Краткие теоретические сведения. Легированной сталью называется такая сталь, в которую при выплавке вводят элементы, изменяющие ее строение и свойства
Легированной сталью называется такая сталь, в которую при выплавке вводят элементы, изменяющие ее строение и свойства. Эти элементы называются легирующими. В углеродистой стали, кроме углерода, всегда содержится небольшое количество примесей: Mn ≤ 0,5 %; Si ≤ 0,4 %; Р ≤ 0,04 %; S ≤ 0,04 %.
Перечисленные примеси в указанных количествах практически не влияют на механические свойства углеродистой стали. Введение в сталь более 1 % любого из перечисленных элементов существенно сказывается на механических свойствах, и такие стали будут уже легированными. К легирующим относятся следующие элементы: Mn, Si, Cr, Ni, Mo, Ti, W, Nb, Al, Ta и др. Следовательно, легированная сталь – это многокомпонентный сплав "железо-углерод-легирующий элемент".
Маркировка и классификация легированных сталей.
Для обозначения состава легированной стали согласно государственному стандарту принято буквенно-цифровое обозначение. Буквы показывают наличие того или иного элемента. Так, например, Г обозначает марганец, С – кремний, Х – хром, Н – никель, В – вольфрам, Р – бор, Д – медь, Ю – алюминий, Т – титан, Ф – ванадий, К – кобальт.
Цифры, стоящие в начале марки, показывают: для конструкционных сталей – содержание углерода в сотых долях процента, для инструментальных – в десятых долях процента.
Цифры, следующие за буквами, указывают содержание соответствующего легирующего элемента, если его больше 1,5 %.
Буква А в конце марки показывает, что сталь высококачественная, т. е. серы и фосфора в ней не более чем 0,03% каждого; чистая по неметаллическим включениям; имеющая определенный номер зерна, определенную прокаливаемость и т. д.
Например, сталь 30ХГСА – высококачественная, имеет следующий состав: С = 0,3 %, Сr = 1,0 %, Mn = 1,0 %, Si = 1,0 %; сталь 9ХС – инструментальная, качественная, имеет следующий состав: С = 0,9 %, Cr = 0,95-1,25 % , Si = 1,2 - 1.6 %.
По назначению легированные стали делятся на следующие классы:
а) машиностроительные или конструкционные стали, идущие на изготовление деталей машин. Они разделяются, в свою очередь, на цементуемые, улучшаемые и пружинные;
б) инструментальные стали, идущие на изготовление различного инструмента: штампового, режущего, мерительного и др. Они делятся на углеродистые, легированные, быстрорежущие и твердые сплавы;
в) стали особого назначения. Они делятся на жаростойкие, нержавеющие, кислотостойкие, с особым коэффициентом расширения, магнитные, немагнитные и др.
По структуре легированные стали классифицируются в равновесном (отожженном) и в нормализованном состояниях.
Исходя из положения критических точек на диаграмме состояния и структуры легированные стали, также как и углеродистые стали, могут быть разделены на следующие три класса:
1) доэвтектоидные – структура: феррит и перлит;
2) заэвтектоидные – структура: перлит и вторичные карбиды;
3) ледебуритные – структура: перлит, вторичные карбиды и ледебурит.
Так как легирующие элементы смещают на диаграмме состояния критические точки Р и S влево, то в легированной стали перлит и ледебурит появляются при меньшем содержании углерода, чем в железоуглеродистых сплавах. Так, например, углеродистая сталь, содержащая 0,4 % углерода, будет доэвтектоидной; а легированная сталь при том же содержании углерода и 6,0 % вольфрама – заэвтектоидной, если же вольфрама будет 13 %, то сталь станет ледебуритной.
В зависимости от содержания в стали легирующих элементов, расширяющих α-область, на структурной диаграмме различают следующие 5 классов сталей:
1) доэвтектоидный,
2) заэвтектоидный,
3) ледебуритный,
4) полуферритный,
5) ферритный.
Классификация сталей по структуре в нормализованном состоянии.
В основу этой классификации положены диаграммы изотермического распада аустенита. В зависимости от того, какую структуру приобретают образцы диаметром 25 мм после нормализации (охлаждения на воздухе), различают три основных класса сталей: а – перлитный, б – мартенситный и в – аустенитный (рис. 1).
К сталям перлитного класса относятся доэвтектоидные и заэвтектоидные стали с содержанием легирующих элементов до 5 %. В этих сталях аустенит при охлаждении на воздухе превращается в феррито-цементитную смесь с образованием перлита, сорбита или троостита. По назначению эти стали могут быть конструкционными или инструментальными.
Стали мартенситного класса могут иметь то же количество углерода, что и стали перлитного класса, но должны обязательно содержать повышенное количество (13-15 %) легирующих элементов. При охлаждении на воздухе аустенит этих сталей претерпевает бездиффузионное мартенситное превращение.
Стали аустенитного класса содержат большое количество легирующих элементов (15…30 %), обычно хрома или марганца. В этих сталях аустенит сохраняется даже при охлаждении на воздухе. Такие стали имеют особые физические свойства: кислотостойкость, жаростойкость, коррозионную стойкость, специальные магнитные свойства и т. д.
   | |||||
  | |||||
|
Конструкционные стали. Эти стали предназначены для изготовления коленчатых валов, шатунов, осей, пальцев, втулок, зубчатых колес, валов, коробок передач и для многих других деталей, испытывающих в работе статические и динамические нагрузки. К ним предъявляются следующие основные требования:
1. Высокие механические свойства, т.е. стали должны сочетать высокую статическую прочность (σВ = 800…130 МПа, σ0.2 = 400…1000 МПа) с хорошей пластичностью (ψ ≥ 50 %
и δ = 13…17 %) и ударной вязкостью (аК=10…14 кДж/м2).
2. Высокий предел усталости σ-1 = 500¸550 МПа для образцов диаметром 10 мм .
3. Высокое сопротивление износу.
Малая чувствительность к надрезу.
4. Хорошая прокаливаемость.
5. Хорошие технологические свойства (хорошая обрабатываемость резанием, ковкость, отсутствие дефектов при термической обработке и т.д.).
В конструкционных сталях этого назначения содержание углерода колеблется от 0,1 до 0,55 %, содержание легирующих элементов в сумме не должно превышать 6 %, так как при большом содержании углерода и легирующих элементов в стали наблюдается резкое падение вязкости и пластичности.
Необходимо помнить, что конструкционные легированные стали обладают лучшим комплексом механических свойств по сравнению с углеродистой сталью только при соответствующей термической обработке. Поэтому для деталей, которые не требуют упрочняющей термической обработки (закалки с последующим отпуском), легированные стали применять не рекомендуется, так как это не экономично.
Конструкционные легированные стали могут подвергаться различным видам термической обработки и делятся на цементуемые (С = 0,1-0,3 %) и улучшаемые (С = 0,3-0,55 %).
Цементуемые стали. Для высоконагруженных и крупных деталей применяются качественные и высококачественные стали следующих марок: 15Х, 15ХФ, 18ХГТ, 12ХН3А, 12Х2Н4А, 20Х2Н4 и др. Эти стали имеют большую прокаливаемость, обладают более высокой прочность и вязкостью, чем углеродистые стали. Новые марки стали, применяемые для цементации: 15ХНТА, 18ХГТЦ, 20ХГР, 25Х2Н2ТА, 30ХГТ, 30ХГТЦ и др.
Улучшаемые стали. Для ответственных деталей сечением до 30 мм2 применяются стали марок: 40ХА, 40ХГОА, 30ХГСА и др., сечением до 50 мм2 и выше – высоколегированные стали марок: 37ХН3А, 40ХНМА, 40ХНВА и др.
Инструментальные стали для режущего инструмента.
Режущие инструменты (резцы, фрезы, сверла и др.) могут быть изготовлены из углеродистых, легированных, быстрорежущих сталей, а также твердых сплавов.
Основные требования, предъявляемые к сталям для режущего инструмента:
1. Высокая прочность и износоустойчивость при достаточно высокой вязкости.
2. Высокая красностойкость (для инструмента работающего с большими скоростями резания). Под красностойкостью понимают способность стали сохранять достаточно длительное время высокую твердость (структуру мартенсита) и режущие свойства при нагреве до высоких температур.
3. Малая деформация при закалке (особенно важна при изготовлении инструмента сложной конфигурации).
4. Хорошие технологические свойства (хорошая обрабатываемость резанием в отожженном состоянии, отсутствие склонности к обезуглероживанию при нагреве и т.д.).
Обычная легированная сталь для режущих инструментов содержит от 0,7 до 1,5 % углерода и в сумме от 1 до 3 % легирующих элементов (Cr, Mn, W, V, Si). Термическая обработка этих сталей состоит из закалки с температуры выше точки А1 и последующего низкого отпуска 150…200 ºС. По своим режущим свойствам легированные стали мало отличаются от углеродистых сталей с таким же содержанием углерода. Но они имеют лучшие технологические свойства: большую прокаливаемость (до 30 мм), а поэтому закаливаются в масле; обладают меньшей деформацией при закалке и т.д.