Легированные конструкционные стали – специальные сплавы для особых случаев

1 Стали с добавками – самая важная информация

Производственная отрасль наших дней выдвигает к металлургическим композициям, предназначенным для изготовления ответственных деталей, очень высокие требования. Обычные конструкционные стали (КС), использовавшиеся ранее для этих целей, далеко не всегда отвечают новым стандартам. Выход из подобной ситуации один. Для выпуска ответственных узлов следует применять легированный по спец. методикам прокат. Он обладает особыми свойствами (и прочностными, и сугубо технологическими). Они достигаются за счет введения в сплавы определенных хим. элементов. Последние в среде профессиональных металлургов принято называть легирующими.

Изделие из стали

Сама же операция добавки особых компонентов именуется легированием. Ничего сложного в этом процессе нет – методика хорошо отработана и гарантирует получение ожидаемых результатов. Чаще всего функцию легирующих примесей выполняют марганец, хром, кремний, молибден, никель. Именно они отвечают за "новые" качества КС. Кроме них зачастую применяют вольфрам, ванадий и иные добавки. Сразу стоит отметить, что в любых конструкционных сплавах есть кремний и марганец. Конструкционных сталей без этих элементов современная металлургия не выпускает. Когда они содержатся в прокате в количестве более 1 %, их рассматривают в качестве легирующих компонентов. В остальных ситуациях они считаются постоянными примесями.

В легированные КС, как правило, вводится сразу несколько полезных добавок. Они комплексно улучшают качество готовых сплавов. При этом один из вносимых хим. элементов всегда считается основным. Для конструкционных сталей "главными" добавками являются кремний, хром, никель и марганец. Остальные примеси причисляют к группе вспомогательных. Сами по себе они не изменяют свойства сплавов. Их задача – помочь основным компонентам сделать сталь более качественной.

2 Легирующие элементы – для коррекции качества готовых сплавов

Базовая легирующая добавка – хром, в незначительной мере ухудшает пластичность готового проката, но зато существенно увеличивает прочностные характеристики стали и ее твердость. Хромистые композиции в сфере строительства машин и агрегатов незаменимы для производства подшипников качения. В легированные КС хрома добавляют не более 3 %. Следующие распространенные примеси – молибден и вольфрам, добавляются в легированные КС намного экономнее – максимум 1 %. Эти элементы имеют объективно высокую стоимость. Их нерациональное (излишнее) применение не имеет экономической целесообразности. Они обеспечивают:

• некоторое снижение вязкости проката и его показателей пластичности;
• повышение прочности и твердости металла.

Вольфрам для добавления в сталь

Еще один нюанс. Вольфрам облегчает процесс формирования структуры мелкого зерна. А молибден придает металлургическим композициям уникальную стойкость к высоким температурам (они становятся жаропрочными). В количестве 1–3 % в легированные КС добавляют никель. Наибольшее его содержание необходимо при выпуске немагнитных сплавов. Они востребованы во многих отраслях машиностроения. Никель делает сталь более вязкой и пластичной. Кроме того, что немаловажно, данный элемент повышает ее прочность.

Если сплав предназначается для производства спец. инструмента, в качестве легирующего компонента никель не используется.

Далее поговорим о кремнии и марганце. Их добавляют в КС в количестве не более 2 %. Первый из указанных элементов играет важную роль. Он повышает магнитные показатели и упругость сплавов, сохраняя при этом их вязкость. Аналогичное влияние на легированный прокат не оказывает ни один иной элемент. Марганец же существенным образом улучшает механические качества КС и способствует их прокаливаемости на значительные глубины. Сталь с такими свойствами незаменима для выпуска многих машиностроительных деталей.

3 Группы конструкционного проката и сферы его применения

Почти все конструкционные сплавы – низколегированные. В них содержится 2–3 % добавок. Низколегированная КС подразделяется на различные категории по определенным признакам. Чаще всего ее делят на три группы по сфере применения. С этой точки зрения низколегированные стали бывают:

1. Подшипниковыми. В них содержится около 1,5 % хрома (больше не допускается) и до 1 % углерода. Из названия понятно, что такие сплавы используются для изготовления подшипников. Данные детали машин испытывают повышенные локальные нагрузки. Поэтому легированные подшипниковые КС всегда дополнительно обрабатывают на высокую твердость и стремятся снизить в них карбидную неоднородность до минимума.
2. Теплоустойчивыми. Такие стали нашли свое применение в энергетическом машиностроении. Из них делают паропроводы и промышленные нагреватели, сосуды, которые функционируют при температурах до +650 °С. Теплоустойчивый прокат обладает уникальными свойствами. Только он позволяет изготавливать детали, способные работать до 20 тысяч часов без замены в условиях высоких температур. Эти стали содержат минимум углерода (до 0,27 %) и легируются комплексно (ванадий + молибден + хром). Заметим, что они подвергаются нормализации и высокому отпуску (иногда выполняется закалка металла).
3. Рессорно-пружинными. Эти низколегированные стали обладают высокой релаксационной стойкостью. Они также характеризуются повышенной сопротивляемостью к деформациям пластического плана. Пружины и рессоры, изготавливаемые из сталей данной группы, закаливают на мартенситную структуру и дополнительно упрочняют, используя методику пластической холодной обработки. Без данных видов доводки рессорно-пружинные стали не выпускаются.

Конструкционные сплавы

Как видим, низколегированные КС всех групп проходят добавочную термообработку. Она имеет огромное значение и всегда выполняется по наиболее рациональной технологии. За счет этого готовые сплавы получают требуемую структуру, а затраты на легирование и последующую обработку (термическую) являются сравнительно невысокими. Легированные КС по своей стоимости ощутимо дороже обычных конструкционных сплавов. По этой причине их применяют только в ситуациях, когда стандартный прокат не годится для выпуска особо ответственных деталей. Если же легированный сплав можно заменить на обычный конструкционный, лучше использовать последний.

4 Маркировка легированных сталей – как разобраться?

Сферу применения и эксплуатационные характеристики КС со специальными примесями обуславливает химический состав сплавов. Узнать его позволяет маркировка конструкционного легированного проката. Описываемые в статье стали шифруются по стандартной методике – с помощью литер и цифр. Наличие тех или иных добавок можно определить по буквам. Литера П говорит о присутствии в сплаве фосфора, Ю – алюминия, С – кремния, Ф – ванадия, Х – хрома, Т – титана, Г – марганца, М – молибдена, В – вольфрама, Н – никеля.

Свврка стальных конструкций

Любая маркировка низколегированных КС начинается с двух цифр. Они указывают на количество (сотые части процента) углерода. А вот цифра после буквы, обозначающей хим. элемент, определяет объем внесенной в сплав добавки (здесь речь уже идет о целых процентах). Если после литеры нет никакой цифры, содержание примеси в стали незначительное (до 1 %). Давайте разберемся, что представляет собой, например, сплав 15ХГН2ТА. Его маркировка дает нам всю необходимую информацию. В этой легированной КС содержится:

• около 0,15 % (0,13–0,18 %) углерода;
• примерно по 1 % хрома и марганца;
• до 2 % никеля;
• незначительное количество титана.

Последняя же литера (А) указывает на высокое качество сплава. Маркировка проката для изготовления подшипников немного отличается от описанной методики шифровки КС. В таких композициях обязательно присутствуют литеры ШХ (ШХ15, ШХ9). Они и указывают на то, что перед нами шарикоподшипниковая КС. В ней присутствует один улучшающий компонент – хром. Содержание в стали ШХ15 этого элемента равняется 1,5 %, в ШХ – 0,9 %.