Что такое легированная сталь — простыми словами

В статье мы подробно разберем легированные стали: их классификацию, виды и маркировку. Рассмотрим сферы и примеры применения таких сплавов.

Что такое легированные стали

Легированием называют процедуру добавления примесей в сплав либо шихту, изменяющие свойства стали. Добавками выступают разнообразные химические элементы.

Легированная сталь – это сплав железа, углерода и легирующих компонентов, придающих материалу определённые свойства. Люди обрабатывают металл много тысячелетий, но первые удачные эксперименты с легирующими добавками датируются началом 1850-х годов. В 1882 г. с появлением стали Гатфильда начинается новая эпоха в металлургии. С того времени появилось целое направление в физике металлов.

Классификация

Рассмотрим маркировку и способы классификации легированных сталей.

По количеству добавок

По степени легирования различают такие стали:

• Низколегированная – менее 2,5 % примесей в сплаве.
• Среднелегированная – 2,5 ­– 10 %.
• Высоколегированная сталь – от 10% добавок, в отдельных сортах цифра достигает 45 – 50%.

По назначению

Классификация следующая:

• Судостроительная хладостойкая – противостоит износу, разрушению при отрицательной температуре.
• Строительная – для возведения разнообразных конструкций: здания, мосты.
• Рельсовая – полотна железных дорог.
• Массовая – металлопрокат.
• Стали для горячих жидкостей.
• Сорта с повышенной прочностью, где карбонитритное упрочнение способствует формированию мелкозернистой структуры.
• Низкоотпущенные сорта повышенной прочности – авиационная.
• Упрочнённая прокатанная при 700 – 850 °C.

По структуре

В зависимости от получившейся вследствие добавления сторонних компонентов структуры сталь бывает:

• Аустенитной – у неё высокая стойкость к коррозии, химическому воздействию.
• Мартенситной – твёрдая, прочная.
• Ферритно-мартенситной – отлично вытягивается, имеет повышенное деформационное упрочнение.
• Ферритной – коррозионная стойкость, низкая растрескиваемость.

По качеству

В зависимости от сферы применения и технологического процесса легированные стали разделяют по качеству:

• Обычные – характеризуются наличием нежелательных примесей, часто это сера, азот, фосфор.
• Качественные – повышенной очистки, в маркировке появляется буква А.
• Высококачественные, полученные путём переплавки электрошлаковым методом (Ш).
• Высококачественные, изготовленные посредством вакуумно-дуговой переплавки (ВД).
• Специального назначения (Э).

У 2-й и 3-й групп меньший процент вредных элементов: сера, азот, фосфор – ухудшают механические свойства материала, после их удаления повышается ударная вязкость, пластичность стали.

Химический состав

Самые распространённые металлы для легирования стали и влияние элементов на свойства материала приведены ниже:

• Алюминий – противостояние появлению окалин.
• Ванадий – текучесть, мелкозернистая структура.
• Вольфрам – твёрдость при нагреве, снижение ломкости после термической обработки.
• Кобальт – жаростойкость, устойчивость к ударным нагрузкам.
• Медь – вязкость.
• Молибден, вольфрам – прочность при термообработке, коррозионная стойкость.
• Никель ­– пластичность, вязкость, обработку материала резанием.
• Ниобий – кислотостойкость.
• Титан – снижение зернистости – стойкость к растрескиванию.
• Хром – твёрдость, сопротивляемость ударным нагрузкам, защита от коррозии.

Легированную сталь получают путём внедрения в сплав неметаллических легирующих компонентов:

• Бор – прокаливаемость.
• Кремний – вязкость, магнитная проницаемость.
• Марганец – защита от окисления.
• Селен – обработка резанием.
• Фосфор – добавка повышает текучесть, вязкость.
• Углерод – улучшает механические свойства с ростом концентрации до ~2%. Её увеличение в диапазоне 1,2% – ~2 % повышает прочность, упругость, твёрдость стали, но ухудшает её обрабатываемость ковкой и резанием, она хуже сваривается, теряет пластичность. Сплав, куда включено от 2% углерода отличается потерей прочности, при концентрации 2,14% получается чугун. Порошковые стали могут включать до 3% карбона (C).

А вы знаете вес пустого кислородного баллона? Если нет, то переходите по ссылке.

Марки легированной стали

Низко-, высоко- и среднелегированные стали имеют маркировку, дающую представление о составе материала. Для этого применяют буквы с цифрами. Обозначения приведены ниже.

Таблица 1 – Соответствие марок сплавов типов CM и FЕ по стандартам ИСО

Таблица 2 – Обозначение легирующих элементов в сталях

Советский ГОСТ для маркировки легированных сталей действует и ныне.

Первая цифра – объём углерода (сотые доли процента), буквы описывают легирующие элементы, цифры – их масса в % от общей. При содержании компонента ~1% число иногда опускают. А, Ш, ВД в конце определяют качество материала. Перед названием могут использовать следующие буквы:

• Л – полученная способом литья;
• Р – быстрорез;
• Ш – шарикоподшипниковая, например, ШХ;
• Э – электротехническая.

«А» посреди маркировки символизирует о наличии азота, АА в конце указывает на дополнительную очистку сплава от серы, фосфора.

Есть и исключения:

• В шарикоподшипниковых сортах после ШХ идёт цифра, указывающая на содержание хрома: в ШХ15 – 1,5% Cr.
• Быстрорежущая – после Р указывается процент вольфрама: Р6, Р18.

Углерода в быстрорежущей и шарикоподшипниковой стали по 1%.

Рассмотрим на примере:

• Р6М5 – быстрорежущая сталь со следующим составом: 6% вольфрам, 5% – молибден.
• 18ХГТ – 0,18% углерод, 1% – хром, 1% марганца, менее 1% (обычно 0,1%) титана.

Отличия легированной стали от углеродистой

Различают два сорта стали – углеродистые и легированные. В состав первых включено железо, углерод (до 0,025), доли процента неизбежных примесей. Сталь легированная – углеродистая сталь с добавлением легирующей добавки (нескольких).

Легирование стали осуществляют двумя методами:

• Объёмный – химический элемент попадает в структуры материала в его жидкой фазе.
• Поверхностный – диффузное внедрение или напыление – покрытие верхнего слоя материала.

Приведённые цифры не указывают на точное процентное соотношение соответствующих примесей. ГОСТ допускает их колебание в определённых пределах. Для понимания возьмём конструкционную сталь 40ХА. Допустимая норма:

• Углерод – 0,4 ± 0,03%.
• Хром – 0,81 – 1,11%.

«А» – указание на принадлежность к качественным сортам.

Читайте также – сварочные трансформаторы

Виды

Виды легированных сталей делят на категории.

Инструментальные

Сырьё для инструментов, их компонентов: режущие, быстрорежущие, штампы, наковальни, ударный инструмент. Разделяются на пять больших групп с собственными требованиями: твёрдость, красностойкость, подверженность ударным нагрузкам, удержание заточки.

Для штампов, применяющихся при формировании деталей и заготовок методом ковки, важны износоустойчивость, устойчивость к отпуску, постоянство размеров при изменяющейся температуре, физических нагрузках (ударных).

Конструкционные

Наиболее распространённая группа сплавов. Применяют для производства оснований для станин, машин, металлопроката. Высокопрочная сталь со значительными пластичностью, вязкостью, хорошими обрабатываемостью и свариваемостью. Они жаропрочные, устойчивые к растрескиванию, деформациям, эрозии.

Примеры: 2Х18Н9, 12Х2Н.

Черный металлопрокат, цветные металлы и сплавы, сварочные материалы, трубопроводы и запорная арматура в Санкт-Петербурге – https://spb.specstali.ru/. НПК “СПЕЦИАЛЬНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ” не останемся  без импортных материалов.

Конструкционные цементируемые

Распространены в строительстве – цементируюся. Обладают достаточной скоростью диффузии углерода из цемента в сталь. Науглероженный слой должен поглощать нужное количество углерода для получения структуры мартенсита. Цементируемая легированная сталь отлично режется, подвергается деформациям в нормализованном либо отожжённом состоянии, ведь в строительстве требуются детали нестандартной формы. Она обладает минимальным короблением при закалке, высокими усталостной прочностью, износо-, устойчивостью к коррозии, вязкому разрушению.

Примеры: 14ХН, 37ХН.

Жароупорные и теплоустойчивые

Основа для производства комплектующих, что эксплуатируются при высокой температуре. Теплоустойчивые сорта сохраняют свойства при +550 °C; жаропрочным свойственно постоянство параметров, коррозионная стойкость, низкая текучесть.

Марки жароупорных сталей: Х18Н25С2, 1Х14Н14А2М.

Примеры теплоустойчивых сталей: 20ХМЛ, 15X1М1Ф, 12Х1МФ.

Коррозионные (нержавеющие, кислотостойкие)

Сталь легированная коррозионная ­ – сырьё для литься основ для машин, эксплуатируемых в агрессивных условиях. Нержавеющие марки идут на производство посуды, инструментов, которые не поддаются коррозии, окислению.

Нержавеющая сталь отменно противостоит коррозии в рабочей среде. В её состав добавляют титан, медь, селен, алюминий, хром, марганец.

Примеры: 12Х18Н9, Х25Н18, 08Х22Н6Т.

Кислотостойкие стали устойчивы к кислотной среде. Они практически не подвергаются межкристаллической коррозии вследствие действия фосфорной и серной кислот на протяжении определённого времени. Стойкость сортам придаёт хром, образующий на поверхности материала прочный защитный слой. Включения никеля делают структуру материала однороднее, а титан с молибденом улучшают механические характеристики сплава.

Кислотостойкие нержавеющие стали: 12Х18Н10Т, 06ХН28МДТ.

Полезная статья – что такое tig сварка

Устойчивые к воздействию водорода, сероводорода

Сырьё для изготовления аппаратуры, труб для синтеза метанола, аммиака, сырья для получения искусственного каучука. В них производят буроугольный бензин, проводят гидрогенизацию алдола, транспортируют нефтепродукты.

Устойчивые к воздействию водорода стали ударопрочные, стойкие к хрупким повреждениям при отрицательных температурах, если того требуют условия эксплуатации. Уровень фосфора в них не превышает 0,015%, серы – 0,008%. Кальциевая обработка улучшает коррозионную стойкость. Сорта имеют преимущественно мартенситовую структуру, разрабатываются преимущественно под требования заказчика.

Примеры: 09ГСНБЦ, 03Х21Н32М3Б.

Высокопрочные низколегированные стали (HSLA)

Основные требования – прочность на протяжении многих лет, снижение веса металлоконструкций. Требования к таким сортам легированной стали зависят от сферы применения. Это: ударная вязкость, предел прочности, пластичность. Нужных характеристик добиваются путём добавления до пяти – девяти легирующих добавок, среди которых: хром, ванадий, цирконий, медь.

Сорта: 14Г2АФ, 16Г2АФ.

Сварка сплавов

Легированные стали имеют массу особенностей при сваривании из-за разного поведения при нагреве и протекающих химических реакций. Типы сварки и электроды для большинства случаев подбирают индивидуально, соблюдая требования технической документации.

Низколегированных

Хорошо свариваются, но швы нередко повреждаются при сильных нагрузках. Если свариваемые поверхности предварительно не прогреть и резко остудить, велика вероятность возникновения холодных трещин, понижения сопротивляемость хрупким разрушениям. Для сваривания работают электродами с низководородным фтористо-кальциевом покрытием, полярность – обратная. Шов сваривается за один проход, широкие швы обрабатывают за два – три прохода.

Среднелегированных

Среднелегированные сорта сваривают электродами, с такой как в стали или большей концентрацией легирующих добавок, ведь часть компонентов во время сварки выгорает. Легирование шва повышает его свойства. При широких и глубоких швах нужны электроды с материалами, обладающими повышенной деформационной способностью. Применяют специальные электроды, соответствующие химическому составу стали. Их желательно подвергнуть прокалке. Тонкие швы получают аргонодуговой сваркой и неплавящимися электродами.

Высоколегированных

Высоколегированные стали имеют индивидуальные требования к условиям сварки. Из-за невысоких коэффициентов теплопроводности и расширения материала увеличивается глубина прогрева детали, нагрев сильно изменяет её геометрию. ГОСТ регламентирует применение электродов, покрытых фтористокальциевым составом. Кислотостойкие сорта сваривают в среде аргона плавящимися либо неплавящимися электродами. Толстые детали сваривают ручной дуговой сваркой.

Многие производители электродов указывают, для каких видов металлов и их сплавов предназначена та или иная продукция.

Полезная статья – Что такое сварочный выпрямитель

Сферы применения

За полтора века легированная сталь нашла применение в сотнях отраслей. Инструментальные – сырьё для штампов холодного и высокотемпературного деформирования (ковки) металла, режущего инструмента: развёртки, свёрла, метчики, фрезы. Из конструкционных сортов производят детали и узлы станков, различных механизмов.

Жаро- и теплостойкие легированные стали – сырьё для изготовления механизмов, работающих при высокой температуре: свечи зажигания, трубы, термопары. Из конструкционных цементируемых сортов изготовляют железобетонные конструкции. Отдельно выделяют рельсовые стали, из которых делают железнодорожное полотно. Нержавейка – это хирургические инструменты, кухонные приборы, посуда, инструменты, сантехника, детали двигателей. Кислотостойкие сорта – сырьё для труб, ёмкостей, деталей агрегатов, которые эксплуатируют в агрессивной среде с повышенной кислотностью.

Теперь вы знаете, что такое легированная сталь. Её основное отличие – добавление металлов либо неметаллических вкраплений. Стали различают объёмом добавок, получаемой кристаллической решётки, чистоты сплава. От назначения материала зависит его состав, технология производства.

Если у Вас остались вопросы, задавайте их в комментариях нашим экспертам.