Сталі леговані й спеціальні сплави

Сталь легована - це складний багатокомпонентний сплав на основі заліза (Fe) і вуглецю (C), в якому масова частка вуглецю становить не більше 2,14% і є спеціально введені легуючі домішки в кількості, достатньої для цілеспрямованої зміни структури та властивостей матеріалу. Додавання легуючих компонентів дозволяє формувати необхідні характеристики та домагатися покращеної чистоти та однорідності макро- та мікроструктури.

Класифікація за ступенем легування

Через різноманітність хімічних, механічних та технологічних властивостей на леговані сталі класифікація та маркування дуже широка. Ситуація посилюється наявністю різноманітних національних та міжнародних систем стандартів, у яких розподіл таких сплавів відбувається по-різному. Якщо спиратися на традиційну систематизацію стандартів ДСТУ/ГОСТ, які діяли в Україні та країнах СНД, то за кількісним вмістом легуючих домішок їх поділяють на низько-, середньо- та високолеговані.

Низколеговані

До низьколегованих відносять сталі, у яких кількість легуючих елементів не перевищує 2,5%. Більш детально про цю групу сплавів можна ознайомитись у цьому розділі.

Середньолеговані

Сталі, що містять легуючі домішки, в яких становлять від 2,5 до 10 відсотків, є середньолегованими. Загалом така легована сталь властивості міцності та зносостійкості формує залежно від її хімічного складу, стану постачання, характеру термічної обробки.

Високолеговані

Сталі, у складі яких на масову частку легуючих домішок припадає понад 10 відсотків, відносять до високолегованих. Така велика кількість добавок, що модифікують, пояснюється необхідністю формування специфічних властивостей виробів для їх експлуатації в особливих умовах. Прикладом можуть бути нержавіючі сталі, що працюють в атмосферах підвищеної кислотності, або швидкорізальні сталі для виготовлення зносостійкого інструменту (фрез, різців, свердлів тощо) для механічної обробки металів.

Леговані сталі – їх класифікація за призначенням

У наші дні легована сталь застосування знаходить практично у всіх сферах людської діяльності: від машинобудування та енергетики до космічних та телекомунікаційних технологій. Відповідно до прийнятої в Україні та країнах СНД класифікації за призначенням вона може зараховуватися до однієї з груп:

• конструкційні марки. До цієї категорії прийнято відносити сталі, що використовуються для виробництва будівельних металоконструкцій, деталей механізмів, пристроїв та приладів. Багато хто з них добре працюють у високотемпературних середовищах, характеризуються дуже малою чутливістю до концентрації напруг або мають якісь інші специфічні особливості;
• інструментальні марки. До цієї категорії відносять в основному високоміцні середньолеговані та високолеговані сталі з підвищеним вмістом хрому, марганцю, кремнію, вольфраму, молібдену та багатьох інших елементів. Такі сплави використовують при виробництві свердлів, фрез та мітчиків, лабораторного, вимірювального та ріжучого інструменту, а також ударно-штампового оснащення;
• стали з особливими фізичними та хімічними властивостями. До цієї категорії входять матеріали спеціалізованого призначення. З них виробляють вироби та деталі для вузької сфери застосування, до експлуатаційних якостей яких висувають особливі вимоги.

Склад легованих марок сталей

Всі елементи, що входять до легованих марок сталі, взаємодіють між собою, а ті, що розчиняються в залозі, істотно впливають на температурний інтервал поліморфного перетворення та розчинність вуглецю в Fe. Відповідно, їх хімічний склад розробляється з урахуванням конкретних умов подальшої служби та експлуатації.

Виходячи з того, що таке легована сталь і яке значення цього матеріалу для промисловості, дуже важливо використовувати при виплавці коректний та максимально економічний склад хімічних елементів. Підбір складових здійснюється з урахуванням необхідних механічних та технологічних властивостей, виходячи з технічної та економічної доцільності. Тому для легування насамперед намагаються використовувати недефіцитні марганець та кремній, потім – алюміній, хром, мідь, нікель. При цьому сталі для специфічних застосувань можуть додатково легувати титаном, ванадієм, ніобієм, бором, молібденом та іншими елементами, аж до дорогоцінних (платина, іридій, осмій та ін.), рідкісноземельних (РЗМ – ітрій, церій) та радіоактивних металів. 

Основні легуючі домішки для виробництва легованих марок сталей

Нові марки відрізняються багатокомпонентним легуванням. У сучасній металургії дуже поширені технології мікролегування, коли велику кількість одного компонента заміщають кількома іншими значно менших концентраціях. У сукупності з різними методами термічної обробки часто дозволяє отримати унікальні структури і властивості, які забезпечують більш тривалу експлуатаційну стійкість деталей і конструкцій.

Позначення та маркування

У нормативній документації країн СНД та стандартах України, розроблених до впровадження гармонізованих європейських норм, на інструментальні та конструкційні леговані сталі маркування складається на основі системи, що передбачає використання буквено-цифрового позначення. Для конструкційних сталей перші дві цифри позначають середню масову частку вуглецю, виражену в сотих частках відсотка (у інструментальних – одна цифра, що вказує вміст вуглецю в десятих частках). Далі маркування складається з урахуванням якісних та кількісних особливостей найбільш значущих легуючих домішок. Спочатку прийнято вказувати буквений символ відповідного компонента. І якщо кількість хімічного елемента лежить у межах 1%, цифра не прописується, а якщо більше, то пишуть число, що виражає його кількісну масу у відсотках (для окремих елементів це правило має винятки).

Для акценту на високій якості металу в кінці маркування прийнято прописувати букву «А» (не плутати з позначенням азоту, що вказується в середині маркування). Наявність літери «Ш» наприкінці позначення вказує, що марка є особливо високоякісною, але вона пишеться через тире.

Такий принцип маркування застосовується до більшості легованих сталей. Але для марок спеціального призначення передбачено використання на початку позначення додаткових буквених символів:

• Р – швидкорізальні;
• Ш – шарикопідшипникові;
• Е – електротехнічні.

Позначення легуючих елементів

Відповідно до традиційної системи ГОСТ/ДСТУ при маркування легованих сталей для легуючих елементів прийнято використовувати стандартні позначення на кирилиці.

Приклади розшифрування марки легованої сталі

Спеціальні сплави й сталі

Стрімкий розвиток техніки обумовив необхідність створення спеціальних сплавів, в тому числі й сталей. Сьогодні вони виступають одним з основних матеріалів для ядерних реакторів, спецтехніки, космічних апаратів, приладів і різного інструментального оснащення. Для них характерний складний багатокомпонентний склад і специфічні фізико-механічні властивості. Практично всі спеціальні сталі та сплави відносяться до групи високолегованих конструкційних матеріалів і вимагають застосування спеціальної технології виплавки й термообробки.

Прецизійні сплави містять практично ті ж елементи, що і сталі, але відрізняються їх відсотковим вмістом і кількістю заліза. Наприклад, масова частка ванадію може доходити в них до 11%, кобальту – до 40%, в той час як на вуглець може припадати всього 0,05%.

Більшість спеціальних сплавів є результатом новітніх технічних розробок і досить дорогі у виробництві. За основними властивостями їх поділяють на 7 груп, серед них надпровідні, магнітно-м'які й магнітно-тверді сплави та термобіметали.

Класифікація сталей спеціального призначення

Також, як вуглецеві та леговані марки, спеціальні сталі мають багаторівневу класифікацію за кількома ознаками. Розглянемо основні з них.

За родом домішок

На основі комплексу найбільш значущих легуючих домішок спеціальні марки класифікують більш, ніж на 10 груп. Серед них:

• хромованадієві та хромокремністі;
• хромомарганцеві та хромомолібденові;
• нікельмолібденові та хромокремнємарганцові;
• хромомолібденованадієві та хромокремнємарганцевонікелеві;
• хромомарганцевонікелеві та хромомарганцевонікелеві з титаном і бором;
• хромонікельмолібденові, хромонікельмолібденованадієві та хромонікельванадієві;
• хромоалюмінієві та хромоалюмінієві з молібденом;
• хромомарганцевонікелеві з молібденом і титаном;
• хромонікелеві і хромонікелеві з бором.

За призначенням

Залежно від цільового призначення та основних властивостей сталі спеціального призначення також діляться на кілька груп: холодостійкі, радіаційностійкі, ресорно-пружинні, шарикопідшипникові, жароміцні, зносостійкі, корозійностійкі (нержавіючі), окалиностійки й так далі. Причому через наявність кількох легуючих компонентів вони можуть проявляти й інші фізико-механічні та технологічні властивості. Наприклад, теплостійка легована сталь марки 12Х1МФ характеризується підвищеною пластичністю, а 09Х15Н8Ю, 07Х16Н, 08Х17Н5М3 відмінно зарекомендували себе в умовах соляних середовищ.

На сьогоднішній день для застосування в зварних будівельних металевих конструкціях найперспективнішими вважаються термічно зміцнені марки спеціальних сталей високої міцності та межа плинності понад 800 МПа.

За структурою

У легованій сталі утворюються всі типи сполук (тверді розчини, хімічні сполуки, механічні домішки), які необхідно враховувати при розробці того чи іншого сплаву для конкретних застосувань. Основна маса багатьох складнолегованих сплавів – потрійні, четверні та складніші тверді розчини заліза та різних елементів і залежно від мікроструктури вони можуть бути поділені на кілька груп.

Після нормалізації виділяють кілька класів, серед яких аустенітний та мартенситний. За рівноважною структурою їх поділяють на доевтектоїдні, евтектоїдні, заевтектоїдні (в т.ч. стали ледебуритного класу).

Приклади спеціальних сталей, що мають різну структуру металу

Приклад розшифрування марки спеціальної сталі

Марка спецсталей позначається так само, як інші леговані сталі.

У цьому розділі ви зможете більш детально ознайомитися з хімічним складом і фізико-механічними властивостями окремих середньолегованих, високолегованих сталей і спеціальних сплавів.