Ваш город
smc@metinvestholding.com
Написать письмо
smc@metinvestholding.com
0 800 30 30 70
Позвонить
0 800 30 30 70
Заказать звонок
Войти

Зарегистрироваться

Стали легированные и специальные сплавы

Image
  1. Главная
  2. Справочник
  3. Марки стали
  4. Стали легированные и специальные сплавы

Сталь легированная – это сложный многокомпонентный сплав на основе железа (Fe) и углерода (C), в котором массовая доля C составляет не более 2,14% и присутствуют специально введенные легирующие примеси в количестве 2,5 и более процентов. Добавление легирующих компонентов позволяет формировать необходимые характеристики и добиваться улучшенной чистоты и однородности их металла. Производятся такие стали качественными, высококачественными и особовысококачественными.

Классификация по степени легирования

Из-за разнообразия химических, механических и технологических свойств на легированные стали классификация и маркировка очень обширна. С учетом количественного содержания легирующих примесей их разделяют на низко-, средне- и высоколегированные.

Первая группа, имеющая низколегированный состав, существенно отличается не только по химическим, но и по физико-механическим и технологическим свойствам, поэтому ее рассматривают как отдельную категорию.

Среднелегированные

Стали, содержащие легирующие примеси от 2,5 до 10 процентов, являются среднелегированными. Большинство из них мартенситные, а некоторые (малоуглеродистые) неплохо свариваются. Но в целом такая легированная сталь свойства прочности и износостойкости формирует в зависимости от характера термической обработки. Поэтому из-за вероятности образования закалочных структур сразу после сварки толстостенные металлоизделия из среднелегированных марок должны подвергаться термической обработке. Многие высокопрочные среднелегированные стали после отпуска около 300°С обнаруживают провал прочности при испытании на надрезанных образцах. Снижение ударной вязкости на этих же сталях обнаруживается при более высокой температуре отпуска.

Среднелегированные высокопрочные марки обладают пониженной вибрационной прочностью в условиях действия коррозионной среды. При работе с постоянными напряжениями у них также проявляется склонность к коррозии, а при насыщении поверхностного слоя азотом их металл может становиться хрупким.

Высоколегированные

Стали, в составе которых на массовую долю легирующих примесей приходится более 10 процентов, относят к высоколегированным. Их отличает однородная структура и повышенная прочность металла, особые или уникальные механические и технологические свойства.

Чем выше степень легирования, тем выше температура рекристаллизации не только α-, но и ƴ-фазы, следовательно, тем труднее измельчить зерно. Поэтому в результате длительного нагружения они могут проявлять склонность к деформационному старению.

Легированные стали – их классификация по назначению

В наши дни легированная сталь применение находит практически во всех сферах человеческой деятельности: от машиностроения и энергетики до космических и телекоммуникационных технологий. Согласно принятой классификации по назначению она может причисляться к одной из групп:

  • конструкционные марки. К этой категории принято относить стали, использующиеся для производства ответственных деталей механизмов, устройств и конструкций. Большинство из них отлично работают в высокотемпературных средах, а многие характеризуются очень малой чувствительностью к концентрации напряжений;
  • инструментальные марки. К этой категории относят в основном высокопрочные среднелегированные стали с повышенным содержанием хрома, марганца, кремния, вольфрама и молибдена. Для них также свойственна улучшенная прокаливаемость и низкое сопротивление ударной нагрузке. В качестве быстрорежущей стали для производства сверл, фрез и метчиков, как правило, принято использовать высоколегированные марки, характеризующиеся очень высокой твердостью и красностойкостью до 600°С. Другие легированные инструментальные марки стали чаще используются для лабораторного, измерительного и режущего инструмента, а также ударно-штамповой оснастки;
  • стали с особыми физическими и химическими свойствами. В эту категорию входят материалы специализированного назначения. Из них производят изделия и детали для узкой сферы применения, к эксплуатационным качествам которых предъявляют особые требования.

Состав легированных марок сталей

Все элементы, входящие в легированные марки стали, взаимодействуют между собой, а те, что растворяются в железе, существенно влияют на температурный интервал полиморфного превращения и растворимость углерода в Fe. Соответственно их химический состав разрабатывается с учетом конкретных условий дальнейшей службы и эксплуатации.

Исходя из того, что такое легированная сталь и каково значение этого материала для промышленности, крайне важно использовать при выплавке доступные и недефицитные химические элементы. Подбор комплектующих осуществляется с учетом требуемых механических и технологических свойств и исходя из экономической целесообразности. Поэтому для легирования в первую очередь используется марганец, кремний, хром. При этом стали с таким составом могут в небольших количествах дополнительно легировать титаном, ванадием, ниобием, бором и молибденом.

Основные легирующие примеси для производства легированных марок сталей

Химический элемент (символ)

Свойства

Хром (Cr)

Обеспечивает комплексный эффект: повышая параметры твердости и прочности практически не влияет на пластические свойства металла. Существенно улучшает антикоррозионные свойства, а при большой концентрации способен сделать стали нержавеющими

Кремний (Si)

Один из основных компонентов. Раскисляет сталь, увеличивает упругость, кислото- и окалиностойкость. В количестве 1,0…1,5% повышает прочность без изменения параметров вязкости. При большей концентрации увеличивает электрическое сопротивление и магнитную проницаемость. Повышает активность серы и тем минимизирует содержание неметаллических включений

Никель (Ni)

Способствует дегазации и увеличению плотности. Улучшает жаропрочность и пластичность. Увеличивает сопротивление динамическим нагрузкам

Марганец (Mn)

Основной раскислитель и легирующий элемент, увеличивающий твердость, износостойкость, стойкость к ударным нагрузкам и почти не снижает пластичность

Вольфрам (W)

Снижает растворимость водорода и образует высокопрочные карбиды, что обуславливает увеличение твердости. При нагреве нивелирует рост зерна и снижает склонность к отпускной хрупкости

Ванадий (V)

Способствует формированию мелкого зерна. Значительно увеличивает твердость и прочность. Также положительно влияет на прокаливаемость и жаростойкость

Кобальт (Co)

Повышает антиокислительные свойства при высоких температурах. Увеличивает магнитную проницаемость и сопротивление ударным нагрузкам

Молибден (Mo)

Увеличивает растворимость водорода. Повышает красностойкость, упругость, предел текучести, антикоррозийную стойкость при повышенных температурах

Титан (Ti)

Способствует формированию мелкозернистой структуры и полноценному раскислению. Улучшает обрабатываемость с одновременным повышением параметров прочности. Увеличивает плотность

Ниобий (Nb)

Сильно карбидообразующий элемент. Способствует образованию термически стойких карбидов, повышает стойкость металла к межкристаллической коррозии. Повышает прочность и твердость

Алюминий (Al)

Улучшает окалиностойкость и сопротивление деформационной усталости. Снижает температуру перехода в хрупкое состояние

Медь (Cu)

Положительно влияет на коррозионную стойкость. Улучшает прокаливаемость, увеличивает предел текучести и пластичность

Церий (Ce)

Снижает содержание кислорода и количество устойчивых оксидных включений. Повышает прочность и улучшает механические свойства

Цирконий (Zr)

Измельчает зерно и образует с азотом нитриды, обладающие стойкостью при довольно высоких температурах. Увеличивает предел выносливости на воздухе и в коррозионной среде. Улучшает свариваемость

Лантан (La)

Отличный десульфатор. Улучшает процесс раскисления, снижает пористость и содержание неметаллических включений. Улучшает свойства теплопроводности и свариваемости

Неодим (Nd)

Способствует сокращению количества серы и улучшает магнитные свойства и качество поверхности

Перечисленные химические элементы по-разному влияют на различные технологические и механические свойства сталей. Но по степени вызываемого упрочнения их можно расположить в возрастающий ряд:

Cr – Co – V – Mo – W – Ni – Cu – Al – Mn – Ti – Si - P

Новые марки отличаются многокомпонентным легированием. Процесс их производства более сложный и дорогостоящий, но зато такие стали, хоть и имеют специализированное применение, максимально соответствуют жестким требованиям современного инжиниринга и отличаются долговечностью и надежностью.

Обозначение и маркировка

В отечественной практике на инструментальные и конструкционные легированные стали маркировка составляется на основе системы, предполагающей использование буквенно-цифрового обозначения. Две первые цифры обозначают среднюю массовую долю углерода, выраженную в сотых долях процента. Далее маркировка составляется с учетом качественных и количественных особенностей наиболее значимых легирующих примесей. Вначале принято указывать буквенный символ соответствующего компонента. И если количество химического элемента лежит в пределах 1%, цифра не прописывается, а если больше, то пишут число, выражающее его количественную массу в процентах.

Для акцента на высоком качестве металла в конце маркировки принято прописывать букву «А» (не путать с обозначением азота, который указывается в середине маркировки). Наличие буквы «Ш» в конце обозначения указывает, что марка является особовысококачественной, но пишется она через тире.

Такой принцип маркировки применим к большинству легированных сталей. Но для марок спецназначения предусмотрено использование в начале обозначения дополнительных буквенных символов:

  • Р – быстрорежущие;
  • Ш – шарикоподшипниковые;
  • Э – электротехнические.

Обозначение легирующих элементов

Согласно традиционной системе при маркировке средне- и высоколегированных марок для легирующих элементов принято использовать стандартные обозначения на кириллице.

Обозначение легирующих элементов

Пример расшифровки марки легированной стали               

13Н5А

Конструкционная сталь никелевая, в которой содержание углерода лежит в пределах 0,10…0,17%, а на долю никеля приходится 4,50…5,0%. Буква «А» относит ее к высококачественным

 

40ХС

Конструкционная сталь хромокремнистая, содержащая углерод около 0,4%. Легирована хромом (Cr ̴ 1,4%) и кремнием (Si ̴ 1,3%)

Специальные сплавы и стали

Стремительное развитие техники обусловило необходимость создания специальных сплавов, в том числе и сталей. Сегодня они выступают одним из основных материалов для ядерных реакторов, спецтехники, космических аппаратов, приборов и различной инструментальной оснастки. Для них характерен сложный многокомпонентный состав и заданные физико-механические свойства. Практически все специальные стали и сплавы относятся к группе высоколегированных конструкционных материалов и требуют применения специальной технологии выплавки и термообработки.

Прецизионные сплавы содержат практически те же элементы, что и стали, но отличаются их процентным содержанием. Например, массовая доля ванадия может доходить в них до 11%, кобальта – до 40%, в то время как на углерод может приходиться всего 0,05%.

Большинство специальных сплавов являются результатом новейших технических разработок и довольно дорогие в производстве. По основным свойствам их разделяют на 7 групп, среди них сверхпроводящие, магнитно-мягкие и магнито-твердые сплавы и термобиметаллы.

Классификация сталей специального назначения

Также, как углеродистые и легированные марки, специальные стали имеют многоуровневую классификацию по нескольким признаками. Рассмотрим основные из них.

По роду примесей

На основе комплекса наиболее значимых легирующих примесей специальные марки классифицируют более, чем на 10 групп. Среди них:

  • хромованадиевые и хромокремнистые;
  • хромомарганцовые и хромомолибденовые;
  • никельмолибденовые и хромокремнемарганцовые;
  • хромомолибденованадиевые и хромокремнемарганцовоникелевые;
  • хромомарганцовоникелевые и хромомарганцовоникелевые с титаном и бором;
  • хромоникельмолибденовые, хромоникельмолибденованадиевые и хромоникельванадиевые;
  • хромоалюминиевые и хромоалюминиевые с молибденом;
  • хромомарганцовоникелевые с молибденом и титаном;
  • хромоникелевые и хромоникелевые с бором.

По назначению

В зависимости от целевого назначения и основных свойств стали специального назначения также делятся на несколько групп: хладостойкие, радиационностойкие, рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, жаропрочные, износостойкие, коррозионностойкие (нержавеющие), окалиностойкие и так далее. Причем из-за наличия нескольких легирующих компонентов они могут проявлять и другие физико-механические и технологические свойства. Например, теплостойкая легированная сталь марки 12Х1МФ характеризуется повышенной пластичностью, а 09Х15Н8Ю, 07Х16Н, 08Х17Н5М3 отлично зарекомендовали себя в условиях соляных сред.

На сегодняшний день для применения в сварных металлических конструкциях наиболее перспективными считаются термически упрочненные марки специальных сталей высокой прочности и имеющие предел текучести более 600 МПа.

По структуре

В легированной стали образуются все типы соединений (твердые растворы, химические соединения, механические примеси), но наибольшее практическое значение имеют твердые растворы, так как с железом их образуют почти все легирующие примеси. Основная масса многих сложнолегированных сплавов – тройные, четверные и более сложные твердые растворы железа и различных элементов и в зависимости от микроструктуры они могут быть разделены на несколько групп.

После нормализации выделяют два основных класса средне- и высоколегированных сталей: аустенитный и мартенситный. По равновесной структуре их разделяют на доэвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные. Перлитная и эвтектоидная структура характерна для низколегированных марок.

Пример специальных сталей, имеющих разную структуру металла

Класс

Легированная сталь маркировка

мартенситный

40Х13, 09Х16Н4Б

ферритный

15Х28, 8Х17Т, 15Х25Т

аустенитный

12Х18Н9, 17Х18Н9, 08Х10Н20Т2

аустенитно-мартенситный

09Х15Н8Ю, 09Х17Н7Ю, 08Х17Н5М3

мартенситно-ферритный

12Х13

аустенитно-ферритный

08Х22Н6Т, 08Х21Н6М2Т, 10Х25Н5М2

бейнитный

12Г2СМФ, 12ХГ2СМФ

Пример расшифровки марки специальной стали

Марка спецсталей имеет такое же обозначение, так и другие конструкционные стали.

ШХ15СГ

Сталь шарикоподшипниковая, легированная хром (Cr   ̴ 1,5%), кремнием (Si ̴ 1%) и марганцем (Mn ̴ 1%)

 

70С2ХА

Сталь пружинная, содержащая до 0,75% углерода и легированная кремнием (Si ̴ 2%), хромом (Cr   ̴ 1%). Буква А относит ее к высококачественным.

 В этом разделе вы сможете более детально ознакомиться с химическим составом и физико-механическими свойствами отдельных среднелегированных, высоколегированных сталей и специальных сплавов.