Легирующие элементы и их влияние на свойства стали

Легирующие элементы и их влияние на свойства стали определяют практически весь современный сортамент конструкционных и инструментальных сплавов. Сознательное введение в железо хрома, никеля, молибдена, ванадия, марганца, кремния и других элементов меняет фазовый состав, кинетику превращений, прокаливаемость, прочность, вязкость и коррозионную стойкость. От того, какой элемент и в каком количестве присутствует, зависит и марка стали, и её область применения, и режимы термической обработки.

Ниже разобраны механизмы влияния основных легирующих элементов, принципы маркировки легированных сталей, разделение элементов на ферритообразующие и аустенитообразующие, а также характерные группы сталей и их применение.

Что такое легированная сталь

Легированная сталь — это сталь, в которую помимо обычных примесей (Mn, Si, P, S) сознательно введены легирующие элементы для получения заданных свойств. Само понятие «легирующий элемент» относится не к составу как таковому, а к функции: один и тот же элемент может быть либо примесью, либо легирующим — в зависимости от концентрации и назначения.

По суммарному содержанию легирующих элементов стали условно делят на три группы: низколегированные (примерно до 2,5 % суммарно), среднелегированные (до 10 %) и высоколегированные (свыше 10 %). Граница между группами условна, но удобна для классификации: низколегированные применяют как конструкционные общего назначения, высоколегированные — как коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные.

Цель легирования — направленно изменить структуру и свойства железоуглеродистого сплава: повысить прочность, прокаливаемость, износостойкость, коррозионную и жаростойкость, теплопрочность.

Маркировка легированных конструкционных сталей

В России и странах ЕАЭС маркировка легированных конструкционных сталей задаётся ГОСТ 4543-2016 «Металлопродукция из конструкционной легированной стали. Технические условия» (стандарт заменил ранее действовавший ГОСТ 4543-71). Для высоколегированных коррозионно-стойких, жаростойких и жаропрочных сталей и сплавов марки приведены в ГОСТ 5632-2014.

Маркировка строится по буквенно-цифровой системе.

• Первые цифры — среднее содержание углерода: две цифры — в сотых долях процента, одна цифра — в десятых долях процента. Если цифр в начале нет, в марке примерно 1 % углерода.
• Русские буквы после цифр — обозначения легирующих элементов.
• Цифры после буквы — среднее содержание данного элемента в целых процентах. Если цифры нет, элемент присутствует в количестве около 1 % или менее.
• Буква «А» в конце — высококачественная сталь (с пониженным содержанием серы и фосфора).
• Буква «Ш» в конце через дефис — особовысококачественная сталь, в том числе электрошлакового переплава.

Маркировка инструментальных, рессорно-пружинных, шарикоподшипниковых, высоколегированных коррозионно-стойких сталей имеет особенности (буквы «Ш» в начале для подшипниковых, «Р» для быстрорежущих и т. д.) и устанавливается соответствующими отраслевыми стандартами.

Механизмы влияния легирующих элементов

Легирующие элементы изменяют свойства стали через несколько одновременно действующих механизмов.

Одни и те же элементы действуют по нескольким механизмам сразу. Поэтому состав легированных сталей оптимизируется под конкретный комплекс свойств, а не «по таблице».

Ферритообразующие и аустенитообразующие элементы

По влиянию на положение фазовых областей в системе Fe–легирующий элемент все легирующие делят на две большие группы.

Аустенитообразующие (γ-стабилизаторы)

Расширяют область существования γ-железа (аустенита), снижают температуры превращения, при достаточном содержании стабилизируют аустенит вплоть до комнатной температуры. К ним относятся Ni, Mn, C, N, Cu. На этом эффекте основаны аустенитные нержавеющие и жаропрочные стали — например, хромоникелевые типа 12Х18Н10Т, где никель удерживает аустенитную структуру при нормальной температуре.

Ферритообразующие (α-стабилизаторы)

Сужают γ-область и расширяют область α-железа (феррита), при достаточном содержании полностью подавляют аустенитное превращение. К ним относятся Cr, Si, Mo, W, V, Ti, Nb, Al. На этом эффекте основаны ферритные нержавеющие стали (например, типа 08Х17, 08Х18Т1) и многие жаростойкие стали.

Сочетание γ- и α-стабилизаторов используется для получения аустенитно-ферритных (дуплексных) сталей, в которых нужное соотношение фаз достигается балансом легирующих и термической обработкой.

Хром (Cr)

Хром — самый распространённый легирующий элемент в конструкционных, инструментальных и нержавеющих сталях. Сильный карбидообразователь, образует карбиды разной сложности (Cr₂₃C₆, Cr₇C₃, (Cr,Fe)₃C), а также собственные оксидные плёнки на поверхности.

• Повышает прокаливаемость: даже при содержании около 1 % заметно увеличивает критический диаметр прокаливаемости.
• Повышает твёрдость, прочность и износостойкость через образование карбидов; в инструментальных сталях концентрации хрома достигают 5 % и более.
• При содержании от 12–13 % и более делает сталь коррозионно-стойкой — на поверхности формируется плотная пассивная плёнка оксида хрома. Это базовый принцип всех нержавеющих сталей.
• Повышает жаростойкость (сопротивление окислению при высокой температуре).
• В сочетании с углеродом и при определённых режимах отпуска склонен усиливать отпускную хрупкость второго рода — её парируют добавкой молибдена.

Типовые марки: 40Х, 30ХГСА, 18ХГТ — конструкционные; ШХ15 — подшипниковая; 12Х18Н10Т — аустенитная нержавеющая; 95Х18 — мартенситная нержавеющая инструментальная.

Никель (Ni)

Никель — сильный γ-стабилизатор. Не образует собственных карбидов, полностью растворяется в железе.

• Повышает ударную вязкость и сопротивление хрупкому разрушению, особенно при отрицательных температурах. Это главное «функциональное» свойство никеля в конструкционных сталях.
• Повышает прокаливаемость, действуя совместно с хромом и молибденом (типичные хромо-никелевые и хромо-никеле-молибденовые комплексы).
• Стабилизирует аустенит — основа аустенитных нержавеющих и криогенных сталей.
• В коррозионно-стойких сталях улучшает стойкость в восстановительных средах и снижает склонность к межкристаллитной коррозии при правильной термообработке.
• Заметно повышает прочность твёрдого раствора, но в меньшей степени, чем марганец или кремний.

Типовые марки: 12ХН3А, 20ХН3А, 18Х2Н4МА — высокопрочные конструкционные; 12Х18Н10Т, 08Х18Н10, 03Х17Н14М3 — аустенитные нержавеющие.

Молибден (Mo)

Молибден — сильный карбидообразователь и феррит-стабилизатор. Один из самых эффективных легирующих по соотношению «вклад в свойства / процентное содержание».

• Резко повышает прокаливаемость, особенно в сочетании с хромом и никелем.
• Повышает теплопрочность и сопротивление ползучести; основной элемент в сталях для котлов, паропроводов, элементов энергоустановок (марки типа 12МХ, 15ХМ, 15Х5М).
• Подавляет отпускную хрупкость второго рода в хромо-никелевых сталях — поэтому большинство ответственных хромо-никелевых конструкционных сталей содержат и молибден.
• В нержавеющих аустенитных сталях (типа 03Х17Н14М3) повышает стойкость к питтинговой и щелевой коррозии, особенно в хлоридных средах.
• Дополнительно измельчает зерно и снижает склонность к перегреву.

Типовые марки: 30ХМ, 38ХМ — конструкционные; 18Х2Н4МА — высокопрочная; 15ХМ, 12МХ — котельные теплоустойчивые; 03Х17Н14М3 — нержавеющая повышенной стойкости к питтингу.

Ванадий (V)

Ванадий — сильный карбидо- и нитридообразователь. Карбиды и карбонитриды ванадия очень устойчивы при высоких температурах и медленно растворяются в аустените, благодаря чему сдерживают рост зерна при нагреве.

• Измельчает зерно аустенита, повышает дисперсность структуры и комплекс прочностных и вязкостных свойств. Это основной механизм работы ванадия в микролегированных конструкционных сталях (HSLA).
• Повышает теплопрочность и сопротивление разупрочнению при отпуске; ванадий — обязательный компонент быстрорежущих и теплопрочных инструментальных сталей.
• Повышает износостойкость инструментальных сталей за счёт твёрдых карбидов VC.
• В малых количествах (десятые доли процента) применяется в рессорно-пружинных и низколегированных конструкционных сталях для повышения предела упругости.

Типовые марки: 40ХФА — конструкционная пружинная; 50ХФА — рессорно-пружинная; 9ХФ — инструментальная; Р6М5, Р18 — быстрорежущие; 15ХМФ — теплоустойчивая.

Марганец (Mn)

Марганец — слабый карбидообразователь и сильный γ-стабилизатор. В количестве до ~0,8 % считается обычной технологической примесью (для раскисления и связывания серы в безопасные сульфиды MnS), при большем содержании — легирующим элементом.

• Повышает прокаливаемость — по эффективности на единицу содержания близок к хрому.
• Существенно повышает прочность твёрдого раствора без серьёзного снижения пластичности.
• Раскисляет сталь и связывает серу в MnS, предотвращая образование хрупких сульфидов железа и красноломкость.
• При высоком содержании (около 12–14 %) и достаточном количестве углерода даёт аустенитные износостойкие стали типа стали Гадфильда (110Г13Л) с уникальной способностью к наклёпу под ударными нагрузками.
• В сочетании с хромом без молибдена усиливает склонность к отпускной хрупкости второго рода.

Типовые марки: 65Г, 60Г — пружинные; 09Г2С, 10Г2 — низколегированные строительные; 30ХГСА — хромо-марганцево-кремнистая («хромансиль»); 110Г13Л — аустенитная износостойкая.

Кремний (Si)

Кремний — феррит-стабилизатор, не образует карбидов. До ~0,4 % считается технологической примесью (раскислитель), выше — легирующим.

• Резко повышает предел упругости и сопротивление релаксации — поэтому кремний обязателен в рессорно-пружинных сталях.
• Повышает окалиностойкость (сопротивление окислению при высокой температуре).
• В электротехнических (трансформаторных) сталях улучшает магнитные свойства — снижает потери на гистерезис и удельное электрическое сопротивление поднимает (что снижает вихревые токи).
• Повышает прочность феррита через твёрдорастворное упрочнение, но при больших содержаниях снижает пластичность и ударную вязкость, ухудшает свариваемость.
• Может усиливать обезуглероживание поверхности при горячей обработке.

Типовые марки: 55С2, 60С2А — рессорно-пружинные; 38ХС — конструкционная; 15Х5М, 4Х9С2 — клапанные; электротехнические стали 1212, 2412, 3413 (по ГОСТ 21427 на холоднокатаную и горячекатаную электротехническую сталь).

Вольфрам, титан, ниобий, кобальт, бор

Группы легированных сталей и их назначение

Типовые ошибки выбора и применения

• Выбор стали «по прочности» без учёта прокаливаемости. Для крупного сечения нужна не «более прочная», а «более прокаливаемая» сталь — иначе сердцевина останется неупрочнённой даже после закалки.
• Замена хромо-никеле-молибденовой стали на хромо-никелевую без молибдена в ответственных деталях, работающих в зоне отпускной хрупкости второго рода. Результат — резкое падение ударной вязкости после отпуска.
• Применение нестабилизированной аустенитной нержавеющей стали (типа 12Х18Н9) в сварных конструкциях, работающих в агрессивных средах, без аустенизации после сварки — риск межкристаллитной коррозии в зоне термического влияния.
• Использование высококремнистых сталей в сварных конструкциях без учёта снижения свариваемости и склонности к трещинам.
• Применение стали Гадфильда (110Г13Л) без ударных нагрузок — твёрдость и износостойкость реализуются только под механическим воздействием за счёт наклёпа, в спокойных условиях сталь относительно мягкая.
• Игнорирование склонности к водородному охрупчиванию высокопрочных хромо-никелевых и хромо-молибденовых сталей при кадмиевании, никелировании, кислотном травлении без последующего обезводороживающего отпуска.
• Подбор «аналога» зарубежной марки только по содержанию углерода и хрома, без сверки полного химического состава, термообработки и нормируемых механических свойств.

Вопросы и ответы