Легированные стали

Для улучшения физических, химических, механиче­ских итехнологических свойств стали легируют, т. е. вводят в состав дополнительные элементы (хром, ни­кель, молибден и др.). Стали могут содержать один или несколько легирующих элементов, которые придают им специальные свойства.

Влияние легирующих элементов. Легирующие элемен­ты вводят всталь для повышения ее конструкционной прочности.

В значительной степени повышению конструкцион­ной прочности при легировании стали способствует увеличение прокаливаемости.

Избыточное легирование (за исключением никеля) после достижения необходимой прокаливаемости приводит к снижению вязкости и способствует хрупкому pазрушению стали.

Хром в количестве до 2 % оказывает благоприятное влияние на механические свойства конструкционной стали.

Никель — наиболее ценный легирующий элемент. Его вводят в количестве от 1 до 5 %.

Марганец вводят в сталь до 1,5 %. Он заметно повы­шает предел текучести стали, но делает сталь чувстви­тельной к перегреву.

Кремний значительно повышает предел текучести ста­ли и при содержании более 1 % снижает вязкость и по­вышает порог хладноломкости.

Молибден и вольфрам в количестве 0,2—0,4 % и 0,8— 1,2 % соответственно, в комплексно-легированных ста­лях способствуют измельчению зерна, увеличивают прокаливаемость и улучшают некоторые другие свойства.

Ванадий и титан вводят в небольшом количестве (до 0,3 % V и 0,1 %Т\) в стали, содержащие хром, марганец, никель, для измельчения зерна.

Бор вводят для увеличения прокаливаемоcти и в очень небольших количествах (0,002—0,005 %).

Строительные низколегированные стали с повышен­ным содержанием марганца (Г1 — 0,4—0,7 % и Г2 — 1,2—1,6 %) и кремния (0,6—1,2 %) после горячей про­катки или термической обработки используют для из­готовления сварных и клепаных конструкций строи­тельных ферм, конструкций мостов, рам и т. п. Марганцовистую сталь марок 19Г и 14Г применяют для изготовления магистральных нефтепроводов, стали 35ХС, 25Г2С — для производства арматуры обычных и предварительно напряженных железобетонных конст­рукций.

Низколегированные стали после прокатки значи­тельно превосходят по техническим свойствам углеро­дистые стали. Оптимальное сочетание их свойств дости­гается при введении нескольких легирующих элементов (например, Стали 10Г2С1Д, 15Г2СФ, 14Г2АФД и др.). Конструкции, эксплуатируемые при низких температу­рах окружающей среды, выполняют из сталей, легиро­ванных никелем.

Низколегированные низкоуглеродистые стали хоро­шо свариваются. Свойства сварных швов и прилегающих к ним участков близки к свойствам основного ме­талла. Стали, используемые для сварных конструкций, содержат алюминий или титан, предотвращающие ук­рупнение зерна металла в околошовной зоне. Легиро­вание медью, никелем, хромом, фосфором способству­ет увеличению коррозионной стойкости сталей в газовоздушных и влажных средах.

Машиностроительные цементуемые легированные ста­ли. Стали этой группы содержат 0,1—0,3 % углерода и 0,2—4,4 % легирующих элементов.

Эксплуатационные свойства изделий из низко- и средне легированных сталей определяются сочетанием свойств поверхностного слоя и сердцевины. Прочност­ные свойства слоя на рабочей поверхности изделий главным образом обусловлены содержанием в нем угле­рода. По механическим свойствам после термообработ­ки (цементации) стали этой группы подразделяют на среднепрочные (£ 700 МПа) и стали повышенной прочности (> 700 МПа).

Цементуемые легированные стали применяют для из­готовления нагруженных деталей, испытывающих зна­копеременные и ударные нагрузки (зубчатых колес, ва­лов, кулачков и т. п.). Характерные представители этой группы — стали 15ХФ, 15Х, 20Х — отличаются средней прочностью. После закалки в масле сердцевина деталей из таких сталей упрочняется, но поверхностный слой чувствителен к надрезам. Применяют их для изготовле­ния небольших деталей, эксплуатируемых при средних нагрузках.

К сталям повышенной прочности относят комплекс­но легированные и экономно легированные. Стали 12ХНЗА, 20ХНЗА, 20ХН4А применяют для изготовле­ния деталей средних и больших размеров, работающих» условиях интенсивного изнашивания при повышен­ных нагрузках (зубчатых колес, поршневых пальцев, осей и др.).

Особо ответственные детали — зубчатые колеса авиа­ционных двигателей, судовых редукторов — изготовляют из сталей Г8Х2Н4МА, 18Х2Н4ВА, которые мало разупрочняются при отпуске. Они могут быть использованы и без цементации после закалки и отпуска.

Экономно легированными сталями 18ХГТ, ЗОХГТ, 25ХГТ можно заменить хромоникелевые. Такие стали приме­няют для изготовления ответственных деталей крупно­серийного и массового производства.

Машиностроительные улучшаемые легированные ста­ли используются преимущественно после термической операции — улучшения (закалки и высокого отпуска при температуре 500—-600 °С на сорбит).

Улучшаемые легированные стали характеризуются содержанием углерода 0,3—0,5 % и легирующих элемен­тов не более 5 %. Основное их назначение — изготовле­ние ответственных деталей машин, эксплуатируемых при воздействии циклических и ударных нагрузок. По­этому они должны обладать высоким пределом текуче­сти, низкой чувствительностью к концентрации напря­жений, достаточными вязкостью и пластичностью. Требуемый комплекс служебных характеристик сталей обеспечивается их улучшением, наличием сквозной прокаливаемоcти, мелкозернистой структуры и недопущением отпускной хрупкости.

Хромистые стали ЗОХ, 40Х, 50Х применяют для из­готовления средненагруженных деталей машин и меха­низмов, технологической оснастки.

Хромокремнемарганцевые стали (хромансили) марок 30ХГСА, 35ХГСА отличаются сочетанием хороших ме­ханических и технологических свойств. Хорошо свари­ваются и штампуются. Широко применяются в автомо­билестроении.

Хромоникелевые стали 40ХН, 50ХН обладают высокой прокаливаемостью в сочетании с достаточными прочно­стью и вязкостью. Из них изготовляют ответственные детали, работающие при воздействии динамических нагрузок.

Хромоникельмолибденовые стали 40ХНМА, 38НХЗМА, 38ХНЗМФА относятся к числу наиболее прочных улучшаемых сталей. Введение никеля способствует сниже­нию порога хладноломкости и повышению прокаливаемости стали. Легирование молибденом и вольфрамом обеспечивает повышение механических свойств стали, стойкости ее к воздействию повышенных температур (до 450°С). Используют такие стали для изготовления особо ответственных крупных деталей — валов и рото­ров турбин, компрессоров, редукторов. Недостатки этой группы сталей — трудность обработки резанием.

Мартенситостареющие высокопрочные стали. Широ­кое применение получили среднеуглеродистые стали, упрочняемые закалкой и низким отпуском (180—200°С). Прочность таких сталей определяется содержанием в них углерода и практически не зависит от легирующих элементов, которые вводят для улучшения прокаливаемости стали, устойчивости ее после отпуска. Легирова­ние никелем в сочетании с другими элементами снижает чувствительность деталей из этих сталей к надрезам.

Мартенситостареющие стали — безуглеродные (не более 0,03 % С) сплавы железа с никелем, легированные кобальтом, молибденом, титаном, алюминием, хромом п другими элементами.

Стали этой группы, (Н18К9М5Т, Н12К1510, Н10X11М2Т) являются перспективными конструкцион­ными материалами. Высокие механические свойства них сталей достигаются за счет старения мартенсита, легирования твердого раствора и закалки на воздухе при температурах 800—860°С. Образующийся пересыщен­ный железоникелевый мартенсит сочетает достаточно высокую прочность и пластичность. В основном упроч­нение сталей достигается в результате старения при 450-500°С.

Мартенситостареющие стали сохраняют высокие механические характеристики при низких температурах вплоть до температур сжиженных газов. Такие стали и теплоустойчивы до 500—700°С. Достоинством сталей намного класса является высокая технологичность их переработки. Они имеют

практически неограниченную прокаливаемость, хорошо свариваются, легко обрабаты­ваются давлением, резанием даже в закаленном состо­янии; при термической обработке не подвергаются ко­роблению.

Мартенситостареющие стали находят широкое при­менение для изготовления ответственных деталей в авиации, ракетной технике, судостроении и криогенной технике.

Пружинные стали. Стали с высокими пределами уп­ругости и выносливости, сочетающимися с достаточной их пластичностью и вязкостью, применяют для изготов­ления упругих элементов общего назначения — пружин, рессор, амортизаторов и т. п.

Для обеспечения требуемых эксплуатационных свойств в стали вводят не менее 0,5 % углерода, их подвергают закалке и отпуску.

Упругие элементы простой формы изготовляют из термически обработанных сталей. Крупные пружины получают навивкой отожженной проволоки.

Рессорно-пружинные стали относят к классу перлит­ных. Основными легирующими элементами таких сталей являются кремний, марганец, хром, ванадий, никель. Легирование обусловливает в основном повышение прокаливаемости стали, предела ее выносливости, сниже­ние остаточных деформаций.

Кремнистые стали 50С2, 55С2, 60С2 имеют высокий предел текучести и используются для изготовления рес­сор автомобилей, торсионных валов, пружин и др.

Стали марок 60С2ХА, 60С2ФА применяют для высоконагруженных рессор и пружин.

Стали марок 70СЗА, 60С2ХА, 60С2Н2А обладают наиболее высокими механическими свойствами и идут на изготовление нагруженных и ответственных упругих элементов.

Поверхностные дефекты изделий из таких сталей рез­ко снижают долговечность пружин и рессор. Поэтому срок их службы повышают поверхностным наклепом.

Износостойкие конструкционные стали обладают вы­соким сопротивлением изнашиванию, для чего вводят легирующие добавки или применяют специальные мето­ды обработки в зависимости от условий эксплуатации.

Шарикоподшипниковые стали по составу и структуре относят к классу инструментальных. Содержание угле­рода в них — около 1 %. Для увеличения прокаливаемости в состав стали вводят легирующие элементы (Сг, Si, Мп), содержание которых зависит от размеров деталей. Например, сталь марки ШХ6 применяют для деталей с максимальным размером до 10 мм, а ШХ15ГС — свыше 30 мм, крупногабаритные детали изготовляют из стали 20Х2Н44. Для подшипников, работающих в агрессивных средах, применяют коррозионностойкую высокоуглеро­дистую сталь 95X18.

Высокомарганцовистая сталь марки Г13Л применяет­ся для деталей, эксплуатируемых при воздействии удар­ных нагрузок, вызывающих их поверхностный наклеп. Износостойкость этой стали после наклепа повышается. Сталь Г13Л плохо обрабатывается резанием, поэто­му изделия из нее получают ковкой или литьем.

Применяют сталь Г13Л для изготовления дробильно-размольного оборудования; деталей экскаваторов, гусеничных тракторов.

Графитизированная сталь применяется для изготовления деталей, эксплуатируемых в условиях трения, скольжения. Эту сталь получают из высокоуглеродистой стали (1,5—2 % С) с повышенным содержанием крем­ния, который способствует графитизации.

Графит играет роль смазочного материала, предотвра­щающего схватывание контактирующих поверхностей.

Коррозионностойкие стали. К коррозионностойким относят металлические материалы, не разрушающиеся под воздействием коррозионных сред. Коррозионно-стойкие стали подразделяют на два основных класса: хромистые и хромоникелевые.

Хромистые стали обладают высокой коррозионной стойкостью, которая

повышается после термической обработки и придания высокой чистоты поверхности изделий (шлифованием, полированием).

Стали марки 3X13, 4X13 используют для изготовле­ния хирургических инструментов: Х17, Х25Т — обору­дования химических заводов; Х25Т, Х28 — деталей, экс­плуатируемых в высокоагрессивных средах.

Хромоникелевые стали, легированные хромом и нике­лем (или марганцем), обладают более высокой устойчи­востью к коррозии по сравнению с хромистыми. Стали этого класса (18 % Сr, 9—10 % Si) технологичны при обработке давлением, хорошо свариваются, однако име­ют низкие показатели литейных свойств и обрабатыва­емости резанием.

Для устранения этого недостатка стали дополнитель­но легируют титаном и ниобием (стали 04Х18Н10, 08Х18НЮ, 12Х18Н10Т) ииспользуют в авиа-, судо-, машиностроении.

Жаростойкие (окалиностойкие) стали сопротивляют­ся окислению (образованию окалины) при высокой тем­пературе. Свойство жаростойкости стали придает хром. Для повышения жаростойкости хромистых сталей в них вводят алюминий и кремний.

Наиболее распространены жаростойкие стали, содер­жащие:

—хром и никель (сильхромы);

—хром и алюминий (хромали);

—хром, кремний и алюминий (сильхромали).
Типичные представители жаростойких сталей — 40Х9С2, 10Х13СЮ, 12X18Н9Т, Х8СМ, Х8С2М. Из этих сталей изготовляют, например, клапаны двигателей внутреннего сгорания.

Жаропрочные стали сохраняют или мало снижают механические свойства и обеспечивают эксплуатацию изделий при температурах свыше 500°С.

По содержанию легирующих элементов жаропроч­ные стали разделяют на низко-, средне- и высоколеги­рованные. Существуют классификации жаропрочных сталей в зависимости от их назначения.

Для изготовления изделий, эксплуатируемых при температурах 350—400°С, применяют стали 15, 20, 25, 30, 40 и 45; для деталей с рабочей температурой среды 500—580°С — низкоуглеродистые стали, легированные кобальтом, молибденом и ванадием (16М, 25ХМ, 12Х1МФ).

Нагруженные детали установок с температурой рабо­чей среды 450—470°С изготовляют из хромистых сталей. Для повышения эксплуатационных характеристик ста­ли дополнительно легируют ванадием, вольфрамом, молибденом, ниобием и титаном. Эти элементы, обра­зуя карбиды, увеличивают жаропрочность стали. Леги­рование бором, цирконием, церием, а также азотирова­ние способствуют дополнительному увеличению ее жаропрочности. Для достижения оптимальной жаро­прочности высокохромистые стали 15Х11МФ и IХКВНМФ закаливают в масле при 1000—1060°С и от­пускают при 700—740°С. Еще более высокой жаропроч­ностью обладают стали 4ХН14В2М и 4Х15Н7Г7Ф2МС, применяемые для изготовления клапанов авиационных двигателей.

Дата добавления: 2014-01-07