Краткие теоретические сведения. Легированной сталью называется такая сталь, в которую при выплавке вводят элементы, изменяющие ее строение и свойства

Легированной сталью называется такая сталь, в которую при выплавке вводят элементы, изменяющие ее строение и свойства. Эти элементы называются легирующими. В углеродистой стали, кроме углерода, всегда содержится небольшое количество примесей: Mn ≤ 0,5 %; Si ≤ 0,4 %; Р ≤ 0,04 %; S ≤ 0,04 %.

Перечисленные примеси в указанных количествах практически не влияют на механические свойства углеродистой стали. Введение в сталь более 1 % любого из перечисленных элементов существенно сказывается на механических свойствах, и такие стали будут уже легированными. К легирующим относятся следующие элементы: Mn, Si, Cr, Ni, Mo, Ti, W, Nb, Al, Ta и др. Следовательно, легированная сталь – это многокомпонентный сплав "железо-углерод-легирующий элемент".

Маркировка и классификация легированных сталей.

Для обозначения состава легированной стали согласно государственному стандарту принято буквенно-цифровое обозначение. Буквы показывают наличие того или иного элемента. Так, например, Г обозначает марганец, С – кремний, Х – хром, Н – никель, В – вольфрам, Р – бор, Д – медь, Ю – алюминий, Т – титан, Ф – ванадий, К – кобальт.

Цифры, стоящие в начале марки, показывают: для конструкционных сталей – содержание углерода в сотых долях процента, для инструментальных – в десятых долях процента.

Цифры, следующие за буквами, указывают содержание соответствующего легирующего элемента, если его больше 1,5 %.

Буква А в конце марки показывает, что сталь высококачественная, т. е. серы и фосфора в ней не более чем 0,03% каждого; чистая по неметаллическим включениям; имеющая определенный номер зерна, определенную прокаливаемость и т. д.

Например, сталь 30ХГСА – высококачественная, имеет следующий состав: С = 0,3 %, Сr = 1,0 %, Mn = 1,0 %, Si = 1,0 %; сталь 9ХС – инструментальная, качественная, имеет следующий состав: С = 0,9 %, Cr = 0,95-1,25 % , Si = 1,2 - 1.6 %.

По назначению легированные стали делятся на следующие классы:

а) машиностроительные или конструкционные стали, идущие на изготовление деталей машин. Они разделяются, в свою очередь, на цементуемые, улучшаемые и пружинные;

б) инструментальные стали, идущие на изготовление различного инструмента: штампового, режущего, мерительного и др. Они делятся на углеродистые, легированные, быстрорежущие и твердые сплавы;

в) стали особого назначения. Они делятся на жаростойкие, нержавеющие, кислотостойкие, с особым коэффициентом расширения, магнитные, немагнитные и др.

По структуре легированные стали классифицируются в равновесном (отожженном) и в нормализованном состояниях.

Исходя из положения критических точек на диаграмме состояния и структуры легированные стали, также как и углеродистые стали, могут быть разделены на следующие три класса:

1) доэвтектоидные – структура: феррит и перлит;

2) заэвтектоидные – структура: перлит и вторичные карбиды;

3) ледебуритные – структура: перлит, вторичные карбиды и ледебурит.

Так как легирующие элементы смещают на диаграмме состояния критические точки Р и S влево, то в легированной стали перлит и ледебурит появляются при меньшем содержании углерода, чем в железоуглеродистых сплавах. Так, например, углеродистая сталь, содержащая 0,4 % углерода, будет доэвтектоидной; а легированная сталь при том же содержании углерода и 6,0 % вольфрама – заэвтектоидной, если же вольфрама будет 13 %, то сталь станет ледебуритной.

В зависимости от содержания в стали легирующих элементов, расширяющих α-область, на структурной диаграмме различают следующие 5 классов сталей:

1) доэвтектоидный,

2) заэвтектоидный,

3) ледебуритный,

4) полуферритный,

5) ферритный.

Классификация сталей по структуре в нормализованном состоянии.

В основу этой классификации положены диаграммы изотермического распада аустенита. В зависимости от того, какую структуру приобретают образцы диаметром 25 мм после нормализации (охлаждения на воздухе), различают три основных класса сталей: а – перлитный, б – мартенситный и в – аустенитный (рис. 1).

К сталям перлитного класса относятся доэвтектоидные и заэвтектоидные стали с содержанием легирующих элементов до 5 %. В этих сталях аустенит при охлаждении на воздухе превращается в феррито-цементитную смесь с образованием перлита, сорбита или троостита. По назначению эти стали могут быть конструкционными или инструментальными.

Стали мартенситного класса могут иметь то же количество углерода, что и стали перлитного класса, но должны обязательно содержать повышенное количество (13-15 %) легирующих элементов. При охлаждении на воздухе аустенит этих сталей претерпевает бездиффузионное мартенситное превращение.

Стали аустенитного класса содержат большое количество легирующих элементов (15…30 %), обычно хрома или марганца. В этих сталях аустенит сохраняется даже при охлаждении на воздухе. Такие стали имеют особые физические свойства: кислотостойкость, жаростойкость, коррозионную стойкость, специальные магнитные свойства и т. д.

	Рис. 1. Диаграммы изотермического распада аустенита

Конструкционные стали. Эти стали предназначены для изготовления коленчатых валов, шатунов, осей, пальцев, втулок, зубчатых колес, валов, коробок передач и для многих других деталей, испытывающих в работе статические и динамические нагрузки. К ним предъявляются следующие основные требования:

1. Высокие механические свойства, т.е. стали должны сочетать высокую статическую прочность (σ_В = 800…130 МПа, σ_0.2 = 400…1000 МПа) с хорошей пластичностью (ψ ≥ 50 %
и δ = 13…17 %) и ударной вязкостью (а_К=10…14 кДж/м²).

2. Высокий предел усталости σ_-1 = 500¸550 МПа для образцов диаметром 10 мм .

3. Высокое сопротивление износу.

Малая чувствительность к надрезу.

4. Хорошая прокаливаемость.

5. Хорошие технологические свойства (хорошая обрабатываемость резанием, ковкость, отсутствие дефектов при термической обработке и т.д.).

В конструкционных сталях этого назначения содержание углерода колеблется от 0,1 до 0,55 %, содержание легирующих элементов в сумме не должно превышать 6 %, так как при большом содержании углерода и легирующих элементов в стали наблюдается резкое падение вязкости и пластичности.

Необходимо помнить, что конструкционные легированные стали обладают лучшим комплексом механических свойств по сравнению с углеродистой сталью только при соответствующей термической обработке. Поэтому для деталей, которые не требуют упрочняющей термической обработки (закалки с последующим отпуском), легированные стали применять не рекомендуется, так как это не экономично.

Конструкционные легированные стали могут подвергаться различным видам термической обработки и делятся на цементуемые (С = 0,1-0,3 %) и улучшаемые (С = 0,3-0,55 %).

Цементуемые стали. Для высоконагруженных и крупных деталей применяются качественные и высококачественные стали следующих марок: 15Х, 15ХФ, 18ХГТ, 12ХН3А, 12Х2Н4А, 20Х2Н4 и др. Эти стали имеют большую прокаливаемость, обладают более высокой прочность и вязкостью, чем углеродистые стали. Новые марки стали, применяемые для цементации: 15ХНТА, 18ХГТЦ, 20ХГР, 25Х2Н2ТА, 30ХГТ, 30ХГТЦ и др.

Улучшаемые стали. Для ответственных деталей сечением до 30 мм² применяются стали марок: 40ХА, 40ХГОА, 30ХГСА и др., сечением до 50 мм² и выше – высоколегированные стали марок: 37ХН3А, 40ХНМА, 40ХНВА и др.

Инструментальные стали для режущего инструмента.

Режущие инструменты (резцы, фрезы, сверла и др.) могут быть изготовлены из углеродистых, легированных, быстрорежущих сталей, а также твердых сплавов.

Основные требования, предъявляемые к сталям для режущего инструмента:

1. Высокая прочность и износоустойчивость при достаточно высокой вязкости.

2. Высокая красностойкость (для инструмента работающего с большими скоростями резания). Под красностойкостью понимают способность стали сохранять достаточно длительное время высокую твердость (структуру мартенсита) и режущие свойства при нагреве до высоких температур.

3. Малая деформация при закалке (особенно важна при изготовлении инструмента сложной конфигурации).

4. Хорошие технологические свойства (хорошая обрабатываемость резанием в отожженном состоянии, отсутствие склонности к обезуглероживанию при нагреве и т.д.).

Обычная легированная сталь для режущих инструментов содержит от 0,7 до 1,5 % углерода и в сумме от 1 до 3 % легирующих элементов (Cr, Mn, W, V, Si). Термическая обработка этих сталей состоит из закалки с температуры выше точки А₁ и последующего низкого отпуска 150…200 ºС. По своим режущим свойствам легированные стали мало отличаются от углеродистых сталей с таким же содержанием углерода. Но они имеют лучшие технологические свойства: большую прокаливаемость (до 30 мм), а поэтому закаливаются в масле; обладают меньшей деформацией при закалке и т.д.