Чем легируют сталь: элементы, их роль и как читать буквы в марке

Буква «Х» в марке 40Х — это не «хром вообще», а около одного процента хрома, который поднимает прокаливаемость и даёт закалить вал насквозь, а не только по корке. Каждая добавка в стали решает конкретную задачу: одна держит вязкость на морозе, другая сохраняет твёрдость сверла при нагреве докрасна, третья ставит барьер против азотной кислоты. Разберём, чем легируют сталь, что даёт каждый элемент, в каких долях его вводят и как расшифровать марку по буквам ГОСТ.

Что считается легированием, а что примесью

Легирующую добавку кладут в расплав осознанно, ради конкретного свойства. Постоянные спутники стали — сера и фосфор — приходят с рудой и коксом, и от них избавляются: сера рвёт металл при горячей прокатке, фосфор делает его хрупким на холоде.

С марганцем и кремнием граница размытая. Пока их меньше 0,8 % и 0,37 %, они технологические: этой дозой связывают растворённый кислород при выплавке. Всё, что сверх порога, работает уже как легирование и попадает в марку отдельной буквой.

Формальный признак по ГОСТ 4543 и ГОСТ 5632 такой: специально введённых элементов в сумме больше 2,5 %, либо хотя бы один из них присутствует в количестве, которое меняет структуру и режим обработки.

Хром, никель, марганец — основа конструкционных сталей

Хром (буква Х). Рабочая лошадь легирования. Доли до 2 % улучшают прокаливаемость, поднимают твёрдость после закалки, дают износостойкие карбиды. Начиная с 12–13 % хром переводит сплав в нержавеющие: поверхность затягивается плотной оксидной плёнкой, и коррозия останавливается. По содержанию: около 1 % в стали 40Х, около 1,5 % в подшипниковой ШХ15 (по ГОСТ 801-78 — 1,30–1,65 %, отсюда и цифра в названии), 17–18 % в нержавейке 12Х18Н10Т. Обратная сторона — хромистые стали при вялом охлаждении после отпуска склонны к охрупчиванию.

Никель (буква Н). Единственная добавка, которая повышает ударную вязкость, не отбирая прочности, и оставляет металл пластичным на сильном морозе — при минус 100 °C и глубже. Вместе с хромом формирует коррозионностойкие и жаропрочные стали, удерживает аустенитную структуру. Дозы: 1–1,5 % в конструкционной 40ХН, 8–10 % в аустенитной нержавейке, от 25 % в жаропрочных сплавах. Слабое место — стоимость: никель ощутимо поднимает цену проката, и его биржевой курс скачет.

Марганец (буква Г). Дешёвый способ добрать прокаливаемость и прочность там, где никель не по бюджету. Заодно раскисляет расплав и вяжет серу в безвредные сульфиды. При 11–14 % вместе с высоким углеродом получается сталь Гадфильда 110Г13Л: под ударом её поверхность наклёпывается и почти перестаёт изнашиваться — из неё льют зубья ковшей и сердечники стрелочных переводов. В рядовых конструкционных марках марганца 1–1,8 %.

Кремний и молибден — упругость и теплостойкость

Кремний (буква С). Круто задирает предел упругости и текучести, поэтому это профильный элемент рессорно-пружинных сталей: в 60С2 и 70С3А его 1,5–2,7 %. Попутно растёт окалиностойкость и электрическое сопротивление — на этом стоит трансформаторное железо. Расплата — падение вязкости и худшая свариваемость.

Молибден (буква М). Кладут чуть-чуть, 0,15–0,6 %, а отдача крупная: молибден гасит отпускную хрупкость хромистых и хром-никелевых сталей, прибавляет прочности на жаре и тормозит ползучесть под долгой нагрузкой. Отсюда его присутствие в котельных и паропроводных сталях, в марках 30ХМ, 35ХМ, 40ХН2МА. В быстрорезах молибден частично закрывает потребность в дорогом вольфраме.

Карбидообразующие для инструмента и жара

Эти элементы стягивают углерод в прочные карбиды, которые не расходятся при нагреве и держат твёрдость.

Вольфрам (буква В). Отвечает за красностойкость: режущая кромка остаётся твёрдой, даже когда раскаляется в работе до 600 °C. Базовый элемент быстрорежущих сталей — в Р18 вольфрама 18 %, в Р6М5 — 6 % плюс молибден. Мелкие твёрдые карбиды вольфрама заодно продлевают жизнь штампам горячей штамповки.

Ванадий (буква Ф). Мощнейший измельчитель зерна: уже 0,1–0,3 % заметно поднимают вязкость и предел выносливости, убирают чувствительность к перегреву при ковке. В инструментальных марках 1–5 % ванадия дают карбиды твёрже вольфрамовых. В низкоуглеродистом прокате ванадий — рабочий элемент микролегирования: сотые доли процента добавляют прочности строительной стали 09Г2ФБ, не портя сварку.

Титан и ниобий (буквы Т и Б). Перехватывают углерод раньше хрома и тем спасают нержавейку от межкристаллитной коррозии — за это в марке 12Х18Н10Т стоит буква Т. В строительных и трубных сталях ниобий действует как ванадий: дробит зерно и поднимает предел текучести микродобавками 0,03–0,06 %.

Особые добавки: бор, азот, кобальт, медь, алюминий

Бор (буква Р). Тысячные доли, 0,001–0,005 %, дают по прокаливаемости больше, чем целый процент никеля. Дешёвый ход в борсодержащих марках 20Г2Р и 30ХР.
Азот (буква А между буквами элементов). Подменяет часть никеля в аустенитных сталях, прибавляет прочности и стойкости к точечной коррозии.
Кобальт (буква К). Поднимает красностойкость и теплопрочность, идёт в быстрорезы Р9К5 и в жаропрочные сплавы турбинных лопаток.
Медь (буква Д). Доли 0,3–0,5 % защищают от атмосферной ржавчины — на этом построены низколегированные стали для мостовых пролётов и опор ЛЭП, например 10ХНДП.
Алюминий (буква Ю). Раскисляет металл и дробит зерно, а в азотируемой 38Х2МЮА образует у поверхности сверхтвёрдый слой нитридов.

Сводная таблица

Как читается марка

За набором знаков в обозначении легированной стали стоит простая логика ГОСТ 4543. Начало марки — двузначное число — это углерод, но не в процентах, а в сотых их долях: у 40Х углерода 0,4 %, у 12Х18Н10Т — всего 0,12 %. Дальше идут буквы элементов, и очередь не случайна: впереди тот, чья доля больше. Число сразу за буквой — содержание этого элемента, округлённое до целых процентов; нет числа — значит, элемента немного, ориентировочно от половины процента до полутора.

Хвост марки говорит о чистоте плавки. «А» в самом конце — сталь высокого качества, серы и фосфора вдвое ниже нормы. «Ш» на конце — металл электрошлакового переплава, ещё чище. «Л» замыкает марку литейной стали. И отдельно: «А» не в конце, а между буквами элементов означает легирование азотом.

Несколько разборов:
40Х — углерода 0,4%, хрома около процента. После улучшения идёт на валы, шестерни, оси.
30ХГСА — углерода 0,3%, хрома, марганца и кремния примерно по проценту, качество высокое. Сварные нагруженные узлы, стойки, кронштейны.
12Х18Н10Т — углерода 0,12%, хрома 18%, никеля 10%, титана до процента. Аустенитная нержавейка под агрессивные среды.
38Х2МЮА — углерода 0,38%, хрома 2%, молибдена и алюминия до процента, качество высокое. Азотируемые гильзы и валы.
Р6М5 — быстрорежущая; у таких марок углерод в первых цифрах не пишут, зато сразу видно вольфрама 6% и молибдена 5%.
110Г13Л — углерода 1,1%, марганца 13%, отливка. Сталь Гадфильда под ударный износ.

Классы по суммарному содержанию легирующих

Низколегированные — до 2,5%. Варятся почти как углеродистые, сложной термообработки не просят. На них держится строительный прокат: 09Г2С, 10ХСНД, 15ХСНД.
Среднелегированные — от 2,5 до 10%. Свой потенциал показывают только после закалки с отпуском. Машиностроительные 30ХГСА, 40ХН2МА, 38ХС.
Высоколегированные — свыше 10%. Нержавеющие, жаропрочные, окалиностойкие, инструментальные. Сварка и обработка резанием — по отдельной технологии, цена кратно выше углеродистой стали.

Почему легируют связкой элементов, а не одним

Одиночная добавка вытягивает одно свойство и часто роняет другое. Хром прибавляет прокаливаемости, но тянет за собой отпускную хрупкость — её давят десятыми долями молибдена. Кремний даёт упругость, но режет вязкость — её возвращают марганцем и никелем. Поэтому рабочие марки почти всегда комплексные: 30ХГСА — это хром, марганец и кремний вместе, 40ХН2МА — хром, два процента никеля и молибден. Связка работает так, как простое увеличение доли одного элемента не сможет.

Что легирование не решает

Цена и дефицит. Никель, молибден, вольфрам, кобальт дорогие и биржевые; марка с 10% никеля стоит в разы больше углеродистой.
Свариваемость. С ростом углеродного эквивалента нужны подогрев, специальные электроды, термообработка шва.
Обязательная термообработка. В отожжённом виде легированная сталь по прочности не обгоняет углеродистую — весь выигрыш появляется только после закалки и отпуска на нужную структуру.
Флокены и охрупчивание. Хром-никелевые стали чувствительны к водороду при прокатке, а отпуск в опасных интервалах 250–400 °C или 450–550 °C делает металл хрупким.

Частые вопросы

Чем легируют нержавеющую сталь? Хром от 13%, никель 8–10%, молибден 2–3% и титан или ниобий против межкристаллитной коррозии — коротко. Полный химический состав по маркам, классификация по структуре (аустенитная/ферритная/дуплекс) и таблица соответствия ГОСТ↔AISI — в статье «Нержавеющая сталь: химический состав, легирующие элементы и маркировка».

Что конкретно даёт хром? При малых долях — сквозную прокаливаемость и высокую твёрдость после закалки. От 12–13% — коррозионную стойкость. Плюс твёрдые карбиды, которые тормозят износ.

Зачем никель, если он дорогой? Он один поднимает ударную вязкость без потери прочности и держит пластичность на морозе. Для деталей, работающих при минус 60 °C и ниже, полноценной замены ему нет.

Чем 40ХН отличается от 40Х? Примерно одним процентом никеля. Это даёт более вязкую сердцевину и лучшую прокаливаемость крупных сечений при той же прочности.

Что означает буква А в марке? В конце обозначения — знак высокого качества: серы и фосфора меньше обычного. Та же буква между символами элементов указывает на легирование азотом.

Легированная сталь — это всегда нержавейка? Нет. Нержавеющей сталь делает только хром от 12–13%. Большинство легированных марок — 40Х, 30ХГСА, 09Г2С — во влажной среде ржавеют не хуже углеродистых.