Применение легированных сталей. Классификация и маркировка сплавов

»

» Легированная сталь: свойства, характеристики, виды и применение

Обычная углеродистая сталь – это соединение железа углерода и ряда примесей. Леги́рованная сталь — сплав, содержащий кроме железа и углерода другие специально вводимые в состав элементы. Например, молибден или хром. Целью введения добавок может быть увеличение механических свойств, химическая или тепловая стойкость, улучшение магнитных качеств, устойчивость. То есть получение необходимых физических и химических свойств металла.

В данной статье мы расскажем про один из наиболее распространенных методов, а также дадим ответ про легированную сталь – что это такое, разберем основные характеристики и степень легирования по назначению, маркировку.

Что такое легированная сталь

Легированная сталь отличается составом, ее основные компоненты – железо (не менее 45%) и главная составляющая, углерод. Но в отличие от классического металла, добавляют специализированные легирующие элементы. Их концентрация не очень большая, но даже эта небольшая доля (обычно от 1 до 3%) способствует значительному изменению в лучшую сторону характеристик и качества материала. Физические свойства, такие как прочность, пластичность, хрупкость, могут быть увеличены или уменьшены в несколько раз, согласно количеству примесей. Изменение кристаллической решетки материалов активно применяют в металлургии, а также при производстве деталей и корпусов для автомобильного, машинного, станочного и прочего производства, а также для создания строительных конструкций и инструментов.

► Классификация по химическому составу

• Углеродистые
• Легированные

► Классификация по назначению

• Конструкционные
• Инструментальные
• Особого назначения

► Классификация по способу раскисления

• Кипящие
• Полуспокойные
• Спокойные

► Классификация по качеству

• Качественные
• Высококачественные
• Особо качественные

► Классификация по структуре

• Аустенит
• Феррит
• Мартенсит
• Перлит
• Цементит

► Классификация по способу производства
► Таблица маркировки сталей
► Обозначения сталей AISI

Железо химически-активно и встречается в природе только в виде соединений, руды состоят из гидратов, закисей солей и оксидов. Богатая руда содержит не более 57% чистого металла, а изделия быстро корродируют. С развитием металлургии было изобретено множество сплавов на железной основе, которые превосходят его по прочности и имеют надежную молекулярную структуру. Стали классифицируют по способу раскисления, назначению и содержанию элементов. Обозначения марок сформированы разными системами стандартизации.

Для точной расшифровки марки стали воспользуйтесь нашим марочником стали

Классификация легированных сталей

По содержанию в составе стали углерода идет разделение на:

• низкоуглеродистые стали (до 0,25% углерода);
• среднеуглеродистые стали (до 0,25% до 0,65% углерода);
• высокоуглеродистые стали (более 0,65% углерода).

В зависимости от общего количества в их составе легирующих элементов, которые содержит легированная сталь, она может принадлежать к одной из трех классификаций:

• низколегированная (не более 2,5%);
• среднелегированная (не более 10%);
• высоколегированная (от 10% до 50%).

По структуре классификация на:

• доэвтектоидные — в составе присутствует избыточный феррит;
• эвтектоидные — сталь имеет перлитную структуру;
• заэвтектоидные — в их структуре присутствует вторичные карбиды;
• ледебуритные — в структуре присутствует первичные карбиды.

• Обыкновенные, или рядовые. Это самый дешевый материал с содержанием углерода в пределах 0,6%, при этом в металле есть пузырьки воздуха. Чаще всего встречаются такие марки: СтО, Ст3сп, Ст5кп.
• Качественные. Сюда относятся спокойные, полуспокойные и кипящие виды, в составе которых есть кислород, азот, водород. При этом в кипящих достигается максимальная концентрация газов. Стали могут быть углеродистыми и легированными марок Ст08кп, Ст10пс, Ст20, 7ХФ, 8ХФ.
• Высококачественные. Отличаются сниженным содержанием серы и фосфора – в пределах 0,03 %. Эти стали выплавляют в электропечах без использования угля. Сюда относятся марки 6ХВ2С, 6Х3ФС.
• Особо высококачественные. Металл в горячем виде проходит глубокую очистку от оксидов, сульфидов, неметаллических включений. В итоге в нем остается до 0,01 % серы и 0,025 % фосфора. Речь идет, например, о такой марке, как 30ХГС3-Ш.

• Конструкционные легированные стали. Применяется для изготовления различных деталей, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве. Конструкционная сталь обладает определёнными механическими, физическими и химическими свойствами.
• Инструментальные легированные стали (режущие и штамповые). Не предназначены для сварки, инструментальные только для изготовления режущих инструментов и штампов.
• Легированные стали с особыми свойствами. Делятся на такие классификации:

• Жаропрочные стали – они выдерживают температуры вплоть до 1000 градусов.
• Устойчивые к коррозии металла, поэтому их можно применять в изделиях и конструкциях, которые предназначены для эксплуатации в условиях повышенной влажности.
• Жароустойчивые и окалиностойкие стали – характеристики отмечают их невосприимчивость к распаду.

По форме решетки:

• Ферриты. Магнитны, решетка неустойчива, меняется в результате нагревания, охлаждения, преобразуясь в перлит, сорбит, тростит. В данную группу входят все низколегированные и углеродистые стали.
• Аустениты. Характеризуются высоким содержанием никеля, хрома и марганца. За счет своего структурного строения являются жаростойкими, пластичными, не боятся ржавчины. В эту группу или классификацию входят хромоникелевые нержавеющие стали.
• Мартенситы. Охлаждение после закалки приводит к мартенситовому превращению, в результате чего происходит образование кубической ячейки, составляющие игольчатые либо реечные кристаллы.

• Машиностроительные легированные стали — служат для производства деталей всевозможных механизмов, корпусных конструкции и тому подобного. Отличаются тем, что в подавляющем большинстве случаев проходят термическую обработку. Виды и классификация:
• Жаропрочные легированные стали
• Улучшаемые (из категорий среднеуглеродистых, низко- и среднелегированных) стали
• Цементуемые (из категорий низкоуглеродистых, низко- и среднелегированных) стали
• Строительные легированные стали — чаще всего изготавливают сварные металлоконструкции и термической обработке подвергаются в редких случаях. Они могут использоваться под сильным давлением и в агрессивных средах после обработки. Поэтому они в строительстве одни из самых популярных. Нужно только правильно выбрать сплав. Виды:
• Массовая — низколегированные стали в виде труб, фасонного и листового проката.
• Мостостроительная — для автомобильных и ж/д мостов.
• Судостроительная хладостойкая, нормальная и повышенной прочности.
• Судостроительная хладостойкая высокой прочности.
• Для горячей воды и пара — температура до 600 градусов.
• Низкоопущенные высокой прочности — применяются в авиации, чувствительны к концентрации напряжений.
• Повышенной прочности с применением карбонитритного упрочнения, создающим мелкозернистую структуру стали.
• Высокой прочности с применением карбонитритного упрочнения.
• Упрочненные прокаткой при температуре 700-850 градусов.

Отличия легированной стали от углеродной

В составе легированной стали, помимо обычных примесей, присутствуют дополнительные вещества, позволяющие ей отвечать определенным химическим и физическим требованиям.

Разница между легированным и нелегированным металлом состоит в химическом составе:

• В легированном сплаве, помимо стандартного железа и углерода, есть дополнительные компоненты и они улучшают свойства металла.
• В углеродистой или классической стали также присутствуют следы случайных примесей, но они не способны сильно сказаться на ее характеристиках.

Существуют разные степени легирования, однако даже небольшое содержание химических элементов значительно повышает качественные характеристики металла и его состояние. Например, углерод, усиливая твёрдость, одновременно делает сплав более хрупким, но добавив хром и никель можно значительно улучшив сплав.

Достоинства и недостатки

• повышенное сопротивление деформациям (пластическим);
• высокую твердость;
• стабильную аустенитную структуру, обеспечивающую отличные показатели прокаливаемости металла;
• высокий уровень сопротивления хладноломкости и вязкости;
• уникальные технологические качества;
• минимальную вероятность коробления либо появления иных дефектов при проведении закалки стали.

• Склонны к ликвации дендритного вида. Этого можно избежать, если провести диффузионный отжиг металла.
• Содержат остаточный аустенит (это, в частности, касается высоколегированных сталей). Он уменьшает (и существенно) сопротивляемость усталости и твердость сплава.
• Имеют определенную склонность к отпускной обратимой хрупкости и к появлению флокенов – ориентированных в разные стороны трещин небольших размеров. От подобных дефектов следует избавляться посредством замедления охлаждения стали и снижением уровня водорода в ней в процессе выплавки.

Разные виды термообработки нивелируют недостатки интересующих легированной стали. И изделия обретают особые, а зачастую и уникальные свойства, достаточно простым способом.

Маркировка сталей AISI

Оцените нашу статью

Технические характеристики

Углеродная составляющая придает твердость, но вместе с тем сплав малопластичен, легко разрушается от ударных воздействий, плохо переносит холод. Железо — один из самых активных химических элементов, и не встречается в чистом виде. Даже будучи связанным в соединениях, оно вступает в реакции с более агрессивными веществами.

Легирование решает ряд задач:

• Делает структуру однородной;
• Препятствует окислению;
• Предотвращает водородную болезнь;
• Одновременно увеличивает прочность и ударную вязкость;
• Придает дополнительные физические и химические характеристики.

Сегодня к материалам предъявляют разные требования, например стойкость к истиранию и критически-низким температурам, способность длительно обеспечивать работу печного оборудования. В пищевой промышленности действует регламент по отсутствию вредных примесей.

С развитием технологий, металлурги получили возможность работать с расплавами при температуре до 20 тыс. градусов. Это дало возможность легирования тугоплавкими металлами.

Основные легирующие элементы:

• Хром — увеличивает прочность и твердость без потерь пластичности, отвечает за кислотостойкость и жаростойкость;
• Никель — улучшает ударную вязкость, устойчивость к окалинообразованию, термостойкость в агрессивных средах;
• Кремний — стабилизирует структуру, повышает пределы прочности и текучести;
• Марганец — защищает от окисления, увеличивает сопротивление истиранию;
• Вольфрам — вводится в быстрорежущие и инструментальные марки;
• Ванадий — карбидообразующий агент, объединяясь с углеродом усиливает стойкость к истиранию, прочность, и способность противостоять напряжениям;
• Молибден — добавляют в быстрорежущие и жаропрочные материалы.

Процесс легирования начинается с очистки от примесей, обезуглероживания и раскисления, затем вводят присадки. Нередко после изготовления готовой продукции полуфабрикатам требуется дополнительная рекристаллизация.

Легирующие элементы не только встраиваются в структуру, они образуют интерметаллические включения и дисперсные частицы, упрочняющие молекулярное строение. Среди технических характеристик сталей есть такие, как термоупрочнение, упрочнение давлением.

Маркировка легированных сталей

Марки стали — это классификация сталей по их химическому составу и физическим свойствам. Марка указывает на предназначение, основу, наличие добавок. При обозначении легированной конструкционной стали процентная величина массовой доли углерода маркируется первыми двумя цифрами, без использования обозначения буквой. Далее в порядке уменьшения в маркировке указываются легирующие компоненты и их доля в сплаве в среднем эквиваленте. Марка конструкционной стали может включать буквенные обозначения. Маркировка обозначается буквой, которая показывает назначение конструкционной стали. Конструкцио́нная сталь применяется для изготовления деталей, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладает определёнными свойствами. Литеры обозначают следующие марки:

• Буквы Ж,Х,Е — нержавеющие, хромистые (много хрома), магнитные металлы.
• Буква Я — нержавеющий сплав хромоникилиевого типа.
• Буква Ш — нержавейка шарикоподшипниковой разновидности.
• Литера Р — режущий металл.
• Буквы А, Ш — сталь с примесями, обладающая высоким качеством.

Элементы, добавленные в легированную конструкционную сталь, в маркировке обозначают буквами русского алфавита, где X – хром, Н – никель, В – вольфрам, М – молибден, Ф – ванадий, Т – титан, Ю – алюминий, Д–медь, Г – марганец, С – кремний, К – кобальт, Ц – цирконий, Р – бор, Б – ниобий. Буква А в середине марки говорит о содержание азота, а в конце свидетельствует о том, что сталь высококачественная.

За буквой в маркировке стоит цифра, указывающая количество добавления данного элемента в процентах. Если за буквой в маркировке цифры нет, то это означает, что содержание легирующего элемента составляет менее 1,0%. Если в конце марки указана буква «А» — это обозначение высококачественной стали. Примеры:

• Марка 35Х3Н5 обозначает конструкционную легированную качественную сталь, содержащую около 0,35% углерода, 3% хрома, количество 5% никеля, остальное железо
• 03Х13АГ19. В этой ЛС углерода содержится в сотых долях — 0,03 %. Хрома – 13, азота – до 1 %, марганца – 19;
• 18ХГТ. Здесь состав легирующих элементов такой: углерод – 0,18 %, хром, количество титана и марганца – до 1.

Легированные сплавы с маркировками выпускаются по нескольким Государственным стандартам:

• теплоустойчивые – ГОСТ 20072–74;
• конструкционные – ГОСТ 4543–71;
• низколегированные – ГОСТ 19281–89;
• шарикоподшипниковые – ГОСТ 801–79;
• пружинные – ГОСТ 14959–79.
• нержавеющие легированные стали для судостроения ГОСТ 5521-86
• Нержавеющие стали, жаропрочные и коррозионностойкие сплавы выпускаются по ГОСТ 5632–2014.

Европейские стандарты

EN 10027 определяет порядок обозначения и маркировки всех сталей. Легированные сплавы имеют маркировку 1.20ХХ – 1.89ХХ, где первая цифра определяет, что данный материал относится к сталям, вторая и третья цифра определяют номер группы сталей и две последние — порядковый номер сплава в этой группе.

Североамериканские стандарты ASTM/ASME и AISI

В США действует наиболее обширная система маркировки видов сталей. Например, маркировка ASTM предполагает обозначение основных химических элементов, предел прочности и форму проката материала. В системе AISI используют 4 цифры, где первые две указывают номер группы, две последующие – процентное количество углерода. Буквенные символы демонстрируют наличие соответствующих присадок.

Таблица маркировки сталей

В таблице приведено содержание элементов в распространенных марках стали.

Легированный металлолом

Обзор рынка легированного лома касается не только стали, но и чугуна. Действительно, доля объявлений купим легированный лом чугуна, не особо уступает спросу на вторичное низкоуглеродистое железо. Прием легированного лома осуществляется практически всеми пунктами, работающими с черным металлом, однако по существенно более высокой стоимости.

Для пунктов приема металлолома разделения по легированным сталям нет (как в справочнике) – для них есть черный лом, лом нержавеющей стали и лом быстрорезов. В черный лом могут включаться такие стали, как: 09Г2с и другие марки. Некоторые предприятия специализированно закупают определенную марку.

Цена лома за килограмм определяется вхождением легирующих элементов. Например, вторичная сталь, с содержанием никеля более 9.3%, может приниматься до 60 рублей за кг, тогда как более низкая концентрация Ni, приравнивает отходы к обычному черному стальному лому – 11000 за тонну.

Легированный лом

Особую ценность представляют быстрорежущие марки (быстрорежущая сталь), ценность которых даже в виде металлолома существенно выше. Однако сами по себе отходы быстрорезов многие приемщики разделяют на две категории:

• обозначение марки Р6М5, Р18, применяемые для обработки металлов, тех же легированных конструкционных сталей;
• обозначение сорта Р9 и Р12, используемые для работ по камню и менее твердым материалам.

Таким образом, стоимость лома легированной стали определяется в основном парой параметров: содержание и вид добавки, а также качество самой стали.

Легирующие элементы (добавки)

Примеси, которые невозможно полностью убрать их сплава. Таблица:

Также добавкой может считаться медь и некоторые другие.

Химический состав легированной стали

Есть постоянные компоненты – это те, которые есть в любом сплаве данной категории, есть также необязательные, легирующие ингредиенты. Сперва перечислим те, которые образуют классический материал:

• Железо. В процентном соотношении его может быть от 45 до 97-99 процентов.
• Углерод. В среднем его добавляют от десятых до 1,4 процента к общей массе. Чем больше его содержание, тем выше прочность.
• Марганец. Если его меньше, чем 1 процента(сотые), то особенных свойств он не придает. Он является раскислителем, то есть способствует удалению из сплава кислорода, который, в свою очередь, негативно влияет на особенности.
• Кремний – обязательный элемент, который при большом содержании (более 0,8 процента) имеет легирующие свойства. Он тоже является раскислителем, а также увеличивает стойкость, предел упругости, жаропрочность и некоторые другие особенности.

Кроме того, в составе обычно есть вредные и скрытые примеси. От них пытаются избавиться, но, к сожалению, полностью убрать не получается. Поэтому в крайне малых дозах в образцах есть:

• Сера, из-за которой увеличивается красноломкость – появляются трещины на разогретой заготовке.
• Фосфор, он приводит к увеличению хладноломкости, то есть хрупкости.
• Кислород, азот и водород – «разрыхляют» структуру.
• Окислы и нитриды – могут привести к надрывам.

Есть случайные, безвредные. Они попадают в емкость вместе с шахтами, то есть со смесью исходных материалов, и не несут положительного влияния:

• цинк;
• свинец;
• титан;
• медь;
• хром и пр.

И есть специальные легирующие добавки, которые мы перечисляли в статье выше.

Классификация по качеству

Чем меньше осталось вредных включений, тем выше качественные характеристики, но иногда это не оправдано экономически. Система стандартизации предусматривает три класса.

Качественная

К категории относят углеродистые продукты. В них больше всего фосфора, серы и газов, они недостаточно однородны. Качества удовлетворительны для производства конструкций и деталей.

Нелегированные качественные стали обозначают буквой К. Например, 20К

Высококачественная

Низкое содержание вредных примесей и неметаллических включений обозначается в маркировке буквой А в конце. Из марок У8 и У8А вторая будет обладать лучшими характеристиками, изделия получатся точнее и качественнее.

Букву А в начале пишут в марках конструкционных сталей высокой обрабатываемости (А12­–автоматная, А30, А40), но в таком случае она не отображает соответствие стандарту чистоты.

Особо качественные

Сплавы с минимально-возможным количеством примесей обозначаются по способу получения в конце маркировки:

• ВД – вакуумно-дуговая переплавка;
• Ш – электрошлаковый переплав;
• ВИ – вакуумно-индукционный;
• ПД – плазменно-дуговой.

Особое качество достигается легированием, так как основу, полученную из чугунного расплава, невозможно привести к таким показателям. Содержание серы снижено до 0,1%, фосфора – до 0,025%. Примеры: 30ХГСН2МА – ВД. Здесь пропущены цифры, так как концентрации присадок составляют от 0,8 до 1,2%, поэтому их доля округляется до 1.

Сварка легированных сталей

Легированные сплавы обладают хорошей пластичностью, поэтому из них можно изготовить сложные конструкции методом сварки. По причине различного содержания добавок каждый вид легированных изделий имеет свои особенности:

• Сварка низколегированных сталей. Особенность заключается в высокой сопротивляемости холодным трещинам и хрупкому разрушению. Но, такие свойства соединительного шва можно достичь только при правильном сваривании. Низколегированные стали марки 10Г2СД, а также 14ХГС и 15ХСНД свариваются с использованием аппарата постоянного тока с обратной полярностью. Электроды для сваривания должны иметь фтористо-кальциевое покрытие. Величина сварочного тока должна точно соответствовать классу электрода, толщине металла и виду сплава. Сварка низколегированной стали должна осуществляться без перерыва, чтобы весь шов был выполнен без при температуре металла не менее 200 градусов. Средняя скорость сварки составляет 20 м/ч, при напряжении 40 В и силе тока 80 А.
• Сварка среднелегированных сталей. Необходимо использовать сварочные материалы, в которых содержание легирующих элементов должно быть меньше, чем в свариваемом материале. Если при изготовлении изделий из среднелегированных сталей толщина листа не превышает 5 мм, то высокого качества соединения можно достичь при использовании аргонодуговой сварки. Если для соединения деталей используется газовая сварка, то в качестве источника горения следует применять ацетилен в смеси с кислородом.
• Сварка высоколегированных сталей. Следует применять сварочное оборудование с минимальным тепловым захватом материала. Это необходимо для снижения вероятности коробления высоколегированного металла во время сварки, по причине большого содержания в составе металла различных примесей. Электрическая сварка осуществляется с использованием электродов с фтористокальциевым покрытием. Применение газовой сварки при изготовлении конструкций из высоколегированных сталей нежелательно. В исключительных случаях используется для соединения жаропрочного листа толщиной не более 2 мм.

При выплавке из руды сначала получают чугун, который затем очищают от газов, оксидов и других включений. Этот процесс называют рафинированием. Удаление кислорода производится с помощью угля, шлака, марганца и других раскислителей, способных образовывать газы или тяжелые оксиды, которые выпадают в осадок.

Обезуглероживание осуществляется водородом и выгоранием карбидов с образованием угарного газа и окалины. Сегодня на некоторых предприятиях действуют передовые методы, например газокислородное рафинирование.

Результат этих процедур определяет качество стали:

• Обыкновенные (рядовые): наиболее дешевый материал, углерода до 0,6% в толще присутствуют пузырьки воздуха. Самые распространенные: СтО, Ст3сп, Ст5кп.
• Качественные: в структуре присутствуют кислород, азот, водород. качественными считаются спокойные, полуспокойные и кипящие марки.  В кипящих концентрация газов максимальна. Сплавы могут быть углеродистыми и легированными: Ст08кп, Ст10пс, Ст20, 7ХФ, 8ХФ.
• Высококачественные: выплавка преимущественно осуществляется в электропечах без использования угля. Концентрации серы и фосфора снижены до 0,03%. Примеры: 6ХВ2С, 6Х3ФС;
• Особовысококачественная: расплавы подвергаются глубокой очистке от оксидов, сульфидов, неметаллических включений, содержат не более 0,01% серы и 0,025% фосфора. Например: 30ХГС3-Ш.

Действует классификация легированных сталей по назначению:

• Конструкционные — для изготовления строительных конструкций и нагруженных механизмов;
• Инструментальные (режущие и штамповые) — присадки повышают прочность и сохраняют однородность, обычно металл подвергают термообработке;
• С особыми свойствами ( нержавеющие, жаропрочные, износостойкие и др.) — большая группа с разными характеристиками.

Предусмотрено обозначение отдельных групп:

• Шарикоподшипниковые;
• Пружинно-рессорные;
• Автоматные;
• Быстрорежущие;
• Жаростойкие/жаропрочные;
• Криогенные;
• Авиационные и др.

Современные сплавы — это комплексно-легированные составы, с уникальными характеристиками. Например 15Х2НМФА способна в течение 100 лет обеспечивать радиационный ресурс реакторной установки, 17ХНГТ используют для пружин специального назначения.

Классификация по назначению

Часто для группы со сходными химическими формулами и эксплуатационными ресурсами применяют термины, указывающие на условия применения. Как правило, такая продукция подвергается испытаниям на соответствие по нескольким одинаковым параметрам: на устойчивость к ударным нагрузкам, кислотам, экстремальным температурным режимам. Специальные обозначения в маркировке есть у нелегированных групп: строительные (С), подшипниковые (Ш), конструкционные (Сп), инструментальные (У). Отдельно выделяют режущие легированные сплавы (Р).

Классификация сталей по назначению

Конструкционные

Категория объединяет марки способные выдерживать разнонаправленные механические нагрузки: изгибающие, ударные, растягивающие. Отличительной особенностью является стойкость к усталости, они не трескаются и не истираются при сочетании различных негативных факторов. По составу могут быть углеродистыми и легированными. Применяются для изготовления конструкций и деталей повышенной прочности.

Если сталь является литейной конструкционной, то в конце маркировки ставят букву Л. Например: 40ХЛ, 35ХМЛ.

Инструментальные

Стальные изделия без легирования очень прочны, но в некоторых областях их качеств недостаточно, поэтому применяют присадки. Например, марганец участвует в формировании особо-прочной молекулярной структуры (аустенит) и увеличивает стойкость к механическим деформациям. Алмазная сталь ХВ5 долго сохраняет заточку, может резать очень твердые материалы, при этом требует ухода и легко ломается. Ее прародителями были булатные и дамасские клинки, плохо переносящие сырость и хрупкие ближе к острию.

Инструментальные нелегированные стали обозначаются буквой У. Затем ставится цифра, которая обозначает среднее содержание углерода в стали: У11; У12; У13;. Высококачественные стали дополнительно обозначают буквой А на конце — У11А; У12А; У13А.

Особого назначения

Способность выдерживать определенные физические или химические воздействия определяет область применения. К особенным свойствам относится: немагнитность, кислотостойкость, жаростойкость, жаропрочность. Появляются узкоспециальные названия: авиационные (нагрузка свыше 1300Мпа), судостроительные (стойкость в щелочной среде), криогенные (отсутствует хрупкость при –196 Со и ниже).

Исторический путь

Начало развития легирования было заложено обоснованием тигельного способа плавления стали в Европе в XVIII веке. В более примитивном варианте тигли использовались еще в древние времена, в том числе для выплавки булатной и дамасской стали. В начале 18 века эта технология получила совершенствование в промышленных масштабах и позволяла корректировать состав и качество исходного материала. Приобретает новые характеристики.

• Одновременное открытие все новых и новых химических элементов, подталкивало исследователей на экспериментальные опыты выплавки.
• Установлено негативное влияние меди на качество стали.
• Открыта латунь, содержащая 6 % железа.

Проводились опыты с точки зрения качественного и количественного влияния на стальной сплав вольфрама, марганца, титана, молибдена, кобальта, хрома, платины, никеля, алюминия и прочих.

Первое промышленное производство стали, легированной марганцем, налажено в начале XIX века. Оно же получило развитие с 1856 года в рамках бессемеровского процесса выплавки.

Легирование и примеси — есть ли разница

Некоторые химические элементы, содержащиеся в обычных сталях, тоже можно называть легирующими. К таким можно отнести, например, медь (до 0,2%), кремний (до 0,37%) и т.д. Постоянными спутниками любой стали являются фосфор и сера. Тем не менее, металловеды относят их к примесям.

Почему? Любая примесь является следствием либо чистоты исходной руды (марганец), либо специфики металлургических процессов плавки (сера, фосфор). Теоретически выплавленная без фосфора и серы сталь обладала бы такими же механическими свойствами. Легирование же имеет своей конечной целью именно повышение определённых технических характеристик стали, а сера и фосфор этого не делают. При этом они однозначно относятся к вредным, но неизбежным примесям добавкам.

Наличие химического элемента с концентрацией более 1% дает основание вводить его условное значение в марку стали. В целом принято, что стали:

Если в составе выплавляемого сплава процентное содержание железа не превышает 55%, то такой материал уже не может использовать название легированной стали. Это правило нельзя отменить.

Согласно стандарту ГОСТ для обозначения марок действует буквенно-цифровая система. Она распространена только на территории стран СНГ, свои маркировки есть в США, азиатских и европейских странах.

Рассмотрим построение маркировки у легированных сталей на примере 25Х2МФА:

• 25 — округленное значение углерода в сотых долях процента, его содержание колеблется от 0,22 до 0,29%;
• Х2 — хром от 2,5 до 3%, так как концентрация не всегда достигает верхнего предела, обозначают двойку;
• М — марганец 0,3-0,6%, массовая доля менее 1%, цифру не указывают;
• Ф — ванадий 0,25-035%;
• А в конце — указывает на высокое качество, глубокую очистку от примесей.

• Без цифры — когда массовая доля вещества не достигает 2%, единицу не пишут;
• Буквы в конце: К- качественные нелегированные, А — высокое качество, Ш — особо высокое, Л — литейные;
• Буква в конце через пробел: С — строительные,  Т — термоупрочняемые, К -коррозионно-стойкие, Д- повышенное содержание меди.

Иногда маркировка указывает на предприятие, имеющее патент на выпуск определенного металлопроката, например ЭИ417, ЭП767, ЗИ8. Необычные названия, после освоения металлургическими заводами приобретают стандартные маркировки по ГОСТ.

Виды легированных сталей

Содержание углерода влияет на свойства, если оно находится в пределах 0,25-2,14% сталь называют углеродистой. Классификация производится следующим образом:

• Среднеуглеродистые: 0,3-0,6%;
• Низкоуглеродистые: до 0,25%.

Для того, чтобы добавить что-то, нужно удалить часть компонентов, иначе связывания не произойдет. Во время очистки снижаются концентрации вредных примесей и кислорода. Углерод удаляют выжиганием, путем выпадения карбидных соединений и другими способами. Добавлять присадки можно в любую сталь, но это не всегда дает нужный эффект.

В легированной стали углеродная составляющая обозначается в сотых долях процента. Предусмотрена классификация по общей массе присадок:

Введение присадок влечет за собой рекристаллизацию и образование новой структуры. Для сталей определены классы по форме кристаллической решетки:

• Ферриты — магнитны, решетка неустойчива и может преобразовываться при нагревании и охлаждении в перлит, сорбит или тростит. К классу принадлежат все низколегированные и углеродистые стали. Устойчивые связи формируются при снижении углерода до 0,15% и легировании хромом.
• Аустениты — образуются при высокой доле никеля, хрома и марганца. Структурное строение обеспечивает жаростойкость, коррозионную стойкость и пластичность. Класс составляют хромоникелевые нержавейки.
• Мартенситы — при охлаждении после закалки происходит мартенситовое превращение, формируются кубические ячейки, которые составляют кристаллы игольчатого или реечного типа. Металл приобретает память, частично восстанавливается после деформации. Переход в такое состояние возможен для сталей с добавками хрома, молибдена, ванадия, вольфрама, ниобия и других добавок, отвечающих за жаропрочность.

Металлическая кристаллическая решетка организуется в виде фаз, обычно одновременно присутствуют две фазы. Например, сочетание аустенита и феррита. Нужную фазу увеличивают путем регулирования присадок и термических воздействий.

Классификация по структуре

Легирующие элементы формируют собственные соединения и создают молекулярную решетку. Строение металлов по своей природе зернистое, подвергается изменениям при термообработке и давлении. Геометрия химических связей определяет отношение к классу: ферриты, аустениты, перлиты и мартенситы. В обозначениях эта информация не отображается, но принадлежность всегда учитывается для применения в той или иной области.

Аустенит

Атомы углерода находятся внутри ячеек кристаллической решетки металла. Легирующие элементы способны замещать атомы железа и вставать на их место. Аустениты отличаются прочностью и однородностью, не магнитны, относятся к коррозийно-стойким и жаропрочным материалам, применяются для транспортировки агрессивных веществ, работы в особо сложных условиях.

Феррит

Ферритная решетка похожа на куб правильной формы. Поликристаллическое строение делает ферриты мягкими, при переохлаждении зерна становятся крупными, увеличивается хрупкость. Представители класса являются сильными магнетиками, поэтому используются в радиотехнике и электронике для поглощения электромагнитных волн, выпуска антенн и сердечников.

Мартенсит

При закаливании и охлаждении формируется игольчатое строение, при этом атомы железа смещаются на вершины ячеек, а углеродные концентрируются в центре. Это создает внутренние напряжения. Интересно, что мартенситовое превращение происходит в определенных температурных промежутках, при котором достигается предельная твердость. Явление сопровождается возникновением «памяти метала». Сталь, находящаяся в таком состоянии способна вернуть форму после механической деформации.

Мартенсит получают различными методами термообработки и легирования, присадки помогают стабилизации решетки. Степень зависит от назначения, иногда необходимо полное прокаливание, а если этого не требуется, то воздействуют лишь на поверхностные слои. Применение осложняется дополнительными требованиями к обработке, особенно сварке. Уникальные свойства пока не изучены до конца.

Перлит

На этой стадии облегчается механическая обработка. Перлит – явление распада при охлаждении после нагрева. Зерна измельчаются или расслаиваются на пластинки. Состояние создают искусственно для пластической деформации.

Цементит

Особо устойчивое состояние. Решетка FeC3 имеет ромбическую форму, физически цементит очень тверд и хрупок. Формируется при кристаллизации расплава чугуна. В сталях образуется при охлаждении аустенита и нагревании мартенсита (разупрочняющий отжиг).

В металлургии термообработка производится для получения лучших эксплуатационных характеристик конкретного состава и состоит из многочисленных процедур нагревов и охлаждений в разной температуре: сфероидизация, гомогенизация, изотермический отжиг, разупрочнение, стабилизация.

Классификация по способу производства

Многое зависит от применяемого оборудования. Доменные печи давно заменены на более экологичные и эффективные варианты. За прошедшее столетие появилось несколько новых технологий:

• Конверторная или бессемеровская. В процессе выплавки в конвертер поступает сжатый, обогащенный кислородом воздух, углеродная составляющая выжигается. Дополнительное топливо не требуется, так во время реакции высвобождается дополнительная энергия и масса нагревается самостоятельно. До изобретения технологии невозможно было получить температуру плавления 1600 Со, поэтому производили только чугун при 1400 Со. В усовершенствованном виде способ применяется и сегодня.
• Мартеновская. Ученый предложил использовать полученное тепло повторно: выходящий воздух нагревает входящий. Для этого печь была оснащена регенератором, не только восстанавливающим тепло, но улавливающим копоть и конденсат. В установках действуют термические режимы, не превышающие 2000 Со. Изобретение позволило переплавлять лом, регенераторы используются в современных установках, особенно стеклодувных и плазменных.
• Электросталь – оборудование нового поколения, использующее индукцию и дуговую выплавку. В современных установках получают наиболее чистые от загрязнений продукты, затраты электричества снижаются, так как поддерживается точная температура. В плазменно-дуговых печах создают жаропрочные и тугоплавкие материалы. Появилась возможность получать стали прямым методом, без плавления чугунной основы.

Предельное повышение температуры до 20000 Со позволило получить железо, усиленное молибденом и титаном. Вместе с технологией плавления одновременно разрабатываются методы металлообработки: резки, гибки, проката.

Использование легированных сталей (сферы применения)

Легированные стали по причине их высокой стоимости, в сравнении с углеродистой сталью, используются только для производства самых ответственных конструкций и деталей, где изделия из других металлов просто не смогут выполнить возложенные на них задачи.

Помимо прочего, сфера применения стали с добавками большая. Из них делают:

• инструменты медицинского назначения, в том числе острые режущие предметы (инструментальная сталь);
• лезвия — инструментальная сталь;
• автоматная техника;
• подшипники, детали, испытывающие высокую радиальную, опорную нагрузку;
• резцы, фрезы, долбяки, сверла,штампы, иная оснастка станков в сфере металлообработки;
• корпуса для техники и приборов;
• нержавеющая посуда, такая как ведра, тазы, пр.;
• детали для автомобилестроения;
• измерительные приборы, пружины, шестерни, подвески, растяжки.

С точки зрения практического применения, среди легированных сталей выделяют:

• Машиностроительные, применяемые для производства деталей механизмов, конструкций корпуса. Они обязательно подвергаются температурной обработке перед применением в машиностроении.
• Строительные, их чаще всего используют для изготовления сварных металлических конструкций и лишь в редких случаях подвергают сильному нагреву.

Такая легированная сталь является материалом для трех групп инструментов:

• режущих (для резки);
• измерительных;
• штампов.

Из низколегированной стали производят корпуса железнодорожных вагонов, вагонов метро, трамваев, несущих конструкций локомотивов, сельскохозяйственных и прочих полевых машин. Также данная легированная сталь служит материалом инженерных сооружений, функционирующих при переменных динамических нагрузках, сезонных и суточных теплосменах. При выборе стали следует обратить внимание на маркировку. В статье выше мы разобрали, как разобраться с маркировкой и что она значит. Инструментальная легированная сталь марок 9ХС, ХВГ, 6ХВ2С идет на изготовление сверл, метчиков, плашек, фрез, протяжки, для технологической оснастки, для ножей холодной резки металла, просечных штампов, вырезных матриц и пуансонов. Инструментальная не рассчитана на сварку.

Легированные стали могут иметь различные свойства, которые они получают за счет соотношения основных элементов, области применения. Однако важно понимать, чем отличается любая легированная сталь.

Особенности легирования

Современные возможности позволяют выплавлять легированные металлы любого состава. Основные принципы рассматриваемой технологии:

• Сера, водород, фосфор считаются примесями. В качестве неметаллических добавок используются бор, азот, кремний, редко – фосфор.
• Объемное легирование – это введение компонентов в расплавленную субстанцию в рамках металлургического производства. Поверхностное представляет собой способ диффузионного насыщения поверхностного слоя необходимыми химическими элементами под действием высоких температур.
• В ходе процесса добавки изменяют кристаллическую структуру «дочернего» материала. Они могут создавать растворы проникновения или исключения, а также размещаться на границах металлической и неметаллической структур, создавая механическую смесь зерен. Большую роль тут играет степень растворимости элементов друг в друге.

Легирование стали

Легированными называют стали, в которые специально вводят те или иные химические элементы. Эти элементы вводят с целью воздействия на структуру и получения требуемых свойств.

Процесс легирования стали

Есть два вида операции:

• Объемный – компоненты попадают в глубинную структуру. В расплав или шихту внедряются хром, никель и пр.
• Поверхностный – в ходе него происходит диффузионное или иное напыление, то есть покрывается только верхний слой. Легирующий элемент проникает неглубоко, примерно на 1-2 мм. Это необходимо для создания на поверхности металла определенных свойств (например, антифрикционных).

Несколько правил процесса легирования:

• Легирующих добавок может быть несколько.
• Примеси и добавки могут быть металлическими (например, медь, хром, титан или молибден) и неметаллическими (например, фосфор).
• Для получения различных характеристик легирование может производиться на различных этапах плавки.
• Легирование полупроводников проводится с помощью термодиффузии, нейтронно-трансмутационного легирования и ионной имплантацией. Ионное легирование проводится в два этапа. Сначала проводится загонка легирующих атомов, а затем их активируют.
• Распределение элементов зависит от температуры и времени, глубина вхождения — от энергии. При термодиффузии происходит осаждение легирующих элементов, отжиг и удаление легирующих элементов.
• Нейтронно-трансмутационное легирование происходит благодаря ядерным реакциям — в данном случае легирующие и легируемые элементы объединяются в монокристаллический материал.

Свойства и назначение

Наиболее часто используемыми легирующими элементами являются никель, марганец, хром, кремний, свинец, селен и бор. Менее часто используются алюминий, медь, ниобий, цирконий, молибден и вольфрам. Назначение зависит от свойств элемента.

Например, железо само по себе не особо прочное, но его прочность значительно возрастает, когда оно легируется углеродом, а затем быстро охлаждается для производства стали. Медь увеличивает антикоррозийные свойства стали. Некоторые характеристики легированной стали — мягкая, полумягкая, полутвердая, твердая — в значительной степени обусловлены содержанием углерода, которое может составлять от 0,10 до 1,15%.

Риски

• Некоторые ферросплавы производятся и используются в форме мелких частиц;
• Переносимая по воздуху пыль представляет собой потенциальную опасность токсичности, пожара и взрыва.
• Профессиональное воздействие паров при изготовлении некоторых сплавов может привести к серьезным проблемам со здоровьем.
• Ряд сплавов олова опасен для здоровья (особенно при высоких температурах) из-за вредных свойств металлов, с которыми можно легировать олово (например, свинец).

Черные сплавы

Черные легированные сплавы — это железо и его сплавы. Значительное содержание углерода делает чугун очень хрупким. Несмотря на свою хрупкость и более низкие механические свойства, чем у стали, низкая себестоимость материала, простота литья и специфические характеристики делают их одним из самых ценных в мире продуктов с самым большим тоннажем производства.

Цветные сплавы

Цветные сплавы — это сплавы, которые не содержат железа или содержат относительно небольшое количество железа. Их характеристики — значительная коррозионная стойкость, высокая электро- и теплопроводность, низкая плотность и простота производства.

Классификация по способу раскисления

При плавлении руды необходимо удалить кислород, иначе готовый прокат быстро заржавеет. Так как кислород находится в несвободном состоянии, требуется разрушить оксидные и гидратные соединения. В реакции раскисления участвуют активные вещества: ферромарганец, силикомарганец, расплав алюминия и другие. Некоторые реагенты действуют только в вакуумной среде.

Для обозначения способа раскисления используют такие обозначения:

• сп — спокойная сталь;
• пс — полуспокойная сталь;
• кп — кипящая сталь.

Уже более 100 лет разрабатываются методы прямого получения металла, минуя переплавку в чугун и использование кокса, загрязняющего расплав продуктами горения. В результате применения газообразных и твердых восстановителей, обработки в электропечах, реакторах, реторах, получается раствор, насыщенная газами в разной степени. Разделение не относится к легированным продуктам, так как добавление присадок требует регламентированной чистоты.

Кипящая

Для получения используют минимальное количество реагентов, поэтому остается много кислорода и углекислого газа. Слитки имеют неоднородное строение, в одной части оседают вредные примеси, поэтому до 5% готового слитка удаляется. Материал с низкими характеристиками, хрупкий. Воздух концентрируется в сердцевине, но наружная корка может иметь достаточную прочность. Возможно изготовление крепежных деталей котлов и конструкций, контактирующих с взрывоопасными средами. Главный недостаток: быстрая коррозия.

Спокойная

Благодаря сложным технологическим процессам присутствие газов и неметаллических включений минимально, а структура однородна. Из слитков изготовляют металлоконструкции, детали или используют для создания дорогостоящих сплавов.

Полуспокойная

Промежуточное состояние. Упрощенные технические циклы удешевляют производство, а свойства достаточны для выпуска несущих элементов сварных и клепаных конструкций. Из Ст5пс изготовляют болты, гайки, упоры, которые можно использовать в плюсовых температурах и низкой влажности воздуха.

Сварка сплавов

Легированные стали работают в широком диапазоне температур, но крайне чувствительны к термообработке. Каждый элемент имеет свои свойства, температуру плавления и рекристаллизации. Сварные соединения может выполнять только профессионал. Выбор методов сварки осуществляют после изучения технической документации, рекомендаций производителя.

При нагреве наблюдается выгорание карбидов, перераспределение присадок в толще сварного шва и одновременное окисление. Для предотвращения образования дефектов используют защитные среды и специальные терморежимы. Легирование снижает теплопроводность, без должного отвода тепла легко получить перегрев и распад некоторых химических связей.

Определение особенностей по основным легирующим добавкам:

• Хромистые: содержание углерода 0,1-0,4%, для защиты от выгорания применяют покрытия или инертные газы, подбирают хромистые электроды. Предусматривается предварительный нагрев свариваемого участка током и последующая термообработка.
• Марганцевые: необходимо предотвратить образование трещин, для этого сокращают время нагрева и сразу же охлаждают поверхность. Электроды с марганцем или марганцево-никелевые.
• Хромоникелевые: это могут быть аустенитные или мартенситные сплавы. Производят анализ состава и назначения сварной конструкции.

Особенности сварки по количеству присадок:

• Низколегированные: изделия часто закаливают, свариваемость хорошая, но швы чувствительны к концентраторам напряжений. Производят предварительный подогрев и медленное охлаждение, важно предотвратить образование холодных трещин.
• Среднелегированные: в качестве добавок используют молибден, ванадий, вольфрам. Для сохранения надежности подбирают электроды с теми же элементами, но в меньших концентрациях. Требуется защита от водородной болезни, окисления, перегрева.
• Высоколегированные: составы с высоким содержанием никеля и хрома и большим числом других легирующих агентов. Требования к свойствам сварных соединений определяют, учитывая назначение изделий.

Таблица основных легирующих добавок

Изучение технических и проектных документов дает представление о возможных способах сварки. Например срок службы стальных деталей ступеней ракет носителей составляет всего несколько секунд, но даже краткий временной интервал в сложных условиях достигается непросто. На Земле нормативный эксплуатации конструкций превышает десятки лет.