Ваше місто
smc@metinvestholding.com
Написати листа
smc@metinvestholding.com
0 800 30 30 70
Подзвонити
0 800 30 30 70
Замовити дзвінок
Увійти

Зареєструватися

Сталі леговані й спеціальні сплави

Image
  1. Головна
  2. Довідник
  3. Марки сталей
  4. Сталі леговані й спеціальні сплави

Сталь легована – це складний багатокомпонентний сплав на основі заліза (Fe) й вуглецю (C), в якому масова частка C становить не більше 2,14% та присутні спеціально введені легуючі домішки в кількості 2,5 й більше відсотків. Додавання легуючих компонентів дозволяє формувати необхідні характеристики й домагатися поліпшеної чистоти й однорідності їх металу. Виробляються такі сталі якісними, високоякісними та особливо високоякісними.

Класифікація за ступенем легування

Через розмаїття хімічних, механічних і технологічних властивостей на леговані сталі класифікація і маркування дуже велика. З урахуванням кількісного вмісту легуючих домішок їх поділяють на низько-, середньо- та високолеговані.

Перша група, що має низьколегований склад, істотно відрізняється не тільки за хімічними, а й за фізико-механічними й технологічними властивостями, тому її розглядають як окрему категорію.

Середньолеговані

Сталі, що містять легуючі домішки від 2,5 до 10 відсотків, є середньолегованими. Більшість з них мартенситні, а деякі (маловуглецеві) непогано зварюються. Але в цілому така легована сталь властивості міцності та зносостійкості формує в залежності від характеру термічної обробки. Тому через імовірність утворення гартівних структур відразу після зварювання товстостінні металовироби з середньолегованих марок повинні піддаватися термічній обробці. Деякі високоміцні середньолеговані сталі після відпуску близько 300°С виявляють провал міцності при випробуванні на надрізаних зразках. Зниження ударної в'язкості на цих же сталях виявляється при більш високій температурі відпуску.

Середньолеговані високоміцні марки володіють зниженою вібраційною міцністю в умовах дії корозійного середовища. При роботі з постійними напруженнями у них також проявляється схильність до корозії, а при насиченні поверхневого шару азотом їх метал може ставати крихким.

Високолеговані

Сталі, в складі яких на масову частку легуючих домішок припадає понад 10 відсотків, відносять до високолегованих. Їх відрізняє однорідна структура і підвищена міцність металу, особливі або унікальні механічні та технологічні властивості.

Чим вище ступінь легування, тим вище температура рекристалізації не тільки α-, але і ƴ-фази, отже, тим важче подрібнити зерно. Тому в результаті тривалого навантаження вони можуть проявляти схильність до деформаційного старіння.

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 і розчинність вуглецю в Fe. Відповідно їх хімічний склад розробляється з урахуванням конкретних умов подальшої служби й експлуатації.

Виходячи з того, що таке легована сталь і яке значення цього матеріалу для промисловості, вкрай важливо використовувати при виплавці доступні і недефіцитні хімічні елементи. Підбір комплектуючих здійснюється з урахуванням необхідних механічних і технологічних властивостей та виходячи з економічної доцільності. Тому для легування в першу чергу використовується марганець, кремній, хром. При цьому сталі з таким складом можуть в невеликих кількостях додатково легувати титаном, ванадієм, ніобієм, бором і молібденом.

Основні легуючі домішки для виробництва легованих марок сталей

Хімічний елемент (символ)

Властивості

Хром (Cr)

Забезпечує комплексний ефект: підвищуючи параметри твердості та міцності практично не впливає на пластичні властивості металу. Істотно покращує антикорозійні властивості, а при великій концентрації здатний зробити сталі нержавіючими

Кремній (Si)

Один з основних компонентів. Розкислює сталь, збільшує пружність, кислото- і окалиностійкість. В кількості 1,0...1,5% підвищує міцність без зміни параметрів в'язкості. При більшій концентрації збільшує електричний опір і магнітну проникність. Підвищує активність сірки і тим мінімізує вміст неметалевих включень

Нікель (Ni)

Сприяє дегазації і збільшенню щільності. Покращує жароміцність й пластичність. Збільшує опір динамічним навантаженням

Марганець (Mn)

Основний розкисник й легуючий елемент, що збільшує твердість, зносостійкість, стійкість до ударних навантажень та майже не знижує пластичність

Вольфрам (W)

Знижує розчинність водню й утворює високоміцні карбиди, що обумовлює збільшення твердості. При нагріванні нівелює зростання зерна та знижує схильність до відпускної крихкості

Ванадій (V)

Сприяє формуванню дрібного зерна. Значно збільшує твердість і міцність. Також позитивно впливає на прогартінвість та жаростійкість

Кобальт (Co)

Підвищує антиокислювальні властивості при високих температурах. Збільшує магнітну проникність і опір ударним навантаженням

Молібден (Mo)

Збільшує розчинність водню. Підвищує червоностійкість, пружність, межу плинності, антикорозійну стійкість при підвищених температурах

Титан (Ti)

Сприяє формуванню дрібнозернистої структури і повноцінному розкисленню. Покращує оброблюваність з одночасним підвищенням параметрів міцності. Збільшує щільність

Ніобій (Nb)

Сильно карбидоутворюючий елемент. Сприяє утворенню термічно стійких карбидів, підвищує стійкість металу до міжкристалічної корозії. Підвищує міцність і твердість

Алюміній (Al)

Покращує окалиностійкість та опір деформаційній втомі. Знижує температуру переходу в крихкий стан

Мідь (Cu)

Позитивно впливає на корозійну стійкість. Покращує прогартівність, збільшує межу плинності й пластичність

Церій (Ce)

Знижує вміст кисню та кількість стійких оксидних включень. Підвищує міцність і покращує механічні властивості

Цирконій (Zr)

Подрібнює зерно та утворює з азотом нітриди, що володіють стійкістю при досить високих температурах. Збільшує межу витривалості на повітрі та в корозійному середовищі. Покращує зварюваність

Лантан (La)

Відмінний десульфатор. Покращує процес розкислення, знижує пористість і зміст неметалічних включень. Покращує властивості теплопровідності й зварюваності

Неодим (Nd)

Сприяє скороченню кількості сірки та покращує магнітні властивості й якість поверхні

Перераховані хімічні елементи по-різному впливають на різні технологічні й механічні властивості сталей. Але по мірі викликання зміцнення їх можна розташувати в зростаючий ряд:

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

Нові марки відрізняються багатокомпонентним легуванням. Процес їх виробництва більш складний і дорогий, але зате такі сталі, хоч й мають спеціалізоване застосування, максимально відповідають жорстким вимогам сучасного інжинірингу та відрізняються довговічністю і надійністю.

Позначення та маркування

У вітчизняній практиці на інструментальні та конструкційні леговані сталі маркування складається на основі системи, яка передбачає використання буквено-цифрового позначення. Дві перші цифри позначають середню масову частку вуглецю, виражену в сотих частках відсотка. Далі маркування складається з урахуванням якісних і кількісних особливостей найбільш значущих легуючих домішок. Спочатку прийнято вказувати літерний символ відповідного компонента. І якщо кількість хімічного елемента лежить в межах 1%, цифра не прописується, а якщо більше, то пишуть число, що виражає його кількісну масу в процентах.

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

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

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

Позначення легуючих елементів

Згідно традиційній системі при маркуванні середньо- та високолегованих марок для легуючих елементів прийнято використовувати стандартні позначення на кирилиці.

Приклад розшифрування марки легованої сталі

13Н5А

Конструкційна сталь нікелева, в якій вміст вуглецю лежить в межах 0,10...0,17%, а на частку нікелю припадає 4,50...5,0%. Буква «А» відносить її до високоякісних

 

40ХС

Конструкційна сталь хромокремністая, що містить вуглець близько 0,4%. Легирована хромом (Cr ̴ 1,4%) і кремнієм (Si ̴ 1,3%)

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 задані 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. 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 сьогодні для застосування у зварних металевих конструкціях найбільш перспективними вважаються термічно зміцнені марки спеціальних сталей високої міцності й що мають межу плинності понад 600 МПа.

За структурою

У легованій сталі утворюються всі типи з'єднань (тверді розчини, хімічні сполуки, механічні домішки), але найбільше практичне значення мають тверді розчини, бо з залізом їх утворюють майже всі легуючі домішки. Основна маса багатьох складнолегованих сплавів – потрійні, четверні та ще складніші тверді розчини заліза й різних елементів та в залежності від мікроструктури вони можуть бути розділені на кілька груп.

Після нормалізації виділяють два основні класи середньо- і високолегованих сталей: аустенітний і мартенситний. За рівноважною структурою їх поділяють на доевтектоїдні, заевтектоїдні та ледебуритні. Перлітна та евтектоїдна структура характерна для низьколегованих марок.

Приклад спеціальних сталей, що мають різну структуру металу

Клас

Легована сталь маркування

 мартенситний 

40Х13, 09Х16Н4Б

феритний 

15Х28, 8Х17Т, 15Х25Т

аустенітний

12Х18Н9, 17Х18Н9, 08Х10Н20Т2

аустенітно-мартенситний 

09Х15Н8Ю, 09Х17Н7Ю, 08Х17Н5М3

мартенситно-ферритный

12Х13

аустенітно-феритний

08Х22Н6Т, 08Х21Н6М2Т, 10Х25Н5М2

бейнітний

12Г2СМФ, 12ХГ2СМФ

Приклад розшифрування марки спеціальної сталі

Марка спецсталі має таке ж позначення, так й інші конструкційні сталі.

ШХ15СГ

Сталь шарикопідшипникова, легована хром (Cr ̴ 1,5%), кремнієм (Si ̴ 1%) та марганцем (Mn ̴ 1%)

 

70С2ХА

Сталь пружинна, яка містить до 0,75% вуглецю й легована кремнієм (Si ̴ 2%), хромом (Cr ̴ 1%). Буква А відносить її до високоякісних.

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