Распределение легирующих элементов и их влияние на свойства сталей

Легированные стали, благодаря наличию легирующих элементов, обладают ценнейшими свойствами, которых нет у углеродистых сталей, и не имеют их недостатков. Применение легированной стали экономит материал, повышает долговечность изделий, снижает массу, увеличивает производительность. В прогрессивной технике легированные стали имеют решающее значение.

Легирующие элементы оказывают следующее разностороннее влияние на свойства стали.

Хром (Cr) — содержится в сталях в количестве 0,8…1,2% и является основным легирующим элементом. Хром повышает прокаливаемость, способствует получению высокой и равномерной твёрдости стали, повышает твёрдость и коррозионную стойкость. Порог хладноломкости хромистых сталей — 0…–100ºС;

Никель (Ni) — придаёт высокую прочность, пластичность и коррозионную стойкость сталям. Введение в хромистые стали никеля значительно повышает прочность и прокаливаемость, снижает порог хладноломкости, но при этом повышает склонность к отпускной хрупкости (этот недостаток компенсируется введением в сталь молибдена (Mo)). Хромоникелевые стали, обладают наилучшим комплексом свойств. Однако никель является дефицитным металлом, и применение таких сталей ограничено. Значительное количество никеля в сталях можно заменить медью (Cu), однако это не приводит к снижению их ударной вязкости;

Вольфрам (W) — увеличивает твёрдость и красностойкость (термостойкость);

Ванадий (V) — повышает плотность, прочность, сопротивление ударным нагрузкам и механическому износу. Ванадий, введённый в состав хромистых сталей в количестве 0,1…0,3% способствует измельчению зерна, повышает прочность и ударную вязкость;

Кобальт (Со) — повышает жаропрочность и магнитную проницаемость;

Молибден (Mo) — увеличивает красностойкость, механическую прочность, сопротивление окислению при высоких температурах; Введение молибдена в небольших количествах (0,15…0,46%) в хромистые стали увеличивает их прокаливаемость, снижает порог хладноломкости до –20…–120ºС. Молибден способствует увеличению статической, динамической и усталостной прочности сталей, устраняет их склонность к внутреннему окислению. Кроме того, он снижает склонность к отпускной хрупкости сталей, содержащих никель (Ni).

Магний (Mg) — при содержании свыше 1% увеличивает твёрдость, износостойкость, сопротивление ударным нагрузкам;

Марганец (Mn) — увеличивает прокаливаемость стали, однако содействует росту зерна, и повышает порог хладноломкости до +40…–60ºС;

Титан (Ti) — вводится в сталь в небольших количествах (~0,1%), способствует повышению прочности и коррозионной стойкости; в хромомарганцевые стали вводится для измельчения зерна;

Алюминий (Al) — повышает окалиностойкость;

Бор (B) — вводится в сталь в небольших количествах, увеличивает прокаливаемость стали, повышает порог хладноломкости +20…–60ºС;

Ниобий Nb — повышает кислотостойкость;

Медь (Cu) — уменьшает коррозию;

Кремний (Si) — повышает ударную вязкость сталей и температурный запас вязкости. При легировании хромомарганцевых сталей кремнием получают, стали – хромансиль (20ХГС, 30ХГСА) (см. ниже). Эти стали обладают хорошим сочетанием прочности и вязкости, хорошо свариваются, штампуются и обрабатываются резанием.

Область применения некоторых  легированных сталей

  Область применения конструкционной легированной стали очень велика. Наибольшее распространение получили следующие стали.

Хромистые стали, обладающие хорошей твёрдостью, прочностью, сравнительно недорогие. К ним относятся стали марок 15Х, 20Х, 30Х, 45Х, борсодержащие 40ХР, с цирконием 40ХЦ.

Марганцевые стали, например 15Г, 20Г, 40Г, 45Г2, отличающиеся износоустойчивостью. Особенно износоустойчива сталь марки Г13, которую применяют для гусениц тракторов, железнодорожных стрелок.

Кремнистые и хромокремнистые стали (33ХС, 55ХС), обладающие высокой твёрдостью и упругостью; применяются для пружин, рессор.

Хромованадиевые стали (45ХФ, 40ХФА) особо прочные, плотные, хорошо противостоящие истиранию, применяемые для автомобильных деталей, осей, валов.

Хромомолибденовые стали (20ХМА, 30ХМА) очень прочные, хорошо сваривающиеся, штампующиеся, используемые для осей, роторов.

Хромомарганцевокремнистые стали — хромансили (25ХГСА, 30ХГСА), которые заменяют хромомолибденовую сталь и значительно дешевле её.

Хромоникелевые стали (12Х2Н4А, 20ХН3А), очень прочные и пластичные; применяются для изготовления коленчатых валов, поршней, деталей турбин.

Легированные инструментальные стали (сталь 9ХС, сталь ХВГ) применяется для изготовления режущего, измерительного и ударно-штампового инструмента. Они твёрже и прочнее углеродистой стали, хорошо противостоят ударным нагрузкам.

Из легированных инструментальных сталей изготавливают:

1) режущий и измерительный инструмент — фрезы, свёрла, метчики, развёртки, лекала (основное применение для этого нашли стали марок 9ХС, ХГС, 9Х5ВФ, 85Х6НФТ);

2) штампы горячей штамповки, пресс-формы, формы для литья под давлением (основное применение для этого нашли стали марок 7Х3, 5ХНМ, 55ХГСЛ14Х8В2);

3) штампы холодной штамповки (основное применение для этого нашли стали марок Х6НФ, Х12ВМ, Х12Ф, 7Х12ВМ).