, предел текучести) и пластических характеристик (относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость). Создание высокопрочного состояния по всему сечению требует особого подхода к легированию для изделий с разными размерными характеристиками. Для изделий малых сечений в качестве улучшаемых сталей можно применять и углеродистые стали, например, 35, 40, 45, 50. Эти стали составляют первую группу улучшаемых сталей. Они прокаливаются насквозь при диаметре до 10 мм.

Вторую группу составляют хромистые стали (30Х, 40Х), у которых критический диаметр при закалке в масле составляет 15-20 мм. В третью группу входят стали типа 30ХМ, 35ХМА, 40ХГ, 30ХГТ, 30ХГС, у которых критический диаметр 20-25 мм. Четвертую группу составляют стали типа 40ХН, 40ХНМ Д_кр=35-40мм. К пятой группе относятся комплексно легированные стали, например, 38ХН3МФА, у которых Д_кр превышает 100 мм.

Азотируемые стали относятся к группе улучшаемых сталей, поскольку, они перед азотированием подвергаются предварительной термической обработке для упрочнения сердцевины. Однако они должны иметь способность к образованию высокопрочных нитридных слоев при насыщении поверхности изделия азотом. В этой связи азотируемые стали содержат, кроме хрома, молибден и алюминий (марки 38ХМЮА, 38ХЮА, 38Х2МЮА).

Высокопрочные стали. В группу высокопрочных сталей относят такие стали, гарантированный предел прочности которых превышает 1500 МПа. К этому классу относятся, например, комплексно легированные мартенситностареющие стали (МСС) и стали с пластичностью, наведенной превращением (ПНП-стали, трип-стали). МСС марки 03Н18К9М5Т - практически безуглеродистая сталь (0,03% С) после закалки с температуры 800 - 850 ˚С с охлаждением на воздухе получает структуру безуглеродистого мартенсита, а упрочняется (σ_в = 2000МПа, δ = 12%) в результате дисперсионного твердения распадающегося мартенсита за счет выделения дисперсных включений Ni₃Ti, Fe₂Mo и др. Такое явление называется старением мартенсита, а сталь в связи с этим - мартенситностареющей. Такие стали применяются в самолето- и ракетостроении, в криогенной технике и при повышенных температурах, вплоть до 450 ˚С.

ПНП стали - это стали аустенитного класса. Примером сталей является сталь марки 30Х9Н8М4Г2С2. После закалки от 1000-1100 ˚С сталь имеет аустенитную структуру, поскольку точка начала мартенситного превращения лежит ниже 0 ˚С. Последующая пластическая деформация при температурах 400 - 600 ˚С вызывает явления наклепа и выделение карбидов, что упрочняет сталь (σ_в = 1800 - 2000Мпа, δ ≥ 20% ). Высокие значения относительного удлинения обусловлены тем, что деформация стали в шейке образца при растяжении вызывает развитие мартенситного превращения, упрочняющего металл в шейке, в результате чего шейка растягивающегося образца перемещается по длине образца до тех пор, пока не произойдет критической концентрации внутренних напряжений. А это оказывается возможным только после распространения зоны шейки через всю рабочую зону образца.

Область применения стали: детали авиаконструкций, броневой лист и др.

Пружинно-рессорные стали. Основным требованием к пружинно-рессорным сталям являются высокие значения пределов упругости, выносливости, ударной вязкости, что обеспечивается повышенным содержанием в стали углерода при умеренной степени легированности. В качестве пружинных сталей широко применяются углеродистые стали марок 65, 70, 75, 80, которые для достижения комплекса свойств, соответствующих пружинам, подвергаются специальной обработке - "патентированию", при котором процессы холодного волочения чередуются с изотермической обработкой на троостит. Такая обработка позволяет получать предел прочности на тонкой пружинной патентированной проволоке до 4000-5000МПа, что недостижимо на сталях никакими другими методами обработки. Ограничением применения такой проволоки или ленты является размерный фактор, поскольку проволока диаметром 1,0 мм уже может иметь предел прочности 2 - 3 раза ниже указанных предельных значений.

Пружины более крупных размеров, изготавливаемых методами горячей навивки, а также рессоры изготавливаются из легированных пружинных сталей 65Г, 55С2, 60С2А, 70С3, 50ХГА. Для клапанных пружин, работающих при повышенных температурах, используют сталь 50ХФА. Крупные тяжело нагруженные пружины изготавливают из сталей 60СХФА, 65С2ВА. Пружины холодной навивки из патентированной проволоки требуют проведения после навивки только низкотемпературного отпуска при температуре 300-320 ˚С, а после горячей навивки или гибки рессор требуется проведение упрочняющей термической обработки, состоящей из закалки и среднетемпературного отпуска при температурах 400-500 ˚С.

Стали для шариковых и роликовых подшипников. Стали для изготовления шарико- и роликоподшипников поставляется по ГОСТ 801-78. Основной маркой является сталь ШХ15. Кроме того, известна экономно легированная сталь ШХ4 для мелких сортаментов, и сталь для тяжелонагруженных подшипников ШХ15СГ. Все эти стали содержат, в среднем, 1,0% углерода, и хром в количестве, соответствующем цифре после буквы Х в десятых долях процента, т.е. 0,4% в стали ШХ4 и 1,5% в сталях ШХ15 и ШХ15СГ. Последняя сталь содержит также повышенное количество марганца (1%) и кремния (0,4 - 0,65%). Подшипники, работающие в агрессивных средах, изготавливаются из высокохромистой стали 95Х18 с 18% хрома.

Термическая обработка подшипниковых сталей состоит из закалки с температуры 830-840 ˚С с низкотемпературным отпуском при 160-200 ˚С. При этом достигается твердость не ниже HRC 62.