Легированные стали: классификация, состав, свойства и применение

Подробный обзор легированных сталей: определение, легирующие элементы и их влияние, классификация (по составу, структуре, назначению), структурные, инструментальные и специальные стали (магнитные, теплостойкие, ударные, нержавеющие, марейджинг, высокоскоростные), вопросы с ответами.

Что такое легированная сталь

Легированная сталь — сталь, в которую в достаточных количествах внесены элементы, отличные от углерода, для улучшения свойств. Основные легирующие элементы: Cr, Ni, Mn, Si, V, Mo, W, P, Cu, Ti, Zr, Co, Cb, Al. Каждый придает специфические качества. Используются по отдельности или в комбинации.

Свойства: как углерод, многие легирующие элементы образуют твердые раствора, повышая прочность, пластичность, вязкость. Образование карбидов (межметаллические соединения с Fe) дает твердость, но снижает вязкость. Некоторые элементы (Al — лучший, Zr, V, Cr, Ti) сдерживают рост зерна. Легирующие элементы сдвигают температуры превращений γ↔α (критические точки). Легированные стали дают комбинацию прочности/пластичности/вязкости, недоступную углеродистым. Почти все — мелкозернистые (лучше вязкость/ударность, меньше трещины при термообработке). Крупнозернистые — лучше обрабатываемость и глубокая закалка.

Тестовые вопросы

• Какая сталь для постоянных магнитов? Кобальтовая сталь (4). Алинико (Fe-Al-Ni-Co) — мощные постоянные магниты для промышленности и электроники.
• Какая сталь для точных приборов? Инвар (4) — сталь с низким коэффициентом термического расширения.

Влияние основных легирующих элементов

• Никель (Ni) — вязкость, коррозионная стойкость, глубокая закаляемость.
• Хром (Cr) — коррозионная стойкость, вязкость, закаляемость.
• Марганец (Mn) — деоксидация, прочность/твердость, снижение критической скорости охлаждения.
• Кремний (Si) — деоксидация, термостойкость оксидной пленки, повышение критических температур, склонность к декарбуризации/графитизации.
• Молибден (Mo) — закаляемость, высокая термическая прочность и ползучесть.
• Ванадий (V) — деоксидация, мелкозернистость.
• Медь (Cu) — коррозионная стойкость, упрочнение.
• Алюминий (Al) — деоксидация, мелкозернистость, содействие нитрированию.
• Бор (B) — повышение закаляемости.

Низколегированные стали

1–5% легирующих элементов. Точный состав, улучшенные механические свойства, коррозионная стойкость. Термообработка: закалка, нормализация, отпуск. Сварка возможна, но требуется постсварочный отпуск от трещин. Преимущества над конструкционными сталями: высокая текучесть, работа при экстремальных температурах, ползучесть, оксидная/водородная стойкость, пластичность при низких температурах.

Классификация легированных сталей

По химическому составу

Трехкомпонентные (1 легирующий элемент + Fe + C), четырехкомпонентные (2 элемента) и т.д.

По структурному классу (по структуре после охлаждения в воздухе пробы малого сечения)

Перлитные, мартенситные, аустенитные, ферритные, карбидные.

По назначению

1. Структурные. 2. Инструментальные. 3. Специальные физические свойства.

1. Легированные структурные стали

Группы: низколегированные (до 5%), среднелегированные (5–10%), высоколегированные (>10%). ГОСТ/ИС 7598-1974. Применяются для деталей под статическими/динамическими нагрузками, особенно крупного сечения. Лучше свойств, чем у углеродистых. Легирующие элементы укрепляют феррит (основная фаза), повышают закаляемость, дробят зерно, повышают термостойкость. Главные элементы: Cr, Ni, Mn. W, Mo, V, Ti — как сопутствующие к основным.

2. Легированные инструментальные стали

Когда ресурса углеродистой стали недостаточно. Группы: 1. Низколегированные — твердость до 250 °C. 2. Средне/высоколегированные (быстрорежущие/Р6М5 и др.) — твердость до 620 °C. Режущие свойства только после термообработки. Плавка в мартеновских/электропечах, высокое качество.

3. Сталь со специальными физическими свойствами

Группы: (1) Нержавеющие, (2) Теплоустойчивые/чешуйностойкие, (3) Износостойкие, (4) Магнитные, (5) Специальные термические (ползучесть и др.).

Специальные легированные стали

Магнитные стали

Высококобальтовые (15–40% Co, 0,4–10% W) после правильной термообработки — постоянные магниты для магнито, динамиков, приборов.

Теплоустойчивые стали

Работают при высоких температурах, устойчивы к масштабированию и потере прочности. Хром 23–30%, C < 0,35% — для 815–1150 °C (детали печей, аннеалинговые коробки). Спец. сталь (нержавеющий класс) — комбинация нечешуйности, прочности, кислотной стойкости.

Ударно-устойчивые стали

Устойчивы к удару и циклическим нагрузкам. Грейд 1: 0,5% C, 2,25% W, 1,5% Cr, 0,25% V. Грейд 2 (кремнемарганцевистые): 0,55% C, 2% Si, 0,8% Mn, 0,3% Mo — пружины/петлевые пружины.

Нержавеющие стали

Содержат Cr (мин. 10,5%) + Ni и др. Группы:

• Аустенитные — 15–20% Cr, 7–10% Ni. 18/8 (18% Cr, 8% Ni) — самая популярная. Немагнитные, не закаляются термически, отличная сварка, высокая коррозионная стойкость.
• Мартенситные — 10–14% Cr, без других основных элементов. Закаляются термически. Твердые, прочные, магнитные, обрабатываемые, но коррозионная стойкость ниже.
• Ферритные — 14–18% или 23–30% Cr, без других элементов. Не закаляются термически. Магнитные. Укрепляются холодной деформацией.
• Дуплексные — двухфазные (феррит + аустенит). ~2х прочность аустенитных/ферритных.
• Вытяжечно-закаляемые (PH) — экстремальная прочность за счет вытяжечного закаления.

Марейджинг-стали (Maraging)

Железо-базированные: 18% Ni, 8% Co, 5% Mo, малые Al, Ti, C < 0,03%. Прочность сохраняется при увеличении сечения и до 350 °C. Авиация (каркасы, двигатели), литейные формы, штампы. После аустенитизации -> мелкопластинчатый мартенсит -> вытяжечное закалвание при 480 °C. Высокая вязкость 파괴ения за счет мелкого зерна мартенсита и высокой плотности дислокаций -> тонкая вытяжекция.

Высокоскоростные стали (HSS)

Режущие инструменты при скоростях в 2–3 раза выше углеродистых. При тяжелой резке на высокой скорости режущий край накаляется до красноти. Углеродистая сталь даже с 1,5% C теряет режущие свойства. HSS сохраняют их до 600–620 °C.