Легированные стали — стали с суммой легирующих выше 2,5 %: жаропрочные, коррозионностойкие, износостойкие — для особых условий работы.
Суть
Углеродистая сталь получает свойства только от углерода и термообработки, и обычно этого хватает. Но при температуре выше 400–450 °C, в кислотах, хлоридах или при высоких контактных нагрузках феррито-перлитная структура сдаёт: падает прочность, растёт окалина, идёт коррозия. Легирование решает эту задачу — в расплав вводят хром, никель, молибден, ванадий, вольфрам, титан в количествах, при которых меняется сама структура металла, а не только её дисперсность.
Граница условная: по суммарному содержанию легирующих стали делят на низколегированные (до 2,5 %), среднелегированные (2,5–10 %) и высоколегированные (более 10 %). Низколегированные — это по сути улучшенные углеродистые: они остаются свариваемыми и ферритными. Средне- и высоколегированные — качественно другой материал: у них может исчезнуть площадка текучести, появиться аустенит при комнатной температуре, вырасти прокаливаемость до 100 мм и более, упасть теплопроводность.
Плата за это — цена, сложность сварки и термообработки. Поэтому их применяют там, где углеродистые не работают: паропроводы, нефтепереработка, агрессивные среды, узлы трения, тяжелонагруженный крепёж.
Виды и как читать марку
По назначению легированные стали делят на конструкционные (ГОСТ 4543), инструментальные (ГОСТ 5950) и стали с особыми свойствами — коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные (ГОСТ 5632). Последние ГОСТ 5632 классифицирует по структуре после охлаждения на воздухе:
- Мартенситный и мартенситно-ферритный классы (20Х13, 15Х5М, 15Х12ВНМФ) — упрочняются закалкой с отпуском, магнитны, работают до 500–600 °C.
- Ферритный класс (08Х13, 08Х17Т) — не упрочняется термообработкой, стоек в слабоагрессивных средах, склонен к росту зерна при нагреве.
- Аустенитный класс (12Х18Н10Т, 08Х18Н10, 10Х17Н13М2Т) — немагнитен, пластичен, не имеет порога хладноломкости; упрочняется только наклёпом.
- Аустенитно-ферритный (дуплекс) — сочетает прочность феррита и стойкость аустенита; чувствителен к режиму сварки.
Маркировка по ГОСТ 4543 читается слева направо: первые цифры — сотые доли процента углерода, далее буква элемента и его среднее содержание в целых процентах; если цифры нет — элемента до 1,5 %. Х — хром, Н — никель, М — молибден, Г — марганец, С — кремний, Ф — ванадий, Т — титан, Б — ниобий, В — вольфрам, Ю — алюминий, Д — медь. Буква А в конце — высококачественная (S и P ≤ 0,025 %), Ш — особовысококачественная (электрошлаковый переплав). Так, 30ХГСА — 0,30 % C, по ~1 % Cr, Mn и Si, высококачественная; 12Х18Н10Т — 0,12 % C, 18 % Cr, 10 % Ni, титан до 0,8 %.
Свариваемость легированных сталей оценивают через эквивалент углерода:
Cэкв = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15
При Cэкв выше 0,45 % нужны подогрев и последующий отпуск, иначе в зоне термического влияния образуется хрупкий мартенсит. У аустенитных сталей проблема иная — межкристаллитная коррозия и горячие трещины, поэтому их стабилизируют титаном или ниобием.
Ключевые числа
| Классификация по сумме легирующих | низколегированные до 2,5 %; среднелегированные 2,5–10 %; высоколегированные свыше 10 % |
|---|---|
| Порог коррозионной стойкости по хрому | ≥ 12–13 % Cr в твёрдом растворе — сталь пассивируется («нержавеющая», ГОСТ 5632) |
| 40Х (ГОСТ 4543), закалка + отпуск | σт ≥ 785 МПа, σв ≥ 980 МПа, δ5 ≥ 10 %, KCU ≥ 59 Дж/см² |
| 30ХГСА (ГОСТ 4543), закалка + отпуск | σт ≥ 835 МПа, σв ≥ 1080 МПа, δ5 ≥ 10 %, KCU ≥ 49 Дж/см² |
| 12Х18Н10Т (ГОСТ 5632, ГОСТ 5949) | σ0,2 ≥ 196 МПа, σв ≥ 510 МПа, δ5 ≥ 40 %; 17–19 % Cr, 9–11 % Ni |
| 15Х5М (ГОСТ 20072, трубы по ГОСТ 550) | σт ≥ 216 МПа, σв ≥ 392 МПа, δ5 ≥ 22 %; 4,5–6 % Cr, 0,45–0,6 % Mo |
| Качество по сере и фосфору (ГОСТ 4543) | качественная S, P ≤ 0,035 %; высококачественная (А) ≤ 0,025 %; особовысококачественная (Ш) S ≤ 0,015 % |
| Плотность аустенитных сталей | ≈ 7900–8000 кг/м³ против 7850 кг/м³ у углеродистых |
Где встречается в трубах
В трубной номенклатуре легированные стали занимают узкие, но критичные ниши: паропроводные трубы из хромомолибденовых сталей, трубы нефтепереработки из 15Х5М, коррозионностойкие трубы из аустенитных сталей для химии и теплообменников. Массовые сортаменты (ГОСТ 8732, ГОСТ 10704, ГОСТ 3262) катают из углеродистых и низколегированных марок.
- Бесшовные трубы для нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности из 15Х5М, 12Х8, 12Х18Н10Т — ГОСТ 550-75.
- Коррозионностойкие бесшовные трубы из 12Х18Н10Т, 08Х18Н10, 10Х17Н13М2Т — ГОСТ 9940-81; о свойствах самой стали — нержавеющая сталь.
- Трубы из жаропрочных перлитных сталей 12Х1МФ, 15Х1М1Ф для паропроводов и пароперегревателей — категория котельные трубы, марка 12Х1МФ.
- Каталог коррозионностойких труб и обзор нержавеющих труб.
- Граница с массовыми марками 09Г2С, 17Г1С, 10Г2 — в термине низколегированные стали.
Связанные термины
- Низколегированные сталиСтали с суммой легирующих до 2,5 % (09Г2С, 17Г1С, 10Г2): прочнее углеродистых при той же свариваемости, хладостойкие.
- Легирующие элементыДобавки в сталь (Cr, Ni, Mo, Mn, Si, V, Ti, Nb и др.), целенаправленно меняющие её прочность, стойкость и свариваемость.
- Нержавеющая стальСталь с содержанием хрома не менее 10,5 %, образующая на поверхности самовосстанавливающуюся пассивную плёнку оксида хрома.
- Жаропрочность и жаростойкостьЖаропрочность — сохранение прочности при высокой температуре под нагрузкой; жаростойкость — стойкость к окалине. Это разные свойства и разные стали.