Легуючі елементи в конструкційних сталях

Основними легуючими елементами конструкційних сталей є хром, нікель, кремній та марганець. Вольфрам, молібден, ванадій, титан, бор та інші легуючі елементи вводять у сталь у сполученні з хромом, нікелем та марганцем для додаткового поліпшення властивостей. Більшість конструкційних сталей відносяться до перлітного класу, а в рівноважному стані – до групи доевтектоїдних.

Сталі, у яких сумарний зміст легуючих елементів не перевищує 2,5%, відносяться до низьколегованих, втримуючи 2,5–10 % – до легованих, більш 10% – до високолегованих.

Високолеговані сталі, як правило, мають спеціальне призначення (нержавіючі, жароміцні, немагнітні та ін.) і відносяться до феритному, мартенситному, аустенітному та змішаному структурним класам.

У виробах великих перетинів (діаметром понад 15–20 мм) механічні властивості легованих сталей після загартування і відпустки вище, ніж вуглецевих. Особливо сильно підвищуються межа текучості, відносне звуження й ударна в'язкість. Це пояснюється тим, що леговані сталі володіють меншою критичною швидкістю загартування, а отже, ліпшою прокаліваємостю. Крім того, після термічної обробки вони мають більш дрібне зерно і більш дисперсні структури. Через більшу прокаліваємість та меншу критичну швидкість загартування при заміні вуглецевої сталі легованою виявляється можливим проводити загартування деталей у менш різких охолоджувачах – в олії, на повітрі, що зменшує деформацію виробів та небезпеку утворення тріщин. Тому леговані сталі використовують для виготовлення не тільки великих деталей, але й для виробів невеликого перетину, що мають складну форму. Чим вище в сталі концентрація легуючих елементів, тим вище її прокаліваємість.

Для досягнення високої прокаліваємості сталь частіше легують як дешевими елементами – марганцем, хромом та бором, так і більш дорогими – нікелем та молібденом. Однак варто мати на увазі, що по досягненні необхідної для даного перетину прокаліваємості подальше збільшення в сталі легуючих елементів може не поліпшити, а, навпаки, погіршити механічні, технологічні (обробку різанням, зварюваність, тощо) властивості сталі. Так, збільшення змісту в сталі хрому або марганцю до 1,0–1,5% практично не впливає на поріг холодноламкості. Однак при великих їхніх концентраціях поріг холодноламкості підвищується. Кожні 0,1 % таких елементів, як Si, Мn, А1, розчинених у фериті, підвищують поріг холодноламкості на 5° С та знижують КСТна 10 - 20 Дж/см2. У зв'язку з цим зміст легуючих елементів повинний бути мінімальним, що забезпечує необхідну для даного перетину наскрізну прокаліваємість. Нікель підвищує опір крихкому руйнуванню сталі, збільшуючи пластичність та в'язкість, зменшуючи чутливість до концентраторів напруг, та знижує температуру порогу холодноламкості. При змісті в сталі 1,0 % Ni поріг холодноламкості знижується на 60-80° С, подальше збільшення концентрації нікелю до 3–4 % викликає менш сильне, але все–таки зниження порогу холодноламкості. Підвищуючи запас в'язкості, нікель збільшує КСТі К1с. Введення 3–4 % Ni рекомендується для забезпечення глибокої прокаліваємості. Нікель – дорогий метал, тому частіше в конструкційні сталі його вводять разом із хромом та іншими елементами, при цьому в можливо мінімальній кількості. У складнолегірованних сталях нікель також забезпечує високий опір крихкому руйнуванню.

Сталі мікролеговані (до 0,05-0,15%) V, Ti, Nb і Zr, що утворять складно розчинні в аустеніті карбіди, подрібнюють зерно та знижують кількість вуглецю у фериті, що знижує поріг холодноламкості, підвищує роботу поширення тріщини КСТта зменшує чутливість до концентраторів напруг. При великому змісті цих елементів прокаліваємість та опір сталі крихкому руйнуванню зменшуються через виділення великої кількості карбідів (VC, Ti та ін.) по кордонах зерен.

Після однакової температури відпустки легована сталь буде мати більш високу міцність (твердість), але трохи меншу пластичність і в'язкість, чим вуглецева. Легуючі елементи істотно підвищують міцність сталі після поліпшення, зміцнюючи феритну основу (у тому числі і за рахунок збереження більшої щільності дефектів будівлі) та збільшуючи дисперсність карбідних часток.

У зв'язку з цим легована сталь і у відпаленому (нормалізованому) стані буде мати більшу міцність, але меншу пластичність, чим вуглецева.

Молібден у кількості 0,4–0,5 % знижує t50 та підвищує КСТ. Молібден значно поліпшує механічні властивості сталі після цементації (нітроцементації) і підвищує твердість і прокаліваємість цементованного шару, тому що сталі, що містять молібден, не схильні до внутрішнього окислювання при взаємодії з газовим карбюризатором.

Кремній сповільнює процес відпустки мартенситу і є корисним легуючим елементом для сталей, що піддаються ізотермічному загартуванню. Сталі, що містять кремній (1–1,2 %), після ізотермічного загартування мають високу в'язкість і знижену чутливість до надрізу. Це порозумівається тим, що в процесі проміжного перетворення зростає кількість високо вуглецевого залишкового аустеніту і підвищується в'язкість бейніту внаслідок зменшення в –фазі змісту вуглецю.

Маркування легованих конструкційних сталей. Леговані конструкційні сталі маркірують цифрами і буквами. Двозначні цифри, що приводяться на початку марки, указують середній зміст вуглецю в сотих частках відсотка, букви праворуч від цифри позначають легуючий елемент: А – азот, Б – ніобій, В –вольфрам, Г – марганець, Д – мідь, Е – селен, К – кобальт, Н – нікель, М – молібден, П–фосфор, Р – бор, С – кремній, Т – титан, Ф – ванадій, X – хром, Ц – цирконій, Ч – рідкоземельний, Ю – алюміній.

Цифри після букв указують зразковий вміст відповідного легуючого елемента в цілих відсотках; відсутність цифри вказує, що середній зміст легуючих елементів не перевищує 1,0 - 1,5 %. Основна маса легованих конструкційних сталей виплавляється якісними (<0,035 % Р та <0,035% S).

Високоякісні сталі містять менше шкідливих домішок (<0,025% S та 0,025% Р) і позначаються буквою А, поміщеної наприкінці марки. Особливо високоякісна сталь позначається буквою Ш в кінці марки (наприклад, 30ХГСА–Ш). Якщо буква А в середині марки 16М2АФ, то сталь легована азотом 0,015–0,025 %, а на початку марки А40 сталь автоматна (добре оброблювана різанням), що містить 0,4% С. Індекс АС на початку марки вказує, що сталь автоматна, легована свинцем (АС35М2).