Где используют легированные конструкционные стали?

Легированная сталь — описание, маркировка, состав и где применяется

Среди металлов на первом месте находится сталь – наиважнейший ресурс любого государства. Различают много видов и марок этого железо-углеродистого сплава. Ниже будет подробно рассказано о легированной стали — что это, чем она отличается от углеродистой (нелегированной) продукции, какая существует классификация сплавов и как расшифровывать маркировку.

Что такое сталь

Сплав на основе железа (не менее 45%) называют сталью. В зависимости от процентного содержания второго исходного компонента – углерода, различают сплавы высокоуглеродистые (0,6-2,14% С), среднеуглеродистые (0,25-0,6% С), и низкоуглеродистые (не более 0,25% С). Чем выше данный показатель, тем более прочная и упругая сталь, но в то же время с пониженной пластичностью и сопротивляемостью ударам.

Обязательными компонентами в составе сплава являются раскислители – марганец и кремний. Эти химические элементы присутствуют в незначительном количестве, и на свойства не влияют. Их цель – нейтрализация вредного действия кислорода.

Даже качественная сталь содержит вредные примеси, от которых нельзя избавиться. Это:

сера, из-за которой возникают трещины;
фосфор, увеличивающий хрупкость (хладноломкость);
азот, кислород, водород – разрыхлители структуры стали;
окислы и нитриды, приводящие к разрывам.

Кроме перечисленных компонентов, в углеродистых сплавах всегда есть и другие вещества, которые попадают вместе с исходными материалами при выплавке: медь, цинк, хром, никель, свинец. Уровень их содержания настолько ничтожен, что они не оказывают ни положительного, ни отрицательного влияния.

Свойства и виды сталей

Стали присущи такие свойства:

Физические: теплоемкость, электро- и теплопроводность, расширение при нагревании.
Механические: прочность, твердость, упругость, пластичность, вязкость, выносливость.
Химические: жаропрочность, окалиностойкость, огнеупорность, сопротивление коррозии.

Чтобы существенно изменить свойства сплава, в сталь вводятся легирующие элементы – другие металлы и неметаллы. Такая технология была создана еще в 19 ст. Стали называются легированными, если доля каждого элемента составляет не менее 0,1%.

Отличия

Сталь легированная от нелегированной отличается химическим составом. Первая, кроме железа и углерода, содержит большой набор дополнительных компонентов, которые оказывают влияние на ее свойства. Углеродистая (классическая) сталь содержит следы случайных примесей, которые не оказывают значительного влияния на ее свойства.

Другие отличия от обычных углеродистых сплавов:

устойчивость к коррозии и воздействию агрессивных сред;
искрение металла, если поднести его заточному кругу;
бывает низкая несущая способность;
более высокие затраты производства.

Легирующие добавки

Для легирования сталей используют химические элементы из разных групп таблицы Менделеева. Легирующие металлы (в русскоязычной маркировке сплавов обозначаются русскими буквами) вводятся в сплав для изменения следующих характеристик:

Никель (Н) – повышение теплоемкости, вязкости, пластичности, уменьшение хрупкости, что важно для обработки давлением.
Хром (Х) – повышение твердости и ударопрочности. Сильная защита от коррозии, поэтому много хрома в нержавейке.
Ниобий (Б) – улучшение устойчивости к кислотам.
Кобальт (К) – повышение жаропрочности, увеличение сопротивляемости ударам.
Медь (Д) – увеличение прочности, но с некоторым уменьшением уровня вязкости. Используется преимущественно в строительной стали.
Титан (Т) и цирконий (Ц) – снижение зернистости. Структура сплава становится однородной, что снижает вероятность появления трещин.
Вольфрам (В) и молибден (М) – повышение прочности при термической обработке, устойчивость к ржавлению.
Алюминий (Ю) – добавление стойкости к появлению окалин при высоких температурах.
Ванадий (Ф) – улучшение структуры, увеличение жаропрочности.

Список дополняют неметаллические добавки:

Марганец (Г) – уменьшение вредного влияния серы, фосфора и кислорода.
Кремний (С) – повышение прочности с сохранением вязкости.
Селен (Е) – улучшение текучести, облегчение механической обработки стальных деталей.
Бор (Р) – улучшение микрострутуры, повышение прокаливаемости.
Азот (А) – улучшение механических свойств, используется в высоколегированных сталях.

Расшифровка маркировки стали

Чтобы определить марку стали, разработано специальное обозначение, согласно ГОСТ 4543-71. В его основе цифры и буквы. Первая литера показывает, к какой группе сталей относится сплав. Например:

Я – хромоникелевая нержавейка;
А – автоматная сталь;
Ж – нержавейка;
Е – магнитная сталь;
Р – быстрорежущая;
Ш – шарикоподшипниковая;
ШХ – шарикоподшипниковая хромистая сталь.

Если буква отсутствует, это означает принадлежность к классическому сплаву с использованием добавок.

Первая цифра в маркировке обозначает сотые доли процентного содержания углерода. Далее идут буквы и цифры, указывающие на легирующие добавки и их содержание, также в процентах. Например, маркировку Х5Х18Н10 следует читать так: хромистая сталь, содержащая 0,05% углерода, 18% хрома, 10% никеля. На английском языке маркировка выглядит иначе: X5CrNi18-10.

ЕХ9К15М. Означает: магнитная хромистая сталь, содержит 0,09% углерода, 15% кобальта, не более 1% молибдена.
38ХН3МФ: 0,38% углерода, менее 1% хрома, 3% никеля, молибдена и ванадия не более 1%.

Процентное соотношение добавок записывается целыми числами, без десятых и сотых долей.

В конце маркировки (справа) также могут присутствовать буквы: А – высококачественная, Ш – особовысококачественная сталь. Другие буквы обозначают способ производства: ТО (Т) – термически обработанная, Н – нагартованный прокат.

Классификация легированных сталей

Классификация и маркировка легированных сталей осуществляется по нескольким параметрам.

По качеству

В зависимости от количества вредных примесей (сера, фосфор), легированные стали бывают качественные (S≤0,04%, P≤0,035%), высококачественные (S≤0,025%, P≤0,025%), особо высококачественные: (S≤0,06%, P≤0,07%).

По количеству добавок

В зависимости от общего количества добавок, различают такие виды легированной стали:

Высоколегированная сталь: 10-50% легирующих добавок. Изделия максимально прочные, но и самые дорогие.
Среднелегированная: 2,5-10% добавок. Это самая ходовые марки.
Низколегированная: добавок не более 2,5%. Положительные качества улучшились, но на металлообработке заметно не сказались.

В зависимости от химического состава, стали называются: хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые, марганцовистые и другие. В маркировке обозначаются соответствующими буквами.

По назначению

По практическому применению различают стали конструкционные (машиностроительные, строительные, улучшаемые, цементуемые), инструментальные (для штампов, режущего и измерительного инструментов) и с особыми свойствами.

Состав и применение легированных сталей

Применение сплавов обусловлено их химическим составом. Так, строительные низколегированные стали используются для металлических конструкций с равномерно распределенной нагрузкой между всеми элементами. Единственное требование – хорошая свариваемость.

Виды конструкционных сталей:

Улучшаемые, с высоким содержанием хрома, обогащенные бором, никелем, молибденом, марганцем. Предназначены для термообработки.
Пружинно-рессорные. Эти сплавы легируются кремнием, кобальтом, марганцем, бором, титаном. Используются в производстве транспорта.
Подшипниковые. Обладают повышенной твердостью и износостойкостью. Обязательно содержат хром и минимум неметаллических добавок.
Теплоустойчивые. Используются для производства паровых нагревателей.

Инструментальные стали для фрез, резцов, метчиков легируются хромом, ванадием, титаном и др. добавками. Это очень дорогие быстрорежущие сплавы, поэтому используются только в режущих плоскостях. Для измерительных инструментов сталь легируют хромом, вольфрамом и марганцем. Это обеспечивает твердость и сохранение первоначальных размеров.

Стали с особыми свойствами:

Высокопрочные. Это высоколегированные стали со специально подобранным составом. Применяются для изготовления ответственных узлов механизмов.
Нержавеющие, с добавками марганца и хрома. Применяются для работы в химически агрессивных средах. Используются для изготовления труб.
Износостойкие, с высоким содержанием марганца. Используются для изготовления стрелок на железных дорогах, гусениц, горного оборудования, ковшей экскаваторов.

К этой группе относятся также жаропрочные, жароустойчивые, магнитные, немагнитные, реостатные, с высоким электросопротивлением сплавы.

Стальной металлолом

Цена на стальной лом зависит от 2-х параметров: вид добавки и качество стали. Легирующие сплавы с высоким содержанием цветных металлов ценятся выше чугуна, (особенно нержавейка и быстрорез). При низком содержании цветных металлов стальной металлолом идет по цене черного металла.

Особенности легированной стали — разновидности, применение

В современном мире имеется большое количество разновидностей стали. Это один из самых востребованных материалов, который используется практически во всех отраслях промышленности.

Что такое легированная сталь

Это углеродистая сталь для улучшения технологических свойств которой введены специальные легирующие элементы. Процент добавок в составе невелик, но даже при незначительной концентрации, физические свойства металла улучшаются в несколько раз.

В зависимости от вида используемых добавок при производстве стали металл приобретает следующие свойства:

неподверженность коррозии;
упругость;
тугоплавкость;
прочность.

Для придания перечисленных качеств в состав добавляют следующие металлы:

хром;
никель;
молибден;
вольфрам;
медь.

Зачастую в углеродистую сталь достаточно добавить 1 — 3% легирующих элементов для придания ей необходимых свойств и качеств.

Конструкционные легированные стали

Толстостенные трубы из конструкционной стали

Классификация этого вида низкоуглеродистого железа достаточно обширна. Среди параметров, определяющих сортировку конструкционной стали присутствуют:

форма и габариты;

процентная масса легирующих элементов;

химический состав и базовая примесь;

качество металла, его поверхности (две различные категории);

вид обработки.

Разобраться какие стали называются легированными (конструкционный металл) поможет ГОСТ 4543-71. Соответственно этому документу изготовляется конструкционное низкоуглеродистое железо. Таким образом, вопрос «дайте определение легированных сталей», сводится к ассортименту добавок, вводимых в металл для улучшения его характеристик. Это: азот, хром, кремний, бор, тугоплавкие металлы. Дополняют ряд никель, медь, алюминий и прочие цветные металлы.

Рассматривая конструкционные легирующие стали, следует обратить внимание на такой критерий, как общее содержание примесей. Он сортирует металл на три класса:

высоколегированный – доля добавок более 10%;

умеренный от 2.5 до 10%;

низкое содержание примесей — менее 2,5%.

Читать еще: Влияние титана на свойства стали

Во всех случаях указывается массовый процент легирующей добавки.

Химический состав – еще один фактор классификации. Классификация конструкционной легированной стали, разделяющий ее на качественную, высококачественную, маркируемую литерой «А» и металл электрошлакового переплава — особо высококачественная разновидность с ведущей «Ш» в маркировке.

Аналогично качеству химического состава, различают три категории легированной конструкционной стали, соответственно качеству обработки поверхности. Дополнительный критерий сортировки в этом случае – вид обработки. Это, во-первых, кованый или горячекатаный прокат, калиброванный металл, а также сталь со специальной отделкой поверхности.

Уровень термической обработки отражает маркировка легированных сталей. В частности, литера «Т» говорит о термически обработанном металле, «Н» – нагартованном. Обозначение легирующих элементов в стали указывается после содержания углерода (первая пара цифр).

Нагартовка — это упрочнение металлов и сплавов вследствие изменения их структуры и фазового состава в процессе пластической деформации при температуре ниже температуры рекристаллизации (определение из Википедии)

Дополнительные обозначения легированных сталей указывают на следующие особенности:

По степени раскисления. Параметр напрямую зависит от процентного вхождения кремния. Стали содержащие не более 0.07% называют кипящими, свыше 0.12% — спокойными. Интервал 0.07 – 0.12% соответствует полуспокойным маркам металла.
Непосредственно маркировка. Формируется из нескольких элементов. Первый – буквенное обозначение Б или В (группа А не обозначается) с последующим «Ст». Например, Ст1кп2; БСт2пс; ВСт6сп3. Второй – цифра, соответствующая номеру ГОСТ. Третий символ: буква «Г», присутствие которой указывает на повышенно содержание марганца. Далее идут степень раскисления металла и номер категории стали.
Применение. Параметр, указывающий, где используют легированные конструкционные стали. Маркировки Ст1, Ст2 отводятся под проволоку и изделия из прутков: гвозди или заклепки. Крепежные детали обозначаются Ст3, Ст4 а осевые элементы или валы под слабой нагрузкой – Ст5, Ст6.

Альтернативная классификация конструкционных сталей по сфере использования, разделяет металл на подшипниковый, рессорно-пружинный и теплоустойчивый. В первых двух случаях наименования говорят сами за себя, тогда как последний вариант соответствует металлу, сектор применения которого — энергетическое машиностроение. Подобные конструкционные стали используются в производстве котлов, паронагревателей или сосудов.

Свойства легированной стали

Свойства легированных сталей являются разнообразными. Они главным образом определяются теми добавками, которые применяются в качестве легирующих при производстве отдельных видов стальных материалов.

В зависимости от добавленных легирующих компонентов сталь приобретает следующие качества:

Прочность. Данное свойство приобретает после добавления в ее состав хрома, марганца, титана, вольфрама.
Устойчивость к образованию коррозии. Это качество появляется под воздействием хрома, молибден.
Твердость. Сталь становится боле твердой благодаря хрому, марганцу и другим элементам.

Внимание: Стоит отметить, что для того, чтобы легированная сталь была более прочной и устойчивой к внешнему влиянию окружающей среды необходимое содержание хрома не должно быть менее двенадцати процентов.

Сталь легированного типа при правильном процентном соотношении всех входящий в нее элементов не должна менять свои качестве при температуре нагревания до шестисот градусов Цельсия.

Производство легированной стали

Легированные стали: классификация и маркировка

Легированная сталь — это сталь, содержащая специальные легирующие добавки, которые позволяют в значительной степени менять ряд ее механических и физических свойств. В данной статье мы разберемся, что из себя представляет классификация легированных сталей, а также рассмотрим их маркировку.

Круглый прокат из легированной стали

Классификация легированных сталей

По содержанию в составе стали углерода идет разделение на:

низкоуглеродистые стали (до 0,25% углерода);
среднеуглеродистые стали (до 0,25% до 0,65% углерода);
высокоуглеродистые стали (более 0,65% углерода).

В зависимости от общего количества в их составе легирующих элементов, которые содержит легированная сталь, она может принадлежать к одной из трех категорий:

низколегированная (не более 2,5%);
среднелегированная (не более 10%);
высоколегированная (от 10% до 50%).

Свойства, которыми обладают легированные стали, определяет и их внутренняя структура. Поэтому признаку классификация легированных сталей подразумевает разделение на следующие классы:

доэвтектоидные — в составе присутствует избыточный феррит;
эвтектоидные — сталь имеет перлитную структуру;
заэвтектоидные — в их структуре присутствует вторичные карбиды;
ледебуритные — в структуре присутствует первичные карбиды.

По своему практическому применению легированные конструкционные стали могут быть: конструкционные (подразделяются на машиностроительные или строительные), инструментальные, а также стали с особыми свойствами.

Назначение конструкционных легированных сталей:

Машиностроительные — служат для производства деталей всевозможных механизмов, корпусных конструкции и тому подобного. Отличаются тем, что в подавляющем большинстве случаев проходят термическую обработку.
Строительные — чаще всего используются при изготовлении сварных металлоконструкций и термической обработке подвергаются в редких случаях.

Классификация машиностроительных легированных сталей выглядит следующим образом.

Жаропрочные стали активно используются для производства деталей, предназначенных для работы в сфере энергетики (например, комплектующие паровых турбин), а также из них делают особо ответственный крепеж. В качестве легирующих добавок в них используют хром, молибден, ванадий. Жаропрочные относятся к среднеуглеродистым, среднелегированным, перлитным сталям.
Улучшаемые (из категорий среднеуглеродистых, низко- и среднелегированных) стали, при производстве которых используют закалку, применяются для изготовления сильно нагруженных деталей, испытывающих нагрузки переменного характера. Отличаются чувствительностью к концентрации напряжения в рабочей детали.
Цементуемые (из категорий низкоуглеродистых, низко- и среднелегированных) стали, как можно понять по названию, подвергаются цементации и следующей после нее закалке. Их применяют для изготовления всевозможных шестерен, валов и других похожих по назначению деталей.

Зависимость толщины цементованного слоя от температуры и времени обработки

Классификация строительных легированных сталей подразумевает их разделение на следующие виды:

Массовая — низколегированные стали в виде труб, фасонного и листового проката.
Мостостроительная — для автомобильных и ж/д мостов.
Судостроительная хладостойкая, нормальная и повышенной прочности — хорошо противостоит хрупкому разрушению.
Судостроительная хладостойкая высокой прочности — для сварных конструкций, которым предстоит работать в условиях низких температур.
Для горячей воды и пара — допускается рабочая температура до 600 градусов.
Низкоопущенные высокой прочности — применяются в авиации, чувствительны к концентрации напряжений.
Повышенной прочности с применением карбонитритного упрочнения, создающим мелкозернистую структуру стали.
Высокой прочности с применением карбонитритного упрочнения.
Упрочненные прокаткой при температуре 700-850 градусов.

Применение инструментальных легированных сталей

Инструментальная легированная сталь широко используется при производстве разнообразного инструмента. Но помимо явного превосходства над углеродистой сталью в плане твердости и прочности, у легированной стали есть и слабая сторона — более высокая хрупкость. Поэтому для инструмента, который активно подвергается ударным нагрузкам, такие стали не всегда подходят. Тем не менее при производстве огромного перечня режущего, ударно-штампового, измерительного и прочего инструмента именно инструментальные легированные стали остаются незаменимыми.

Отдельно можно отметить быстрорежущую сталь, отличительными особенностями которой являются крайне высокая твердость и красностойкость до температуры 600 градусов. Такая сталь способна выдерживать нагрев при высокой скорости резания, что позволяет увеличить скорость работы металлообрабатывающего оборудования и продлить срок его службы.

К отдельной категории относятся легированные конструкционные стали, наделенные особыми свойствами: нержавеющие, с улучшенными электрическими и магнитными характеристиками. От того, какие элементы, а также в каких количествах преимущественно содержатся в них, они могут быть хромистыми, никелевыми, хромоникельмолибденовыми. Также они делятся на трех-, четырех- и более компонентные по числу содержащихся в них легирующих добавок.

Легирующие элементы и их влияние на свойства сталей

Маркировка легированных сталей указывает на то, какие добавки в ней содержатся, а также на их количественное значение. Но также важно знать и то, какое именно влияние на свойства металла оказывает каждый из этих элементов в отдельности.

Добавка хрома увеличивает коррозионную стойкость, повышает прочность и твердость, является основным компонентом при создании нержавеющей стали.

Добавление никеля повышает пластичность, вязкость стали и коррозионную стойкость.

Титан уменьшает зернистость внутренней структуры, повышая прочность и плотность, улучшает обрабатываемость и коррозионную стойкость.

Присутствие ванадия уменьшает зернистость внутренней структуры, что повышает текучесть и порог прочности на разрыв.

Добавка молибдена дает возможность улучшить прокаливаемость, повысить коррозионную устойчивость и снизить хрупкость.

Вольфрам повышает твердость, не дает зернам увеличиваться при нагреве и снижает хрупкость при отпуске.

При содержании до 1-15% кремний повышает прочность, сохраняя вязкость. При увеличении процента содержания кремния повышается магнитопроницаемость и электросопротивление. Также данный элемент увеличивает упругость, стойкость к коррозии и сопротивляемость к окислению, но также повышает хрупкость.

Введение кобальта увеличивает ударопрочность и жаропрочность.

Добавление алюминия способствует повышению окалиностойкости.

Таблица назначения некоторых видов стали

Отдельно стоит упомянуть примеси и их влияние на свойства сталей. Любая сталь всегда содержит технологические примеси, так как полностью удалить их из состава стали чрезвычайно трудно. К такого рода примесям относятся углерод, серу, марганец, кремний, фосфор, азот и кислород.

Оказывает на свойства стали очень значительное влияние. Если его содержится до 1,2%, то углерод способствует повышению твердости, прочности, предела текучести металла. Превышение указанного значения способствует тому, что начинает значительно ухудшаться не только прочность, но и пластичность.

Если количество марганца не превышает 0,8%, то он считается технологической примесью. Он призван повысить степень раскисления, а также противостоять негативному влиянию серы на сталь.

Читать еще: ГОСТ 14918 80 сталь тонколистовая оцинкованная

При превышении содержания серы выше 0,65% механические свойства стали существенно снижаются, речь идет об уменьшении уровня пластичности, коррозионной стойкости, ударной вязкости. Также высокое содержание серы негативно влияет на свариваемость стали.

Даже незначительное превышение содержания фосфора выше необходимого уровня чревато повышением хрупкости и текучести, а также снижением вязкости и пластичности стали.

Азот и кислород

При превышении определенных количественных значений в составе стали вкрапления данных газов повышают хрупкость, а также способствуют понижению ее выносливости и вязкости.

Слишком большое содержание водорода в стали ведет к увеличению ее хрупкости.

Маркировка легированных сталей

К категории легированных относится большое разнообразие сталей, что и вызвало необходимость в систематизации их буквенно-цифрового обозначения. Требования к их маркировке оговаривает ГОСТ 4543-71, согласно которому сплавы, наделенные особыми свойствами, обозначаются маркировкой, где на первой позиции стоит буква. По этой букве как раз и можно определить, что сталь по своим свойствам относится к определенной группе.

Пример расшифровки маркировки легированной стали

Так, если маркировка легированных сталей начинается с букв «Ж», «Х» или «Е» — перед нами сплав нержавеющей, хромистой или магнитной группы. Сталь, которая относится к нержавеющей хромоникелевой группе, обозначается буквой «Я» в ее маркировке. Сплавы, относящиеся к категории шарикоподшипниковых и быстрорежущих инструментальных, обозначаются буквами «Ш» и «Р».

Стали, относящиеся к легированным, могут принадлежать к категории высококачественных, а также особо высококачественных. В таких случаях в конце их марки ставится буква «А» или «Ш» соответственно. Стали, которые обладают обычным качеством, таких обозначений в своей маркировке не имеют. Специальное обозначение также имеют сплавы, которые получены прокатным методом. В таком случае в маркировке присутствует буква «Н» (нагартованный прокат) или «ТО» (термически обработанный прокат).

Точный химический состав любой легированной стали можно посмотреть в нормативных документах и справочной литературе, но получить такую информацию позволяет и умение разбираться в ее маркировке. Первая цифра позволяет понять, сколько углерода (в сотых долях процента) содержит легированная сталь. После этой цифры в марке перечисляются буквенные обозначения легирующих элементов, которые содержатся дополнительно.

Обозначение легирующих элементов в маркировке стали

После каждой такой буквы проставляется количественное содержание указанного элемента. Выражается это содержание в целых долях. После буквы, обозначающей элемент, может не стоять никакой цифры. Означает это то, что его содержание в стали не превышает 1,5%. Государственный стандарт 4543-71 регламентирует обозначение легирующих добавок, входящих в состав легированной стали: А — Азот, Б — Ниобий, В —Вольфрам, Г — Марганец, Д — Медь, К — Кобальт, М — Молибден, Н — Никель, П — Фосфор, Р — Бор, С — Кремний, Т — Титан, Ц — Цирконий, Ф — Ванадий, Х — Хром, Ю — Алюминий.

Использование легированных сталей

Сегодня сложно найти сферу жизни и деятельности, в которых бы не использовалась легированная сталь. Из инструментальных и конструкционных сталей производится практически любой инструмент: резцы, фрезы, штампы, измерительные устройства, шестерни, пружины, подвески, растяжки и многое другое. Нержавеющие легированные стали активно используются и в быту, из них изготавливают посуду, корпуса и другие элементы многих видов бытовой техники.

Легированные стали по причине их высокой стоимости используются только для производства самых ответственных конструкций и деталей, где изделия из других металлов просто не смогут выполнить возложенные на них задачи.

Применение легированных сталей. Классификация и маркировка сплавов

Уже более 3 000 лет человечество обрабатывает железо изготавливая различные орудия, машины, домашнюю утварь. Несмотря на относительно высокие механические свойства этого металла его разрушение в результате коррозии не способствует долговременному использованию железных изделий на открытом воздухе.

Ещё одним существенным ограничением в использовании данного металла является его невысокие эстетические качества. Чтобы существенно улучшить данные свойства при производстве стали используются добавки придающие устойчивость к окислению, появлению на её поверхности блеска и существенному увеличению прочности металла.

Что такое легированная сталь

В зависимости от вида используемых добавок при производстве стали металл приобретает следующие свойства:

неподверженность коррозии;
упругость;
тугоплавкость;
прочность.

Для придания перечисленных качеств в состав добавляют следующие металлы:

хром;
никель;
молибден;
вольфрам;
медь.

Зачастую в углеродистую сталь достаточно добавить 1 — 3% легирующих элементов для придания ей необходимых свойств и качеств.

Виды легированных сталей

От процентного содержания добавок стали разделяются на:

Низколегированные — содержание добавок менее 2,5%
Среднелегированные — 2,5 — 10%.
Высоколегированные — более 10%.

Также легированные стали подразделяются на следующие виды:

конструкционные;
инструментальные;
с особыми физическими свойствами.

Конструкционные и инструментальные изделия используются в тех областях применения металлов, где необходима повышенная прочность. Легированные стали с особыми физическими свойствами могут быть устойчивыми к коррозии, высокой температуре и к химически агрессивным средам.

Маркировка легированных сталей

Из-за большого разнообразия сплавов с улучшающими добавками появилась необходимость в их маркировке. Легированные стали классификация и маркировка которых будет приведена ниже очень легко идентифицировать по буквенному обозначению, а также по указанию процентного состава тех или иных веществ в металле.

Маркировка включает в себя буквы, которые обозначают предназначение металла.

Ж, Х, Е — обозначение нержавеющих, хромистых и магнитных сплавов.
Я — хромоникелевая нержавеющая сталь.
Ш — шарикоподшипниковая.
Р — режущая.
А, Ш — качественная и высококачественная легированная сталь.

Также в сплавах могут содержаться следующие элементы:

Азот — А
Алюминий — Ю
Бериллий — М
Бор — П
Вольфрам — В
Ванадий — Ф
Кобальт — К
Кремний — С
Марганец — Г
Медь — Д
Молибден — М
Магний — Ш
Ниобий — Б
Никель — Н
Селен — Е
Титан — Т
Фосфор — П
Хром — Х
Цирконий — Ц
Редкоземельные металлы — Ч

Если легированные стали маркировка которых после букв не имеет цифр не содержат ниобия, молибдена, ванадия, алюминия, азота, бора, титана, циркония и редкоземельных металлов, то это будет говорить о том, что в материале содержание легирующего элемента менее 1,5%. Для перечисленных выше металлов имеется исключение из данного правила, по причине влияния на механические свойства сплава даже десятых долей процента.

Если перед буквенным обозначением стоит цифра, то это показатель содержания кремния, а расположение цифр после буквы указывает процентное соотношение обозначенных химических элементов.

Применение легированных сплавов

Благодаря высоким эксплуатационным характеристикам легированная сталь применение находит в машиностроении, изготовлении инструментов, труб и строительных материалов.

Детали машин обычно изготавливают из перлитных металлов. К этой категории материалов относятся низколегированные и среднелегированные стали, которые после отжига имеют структуру позволяющую легко обрабатывать металл с помощью режущего инструмента.

Низколегированные стали благодаря повышенным прочностным характеристикам позволяют существенно экономить денежные средства при строительстве крупногабаритных сооружений и машин. Например, в судостроительстве благодаря использованию материала удаётся уменьшить толщину применяемого металла.

Легированные стали с добавками хрома широко используются для производства изделий, которые устойчивы к воздействия молочной и уксусной кислоты, а также следующих деталей работающих под значительным давлением:

Поршневые пальцы, карданные крестовины и другие изделия предназначенные для эксплуатации в условиях повышенного износа.
Кулачковые муфты, плунжеры и шлицевые валики.
Шестерни коробок передач и червячные валы, а также другие изделия для работы на малых и средних скоростях.

Высоколегированная сталь широко используется для производства деталей устойчивых к коррозионному разрушению. Такие изделия также устойчивы к высоким температурам и способны работать в условиях до +1100 градусов.

Некоторые виды сплавов благодаря особым тепловым качествам имеют специальное применение, например:

ЭН42 — материал обладает коэффициентом расширения таким же как и у стекла, поэтому применяется в качестве электродов в лампах накаливания.
Х8Н36 — обладает постоянной упругостью, которая не изменяется в температурных пределах от минус 50 до +100 градусов. Благодаря неизменяемой упругости такой материал широко используется для
производства пружин для часовых механизмов и стрелочных измерительных приборов.
И36 — сплав обладает нулевым коэффициентом температурного расширения, поэтому идеально подходит для изготовления различных эталонов и калибровочных изделий.

Сварка легированных сталей: особенности

Легированные сплавы обладают хорошей пластичностью, поэтому из них можно изготовить сложные конструкции методом сварки. По причине различного содержания добавок каждый тип легированных изделий имеет свои особенности.

Сварка низколегированных сталей

Особенность сварных соединений низколегированных сталей заключается в высокой сопротивляемости холодным трещинам и хрупкому разрушению. Но, такие свойства соединительного шва можно достичь только при правильном сваривании.

Если процесс предварительного нагрева будет нарушен либо сварной шов подвергнется слишком быстрому остыванию металл может получить в местах соединения микроскопические повреждения, которые значительно уменьшат прочность всей конструкции.

Читать еще: Способы воронения стали в домашних условиях

Низколегированные стали марки 10Г2СД, а также 14ХГС и 15ХСНД свариваются с использованием аппарата постоянного тока с обратной полярностью. Электроды для сваривания должны иметь фтористо-кальциевое покрытие. Величина сварочного тока должна точно соответствовать типу электрода, толщине металла и типу сплава. Несоблюдение этого требования также отразится на качестве сварного шва и, как следствие, на прочности изготавливаемой конструкции.

Сварка низколегированной стали должна осуществляться без перерыва, чтобы весь шов был выполнен без при температуре металла не менее 200 градусов. Средняя скорость сварки составляет 20 м/ч, при напряжении 40 В и силе тока 80 А.

Сварка среднелегированных сталей

При изготовлении конструкций из среднелегированных сталей необходимо использовать сварочные материалы, в которых содержание легирующих элементов должно быть меньше, чем в свариваемом материале.

Только при использовании таких материалов можно добиться получения шва с высокой устойчивостью к деформации. Если при изготовлении изделий из среднелегированных сталей толщина листа не превышает 5 мм, то высокого качества соединения можно достичь при использовании аргонодуговой сварки.

Если для соединения деталей используется газовая сварка, то в качестве источника горения следует применять ацетилен в смеси с кислородом.

Сварка высоколегированных сталей

Если для производства металлических деталей применяется высоколегированная сталь, то в этом случае следует применять сварочное оборудование с минимальным тепловым захватом материала. Это необходимо для снижения вероятности коробления металла во время сварки, по причине большого содержания в составе металла различных примесей.

Электрическая сварка высоколегированных сплавов осуществляется с использованием электродов с фтористокальциевым покрытием. В этом случае удаётся добиться высоких показателей механической и химической прочности сварного шва.

Применение газовой сварки при изготовлении конструкций из высоколегированных сталей нежелательно. В исключительных случаях возможно использование газовой сварки для соединения жаропрочного высоколегированного стального листа толщиной не более 2 мм.

Заключение

Применение легированных сплавов при изготовлении металлических деталей и конструкций позволяет придать ним необходимые физические качества. При работе с такими металлами обозначение легирующих элементов в стали помогает подобрать заготовку с нужными параметрами, из которой затем будет изготовлена конструкция.

При использовании таких сплавов необходимо не только знать их состав, но и способы соединения при помощи сварки. Поэтому если следовать рекомендациям изложенным в данной статье, то можно получить высококачественное изделия с заданными параметрами.

Легированные конструкционные стали

Конструкционные легированные стали (ГОСТ 4543—71) широко применяются для деталей машин и механизмов, работающих в условиях сложного нагружения, т.е. под действием статических, динамических, знакопеременных нагрузок или при их одновременном действии (автомобильная промышленность, сельскохозяйственное и транспортное машиностроение, строительство и т.д.).

Преимущества и недостатки конструкционных легированных сталей:

Основные марки конструкционных легированных сталей (например, 20Х2Н4А, 15ХСНД, 18Х2Н4ВА идр.) — это сложнолегированные стали, где наряду с основными элементами (Cr, Ni, Si, Мп), вводимыми в состав для упрочнения и повышения прокаливаемости, присутствуют специальные элементы (W, V, Ti, А1 и др.), которые способствуют образованию в структуре дисперсных упрочняющих частиц типа VC, VN, AIN, WC, NbC и комплексных интер- металлидных фаз, повышающих упрочнение стали.

Для обеспечения работоспособности деталей из легированных сталей необходимо, чтобы они обладали высокой конструктивной прочностью — совокупностью характеристик материала, соответствующих необходимым служебным свойствам изделия в условиях реальной нагрузки. Конструктивная прочность определяется надежностью и долговечностью материала и обеспечивается рациональным легированием с учетом последующего упрочнения стали термической или другой обработкой.

Надежность — свойство материала противостоять хрупкому разрушению. Определяется пластичностью (8, %; |/, %); ударной вязкостью (KCU > 0,5 МДж/м 2 ); температурным порогом хладноломкости Т₅₀ или Г_пх; вязкостью разрушения КС_<] живучестью р.

Долговечность — свойство материала сопротивляться постепенному разрушению в течение заданного времени. Определяется механическими свойствами — ст_т, а_в, пределом усталости а _ь износостойкостью. Коррозионная стойкость и жаропрочность определяют работу детали в сложных условиях нагрева или в агрессивной среде.

Принцип рационального легирования — минимальное количество легирующих элементов в стали должно обеспечивать необходимые механические свойства, прокаливаемость, температурный порог хладноломкости.

Основное назначение легирующих элементов в конструкционных сталях:

• Хром (до 2%) растворяется в феррите и аустените, упрочняя твердый раствор, увеличивает прокаливаемость, задерживает распад мартенсита при отпуске, способствует получению высокой и равномерной твердости в стали. При содержании хрома более 12% сталь становится коррозионностойкой.
• Марганец (до 2%) растворяется в феррите, упрочняя твердый раствор и повышая свойства прочности, снижает красноломкость, увеличивает прокаливаемость. Однако марганец повышает порог хладноломкости, способствует росту зерна при нагреве, что может отрицательно сказаться на эксплуатационных свойствах стали. В специальных сталях количество марганца может быть увеличено до 14% (сталь Гатфильда).
• Никель (до 4%) увеличивает прочность без снижения пластичности и вязкости, увеличивает прокаливаемость, снижает температурный порог хладноломкости. Однако никель — дорогой материал, и на практике стараются ограничить использование никелевых сталей из-за их стоимости.
• Кремний (до 2%) растворяется в феррите, значительно упрочняя его и сохраняя при этом вязкость, повышает предел усталости, снижает чувствительность к надрезу, способствует повышению свариваемости, штампуемости. В сталь вводится в сочетании с другими элементами.
• Молибден (0,3—0,45%) снижает склонность к отпускной хрупкости; повышает прокаливаемость, понижает температурный порог хладноломкости, увеличивает статическую, динамическую и усталостную прочность, устраняет склонность к внутреннему окислению при цементации в среде эндогаза. В специальных сталях его количество может быть увеличено.
• Вольфрам (до 1,2%) снижает склонность к отпускной хрупкости II рода, увеличивает нрокаливаемость, упрочняет сталь, но снижает пластичность. Вольфрам измельчает зерно аустенита, повышает вязкость.
• Ванадий, цирконий, титан, ниобий (0,15—0,30% каждого элемента) измельчают зерно, снижают температурный порог хладноломкости, уменьшают чувствительность к концентраторам напряжений. Но с увеличением их количества происходит снижение прокаливаемое™ и сопротивления хрупкому разрушению, что обусловлено увеличением количества карбидных частиц на границах зерна.
• Бор в количестве 0,003—0,004% увеличивает ирокали- ваемость (затрудняет образование центров кристаллизации перлита на границах аустенитного зерна), однако повышает температурный порог хладноломкости.
• Присадки свинца и кальция улучшают обрабатываемость резанием.

Строительные стали (09Г2С, 15Г2СФ, 15ХСНД, 08Г2МФБ и т.д.) предназначены для использования в виде листов, сортового и фасонного проката без термической обработки у потребителя в капитальном строительстве, для труб, газопроводов, в судостроении, для металлоконструкций и в других отраслях машиностроения. Поставляются в горячекатанном состоянии с феррито-перлитной структурой (ГОСТ 19281—89).

Автоматные стали обладают высокой обрабатываемостью резанием, и предназначены для массового изготовления деталей из них на металлорежущих станках-автоматах. Автоматные стали маркируются буквой А, а далее следует цифра, показывающая процент углерода в стали (А12, А20, А35Е, АС40). Селеносодержащие стали имеют в марке букву Е, стали со свинцом — букву С. При повышенном содержании марганца (до 1%) в марке ставится буква Г.

Основные требования: хорошая обрабатываемость резанием, т.е. получение легко отделяемой, короткой и ломкой стружки. По сравнению с обычными углеродистыми сталями, в автоматных сталях повышенное содержание серы (до 0,3%) и фосфора (до 0,05%). У автоматных сталей, содержащих РЬ, Са, S и другие элементы, скорость резания увеличивается на 25—50%, а стойкость инструмента в 2—3 раза.

Конструкционные машиностроительные стали предназначены для изготовления деталей машин и механизмов. Классифицируются по составу (низколегированные, среднелегированные), обработке (цементуемые, улучшаемые), назначению (рессорно-пружинные, подшипниковые и г.д.).

Цементуемые стали (ГОСТ 1050—88) — низкоуглеродистые (до 0,25 %) низко- и среднелегированные стали — ГОСТ 4543—71. Количество легирующих элементов (марганец, хром, кремний, никель с добавками молибдена, ванадия, титана, бора) должно обеспечивать требуемую прокалива- емость, прочностные свойства и контактную выносливость. Свойства стали определяет последующая термическая обработка (твердый поверхностный слой HRC 58—62 и вязкая сердцевина HRC 30—35) (табл. 9.4). Термическая обработка — цементация или нитроцементация с последующей одинарной или двойной закалкой и низким отпуском (возможна закалка с нагрева под цементацию).

Улучшаемые стали (ГОСТ 4543—71) — среднеуглеродистые (до 0,5% С), низко- и среднелегированные стали (табл. 9.5). Основные легирующие элементы — хром, никель, марганец, кремний, добавки ванадия, вольфрама, титана, молибдена, бора. Требования — высокая конструктивная прочность, прокаливаемость, низкий температурный порог хладноломкости, высокое сопротивление хрупкому разрушению.

Термическая обработка на структуру сорбит отпуска — закалка при температуре 820—880 °С в масло и высокий отпуск с 550—650 °С. Для деталей, которым требуется повышенная твердость поверхности, проводится закалка ТВЧ с низким отпуском.

Применение: шатуны, ступицы, валы, тяги, штанги толкателей, пальцы, валы карданные, втулки, и др. детали, работающие в условиях сложного нагружения при динамических нагрузках.

Рессорно-пружинные стали (ГОСТ 14959—79) — среднеуглеродистые (0,5—0,8% С), низко- и среднелегированные стали. Применение: рессоры и пружины различного назначения в разных областях машиностроения. Основные требования — высокое сопротивление малым пластическим деформациям (высокий предел упругости о_упр), стойкость к релаксации напряжений, высокий предел выносливости ctq,2» МПа

голоса

Рейтинг статьи