Для чего в сталь вводятся легирующие элементы?

Для чего легируют стали

Содержание

Изобретение легирования – великий дар науки человечеству. Термин «ligare» происходит от латинского – связывать, и обозначает усиление требуемых характеристик с помощью добавок. Таким образом, можно повысить прочность, стойкость к холоду, влаге и агрессивным веществам.

Стальной расплав получают из чугуна. Первоначально он имеет тот же химический состав: железо, углерод, незначительные доли кремния и марганца, вредные примеси в виде серы и фосфора, кроме этого присутствуют соединения атмосферных газов. В середине XIX века с изменением взгляда на химию, было открыто, что присадки некоторых металлов могут встраиваться в углеродную структуру, изменяя ее химические и физические свойства. Первым изобретением стал прототип режущих марок с присадками вольфрама, созданный английским металлургом Р. Мюшеттом в 1858 году.

Массовое применение легированных сталей началось в 1882 с производства цепей велосипедов, но главный толчок распространению технологии дали первые автомобильные концерны. Позже влияние легирующих элементов на качество металлов дало возможность возводить масштабные инфраструктурные сооружения: мосты, стадионы, сложные инженерные системы. Дополнительный толчок получили сферы производства трубопропроводной арматуры и сверхпрочных крепежей.

Производство легированной стали

Металлургическая промышленность во многом изменилась, так как обработка легированной стали требовала новых знаний. Сплавы оказались чувствительны к термическим режимам, было открыто явление отпускной хрупкости, заготовки начали остужать не на воздухе, а в воде или масле. Изменение показателей теплопроводности привело к поискам эффективных способов сварки.

Свойства легированных сталей

В основе легирования лежит образование новой структуры – перекристаллизация. Каркасом молекулярного строения служит твердый раствор, сформированный карбидами. Согласно правилам Юм-Розери, атомы присадок встраиваются в металл по алгоритмам внедрения или замещения. Для этого перед легированием из расплава частично удаляют углерод. Его концентрация в составе стали указывается в начале маркировки в сотых долях процента. Например, в сплаве 15Х25Т1 его содержание составляет 0,15%.

Характеристика конструкционных и легированных сталей

Дополнительная прочность легированных сталей достигается благодаря дисперсному твердению – выделению наноразмерных частиц. При нагреве легирующий элемент может целиком уйти в твердый раствор, а при охлаждении образует второстепенную фазу, равномерно распределяясь внутри кристаллической решетки.

Существует специальная категория коррозийно-стойких легированных сталей:

• Активное железо в системе Cr-Ni-Mn-Si связывается и не может взаимодействовать с агрессивными веществами.
• Некоторые добавки увеличивают жаростойкость – способность противостоять реагентам при высоких температурах.
• Марганец является активным раскислителем и не допускает образования оксидов.

Свариваемость легированных сталей благодаря современным методам находится на высоком уровне. Выбор способа зависит от количества добавок: учитывают терморежимы, подбирают защитную среду и присадочные материалы, подходящие всем компонентам.

Классификация легированных сталей

Чем выше содержание углерода, тем больше добавок можно связать твердым раствором. Однако у каждого компонента есть предел, при котором увеличение концентраций становится неэффективным. Дисперсионное твердение широко применяется с 1950-х годов. Частицы формируются из интерметаллидов, свободных от карбидных соединений. Упрочнение присуще комплекснолегированным материалам.

Стальные сплавы классифицируют по количеству присадок:

• Низколегированные (до 2,5%) – имеют улучшенные механические свойства в сравнении с нелегированными, применяются для изготовления ответственных сварных конструкций, подшипников, кованых изделий.
• Среднелегированные (2,5-10%) – стойкость в тяжелых условиях: агрессивные среды, ударные нагрузки.
• Высоколегированные (от 10%) – специального назначения, используемые во всех областях промышленности и в быту.

Баланс достигается благодаря взаимодействию нескольких элементов, это не только придает устойчивость химической структуре, но и создает комплекс уникальных качеств. Например, особо прочные медицинские инструменты проходят многоступенчатую закалку, но этот же материал без сложной термообработки можно использовать для работы с кислотосодержащими продуктами: в виноделии, на молочном производстве.

Какие стали относятся к легированным

Распространено определение, относящее сплав с нехарактерными примесями к легированным. Его нельзя назвать точным. Технологический процесс подразумевает замещение атомов углерода металлами, стабилизирующими молекулярное строение, придающими дополнительные качества.

Готовая легированная сталь

Сегодня разработано более тысячи стальных сплавов, применяемых в морском судостроении, в добывающей и перерабатывающей промышленности и других отраслях.

Примеры легированных сталей:

• Низколегированная сталь 09Г2С в сравнении с очищенными углеродными аналогами имеет высокую механическую прочность, что позволяет создавать более тонкие элементы масштабных сварных конструкций, а хорошая свариваемость позволяет быстро их монтировать. Отличительной особенностью является стойкость к охрупчиванию при низких температурах, благодаря чему 09Г2С широко используется для прокладки инженерных сетей и строительства зданий в условиях крайнего севера.
• Универсальный нержавеющий материал 08Х18Н10 широко применяется в пищевом производстве, изготовлении лестничных перил и мебели, кухонных и столовых приборов.
• Из 40ХН2МА производят тяжелонагруженные детали буровых установок, поршней, коленчатых валов. Ванадий и молибден усиливают прочностные характеристики, изделия подвергаются азотированию и поверхностные слои достигают высочайшей микротвердости, сердцевина при этом сохраняет ударную вязкость. Это свойство предотвращает образование трещин и обеспечивает долгую службу дорогостоящих установок.

Легированная сталь

Содержание статьи

• Характеристика
  • Виды
  • Назначение
• Свойства
• Марки

В современном мире имеется большое количество разновидностей стали. Это один из самых востребованных материалов, который используется практически во всех отраслях промышленности.

Характеристика легированных сталей

Легированная сталь представляет собой сталь, которая кроме обычных примесей оснащена еще и дополнительными добавочными веществами, которые необходимы для того, чтобы она соответствовала тем или иным химическим и физическим требованиям.

Обычная сталь состоит из железа, углерода и примесей, без которых невозможно себе представить данный материал. В легированную сталь добавляются дополнительные вещества, которые получили название легирующих. Они используются для того, чтобы сталь стала обладать такими свойствами, которые необходимы в тех или иных ситуациях.

В большинстве случаев в качестве легирующих элементов к железу, примесям и углероду добавляются: никель, ниобий, хром, марганец, кремний, ванадий, вольфрам, азот, медь, кобальт. Также не редко в таком материале отмечаются такие вещества, как молибден и алюминий. Для придания прочности материалу в большинстве случаев добавляется титан.

Такой вид стали имеет три основные категории. Отношение легированной стали к той или иной группе обусловлено тем, сколько в ней содержится стали и примесей, а также легированных добавок.

Виды легированной стали

Есть три основных вида стали с легирующими элементами:

• Низколегированная сталь.

Она характеризуется тем, что в ней содержится около двух с половиной процентов легирующих дополнительных элементов.

• Среднелегированная сталь.

Данный материал имеет в своем составе от 2.5 до 10 процентов легирующих дополнительных веществ.

• Высоколегированная сталь.

К данному виду относятся стальные материалы, количество легирующих добавок в которых превышает десяти процентов. Количество этих компонентов в такой стали может достигать пятидесяти процентов.

Назначение легированной стали

Легированную сталь широко применяют в современной промышленности. Она обладает высоким уровнем прочности, что позволяет изготовлять из нее оборудование для резки и рубки металлического проката самых разных видов.

По своему назначению стали легированного типа могут быть представлены большим количеством групп.

Основными из них являются:

• конструкционная легированная сталь,
• инструментальная легированная сталь,
• легированная сталь с особыми химическими и физическими свойствами.

Характеристики легированных сталей могут быть разнообразными. Они их приобретают благодаря соотношению основных элементов. Стали такого типа являются в любом случае более прочными и устойчивыми к образованию коррозии.

Свойства легированной стали

Свойства легированных сталей являются разнообразными. Они главным образом определяются теми добавками, которые применяются в качестве легирующих при производстве отдельных видов стальных материалов.

В зависимости от добавленных легирующих компонентов сталь приобретает следующие качества:

• Прочность. Данное свойство приобретает после добавления в ее состав хрома, марганца, титана, вольфрама.
• Устойчивость к образованию коррозии. Это качество появляется под воздействием хрома, молибден.
• Твердость. Сталь становится боле твердой благодаря хрому, марганцу и другим элементам.

Внимание: Стоит отметить, что для того, чтобы легированная сталь была более прочной и устойчивой к внешнему влиянию окружающей среды необходимое содержание хрома не должно быть менее двенадцати процентов.

Сталь легированного типа при правильном процентном соотношении всех входящий в нее элементов не должна менять свои качестве при температуре нагревания до шестисот градусов Цельсия.

Производство легированной стали.

Марки легированной стали

Марки легированной стали являются различными. Они представлены в большом многообразии. В зависимости от назначения стали определяется ее маркировка.

Сегодня имеется большое количество требований к маркировке легированной стали. Для данного процесса используются цифровые и буквенные обозначения. Сначала при маркировке используются цифры. Они являются показателями того, сколько содержится в том или ином виде легированной стали сотых долей углерода. После цифр стоят буквы, которые являются обозначением того, какие легирующие добавки были использованы при производстве того или иного легированного типа стали.

После букв могут стоять цифры, обозначающие количество легирующего вещества в составе стального материала. Если после обозначения какого-либо легирующего элемента не стоит цифровое обозначение, то его в составе имеется минимальное количество, не достигающее даже одного процента.

Таблица 1. Сопоставление марок стали типа Cm и Fе по международным стандартам ИСО 630-80 и ИСО 1052-82.

Марки стали
Ст	Fe	Ст	Fe
СтО	Fe310-0	Ст4кп	Fe430-A
Ст1кп	Ст4пс	Fe430-B
Ст1пс	Ст4сп	Fe430-C
Ст1сп	—	—	Fe430-D
Ст2кп	Ст5пс	Fe510-B, Fe490
Ст2пс	Ст5Гпс	Fe510-B, Fe490
Ст2сп	Сг5сп	Fe510-C, Fe490
СтЗкп	Fe360-A
СтЗпс	Fe360-B	Ст6пс	Fe590
СтЗГпс	Fe360-B	Стбсп	Fe590
СтЗсп	Fe360-C	Fe690
СтЗГсп	Fe360-C	—
Fe360-D

Таблица 2. Условные обозначения легирующих элементов в металлах и сплавах

Элемент	Символ	Обозначение элементов в марках металлов и сплавов		Элемент	Символ	Обозначение элементов в марках металлов и сплавов
		черные	цветные			черные	цветные
Азот	N	А	—	Неодим	Nd	—	Нм
Алюминий	А1	Ю	А	Никель	Ni	—	Н
Барий	Ва	—	Бр	Ниобий	Nb	Б	Нп
Бериллии	Be	Л	Олово	Sn	—	О
Бор	В	р	—	Осмий	Os	—	Ос
Ванадии	V	ф	Вам	Палладий	Pd	—	Пд
висмут	Bi	Ви	Ви	Платина	Pt	—	Пл
Вольфрам	W	В	—	Празеодим	Pr	—	Пр
Гадолиний	Gd	—	Гн	Рений	Re	—	Ре
Галлий	Ga	Ги	Ги	Родий	Rh	—	Rg
Гафнии	Hf	—	Гф	Ртуть	Hg	—	Р
Германий	Ge	—	Г	Рутений	Ru	—	Pv
Гольмий	Но	—	ГОМ	Самарий	Sm	—	Сам
Диспрозий	Dv	—	ДИМ	Свинец	Pb	—	С
Европий	Eu	—	Ев	Селен	Se	К	СТ
Железо	Fe	—	Ж	Серебро	Ag	—	Ср
Золото	Au	—	Зл	Скандий	Sc	—	С км
Индий	In	—	Ин	Сурьма	Sb	—	Cv
Иридий	Ir	—	И	Таллий	Tl	—	Тл
Иттербий	Yb	—	ИТН	Тантал	Та	—	ТТ
Иттрий	Y	—	ИМ	Теллур	Те	—	Т
Кадмий	Cd	Кд	Кд	Тербий	Tb	—	Том
Кобальт	Co	К	К	Титан	Ti	Т	ТПД
Кремний	Si	С	Кр(К)	Т’лий	Tm	—	ТУМ
Лантан	La	—	Ла	Углерод	С	У	—
Литий	Li	—	Лэ	Фосфор	P	п	Ф
Лютеций	Lu	—	Люн	Хром	Cr	х	Х(Хр)
Магний	Mg	Ш	Мг	Церий	Ce	—	Се
Марганец	Mn	Г	Мц(Мр)	Цинк	Zn	—	Ц
Медь	Cu	Д	М	Цирконий	Zr	Ц	ЦЭВ
Молибден	Mo	М	—	Эрбий	Er	—	Эрм

Статьи по теме

Алкидная эмульсия

Требования защиты окружающей среды вызвали интерес к алкидным эмульсиям. Стабильные эмульсии можно получить из большинства алкидов при условии, что вязкость смол не слишком большая и прилагаемых сдвиговых сил достаточно для эмульгирования.

Характеристики нержавейки

В современном мире нержавеющая сталь является незаменимым материалом при производстве разных разновидностей изделий. Она применяется в пищевой, медицинской, металлургической и военной промышленности.

Марки нержавеющей стали

В начале прошлого столетия специалистам в области металлургической промышленности удалось заметить, что взаимодействие хрома и кислорода является лучше, чем с железом.

Легирование стали

Сталь представляет собой сплав железа (не меньше 45%) и углерода (до 2,14%). Последний повышает прочностные характеристики металлов, при этом, если сравнивать с химически однородным металлом, понижает их пластичность. В процессе производства стали концентрация углерода специально доводится до необходимых значений. Контроль за содержанием углерода позволяет получать несколько видов стали:

• Низкоуглеродистую – содержание углерода не более 0,25%.
• Среднеуглеродистую – не более 0,6%.
• Высокоуглеродистую – 0,6 – 2,14%.

В металле также могут обнаруживаться и иные примеси, поэтому стали классифицируются как легированные и нелегированные. Последние представляют собой железно-углеродный сплав, в составе которого присутствуют и другие элементы в виде примесей или добавок меньше установленного предельного содержания.

Легированные стали

Элементы, содержание которых превышает обычное предельное значение, указанное в стандартах, называются легирующими добавками. Изменение химического состава металла путем введения легирующих добавок называется легированием стали. Основные цели легирования:

• повышение прокаливаемости;
• получение специфических прочностных свойств;
• вызов желаемых структурных изменений;
• получение специальных химических или физических свойств;
• улучшение и упрощение технологии термообработки;
• повышение коррозионной стойкости и устойчивости к различным температурам.

Исходя из вышесказанного следует, что легирование стали – это металлургический процесс плавки, в ходе которого в него вводятся различные добавки. Добавление легирующих элементов производится двумя способами:

• Объемным – компоненты проникают в глубинную структуру материала путем их добавления в шихту или расплав.
• Поверхностный – введение легирующих компонентов только верхний слой стали, на глубину 1-2 мм. Такой способ придает материалу определенные свойства, к примеру, антифрикционные.

Легирующие элементы

• Хром – увеличивает прочность и твердость, повышает ударную вязкость. В инструментальные стали добавляется для повышения прокаливаемости. В случае нержавеющих сталей – определяет коррозионную стойкость.
• Никель – повышает прочность и твердость при сохранении высокой ударной вязкости. Понижает пороговую температуру хрупкости. Это влияет на хорошую прокаливаемость сталей, особенно при участии хрома и молибдена.
• Марганец — повышает твердость и прочность за счет пластических свойств. Марганцевая сталь характеризуются повышенным пределом упругости и более высокой стойкостью к истиранию.
• Кремний – в металлургическом процессе играет роль раскислителя. Его добавление увеличивает прочность и твердость стали.
• Молибден – повышает прокаливаемость сталей больше, чем хром и вольфрам. Уменьшает хрупкость металла после высокого отпуска.
• Алюминий – сильно раскисляет, предотвращает рост аустенитных зерен.
• Титан – понижает зернистость, что приводит к большей устойчивости к появлению расколов и трещин. Улучшает восприимчивость к металлообработке.

Легирующих добавок может быть несколько, и для получения тех или иных характеристик их введение может производиться на разных этапах плавки.

Помимо того, что в состав стали вводят различные добавки, в самом материале также присутствуют примеси, которые полностью убрать из состава невозможно:

• Углерод – способствует повышению твердости, прочности и ударостойкости. Однако его превышение в составе металла понижает пластичность и все вышеперечисленные характеристики.
• Марганец – раскислитель, защищающий от кислорода и серы.
• Сера – высоким считается ее содержание выше 0,6%, что плохо сказывается на пластичности, прочности, свариваемости и коррозионной устойчивости.
• Фосфор – ведет к повышению текучести и хрупкости, понижает вязкость и пластичность.
• Кислород, азот, водород – делают сплав более хрупким, снижают показатели его выносливости.

Применение

Благодаря таким характеристикам, как прочность, устойчивость к нагрузкам, твердость, уменьшение намагниченности и нужный уровень вязкости, легированную сталь используют в самых разных сферах человеческой деятельности. Из нее производят:

• медицинские инструменты, в том числе, и режущие;
• детали с высокой опорной и радиальной нагрузкой;
• элементы станков для металлообработки;
• нержавеющую посуду;
• детали автомобилей;
• аэрокосмические детали;
• пресс-формы и другие элементы для горячей штамповки, сохраняющие свои свойства при температуре до + 600 градусов;
• измерительные приборы и так далее.

Классификация легированных сталей

Принимая принцип разделения по структуре, образованной в условиях медленного охлаждения стали в диапазоне температур, близких к солидусу, или в отожженном состоянии, сталь можно классифицировать следующим образом:

• подевтектоид с ферритно-перлитной структурой;
• эвтектоид с перлитной структурой;
• гиперэвтектоид, содержащий вторичные карбиды, отделенные от аустенита;
• ледебуритная сталь, в структуре которой встречаются первичные карбиды, выделившиеся при кристаллизации;
• ферритная или аустенитная с осаждением карбидов или интерметаллических фаз. Обычно это стали с высоким содержанием легирующих элементов и низким содержанием углерода;
• ферритно-мартенситная или ферритно-аустенитная сталь с наиболее часто высокотемпературным ферритом δ.

Все марки легированных сталей разделяют на три подвида в зависимости от количества полезных примесей:

• Низколегированная – процентное содержание добавок около 2,5%. Прибавление некоторых положительных качеств при практически неизменных основных характеристиках.
• Среднелегированная – процентное содержание добавок около 10%. Наиболее часто используемое соединение.
• Высоколегированная – процентное содержание добавок варьируется от 10 до 50%. Высоколегированная сталь является максимально прочной и дорогой.

Независимо от того, какое процентное содержание добавок в составе металла, сталь разделяется на 3 подвида:

1. Инструментальная – жаропрочный материал, используемый при производстве станочных и ручных инструментов (сверла, фрезы, стальные резцы и так далее).
2. Конструкционная – прочная сталь, способная выдерживать высокие динамические и статические нагрузки. Используется при изготовлении двигателей и стальных механизмов в машиностроении, применяется в сфере строительства и станкостроения.
3. С особыми свойствами – сталь, отличающаяся химической и термической устойчивостью (нержавеющая, кислотостойкая, магнитная, износостойкая, трансформаторная и другие виды). Ряд исследователей предлагают отдельное деление для данного вида сталей:

• Жаропрочные – способны выдерживать температуру до 1000 градусов.
• Окалиностойкие и жароустойчивые – стали, невосприимчивы к распаду.
• Устойчивые к коррозии – применяются при производстве изделий, работающих в условиях высокой влажности.

Марки

В СНГ используется буквенно-цифровая маркировка легированных сталей. Буквами обозначают основные легирующие добавки, цифрами, идущими следом за буквами, обозначают процент их содержания в сплаве (округляя до целого числа). Если в металле присутствует не более 1,5% той или иной добавки, цифра не ставится. Процентное содержание углерода × 100 указывается вначале наименования стали. Буква A, стоящая в середине маркировки, указывает на содержание азота. Если две буквы A стоят в конце, это указывает на особо чистую сталь. Буква Ш в конце обозначает сталь особо высокого качества.

Маркировка может быть дополнена и другими обозначениями, к примеру:

• Э — электротехническая;
• P — быстрорежущая;
• A — автоматная;
• Л — полученная литьем.

Исчерпывающие перечни марок легированной стали указаны в ГОСТ 4543-71.

Легированная сталь — описание, маркировка, состав и где применяется

Среди металлов на первом месте находится сталь – наиважнейший ресурс любого государства. Различают много видов и марок этого железо-углеродистого сплава. Ниже будет подробно рассказано о легированной стали — что это, чем она отличается от углеродистой (нелегированной) продукции, какая существует классификация сплавов и как расшифровывать маркировку.

Что такое сталь

Сплав на основе железа (не менее 45%) называют сталью. В зависимости от процентного содержания второго исходного компонента – углерода, различают сплавы высокоуглеродистые (0,6-2,14% С), среднеуглеродистые (0,25-0,6% С), и низкоуглеродистые (не более 0,25% С). Чем выше данный показатель, тем более прочная и упругая сталь, но в то же время с пониженной пластичностью и сопротивляемостью ударам.

Обязательными компонентами в составе сплава являются раскислители – марганец и кремний. Эти химические элементы присутствуют в незначительном количестве, и на свойства не влияют. Их цель – нейтрализация вредного действия кислорода.

Даже качественная сталь содержит вредные примеси, от которых нельзя избавиться. Это:

• сера, из-за которой возникают трещины;
• фосфор, увеличивающий хрупкость (хладноломкость);
• азот, кислород, водород – разрыхлители структуры стали;
• окислы и нитриды, приводящие к разрывам.

Кроме перечисленных компонентов, в углеродистых сплавах всегда есть и другие вещества, которые попадают вместе с исходными материалами при выплавке: медь, цинк, хром, никель, свинец. Уровень их содержания настолько ничтожен, что они не оказывают ни положительного, ни отрицательного влияния.

Свойства и виды сталей

Стали присущи такие свойства:

• Физические: теплоемкость, электро- и теплопроводность, расширение при нагревании.
• Механические: прочность, твердость, упругость, пластичность, вязкость, выносливость.
• Химические: жаропрочность, окалиностойкость, огнеупорность, сопротивление коррозии.

Чтобы существенно изменить свойства сплава, в сталь вводятся легирующие элементы – другие металлы и неметаллы. Такая технология была создана еще в 19 ст. Стали называются легированными, если доля каждого элемента составляет не менее 0,1%.

Отличия

Сталь легированная от нелегированной отличается химическим составом. Первая, кроме железа и углерода, содержит большой набор дополнительных компонентов, которые оказывают влияние на ее свойства. Углеродистая (классическая) сталь содержит следы случайных примесей, которые не оказывают значительного влияния на ее свойства.

Другие отличия от обычных углеродистых сплавов:

• устойчивость к коррозии и воздействию агрессивных сред;
• искрение металла, если поднести его заточному кругу;
• бывает низкая несущая способность;
• более высокие затраты производства.

Легирующие добавки

Для легирования сталей используют химические элементы из разных групп таблицы Менделеева. Легирующие металлы (в русскоязычной маркировке сплавов обозначаются русскими буквами) вводятся в сплав для изменения следующих характеристик:

• Никель (Н) – повышение теплоемкости, вязкости, пластичности, уменьшение хрупкости, что важно для обработки давлением.
• Хром (Х) – повышение твердости и ударопрочности. Сильная защита от коррозии, поэтому много хрома в нержавейке.
• Ниобий (Б) – улучшение устойчивости к кислотам.
• Кобальт (К) – повышение жаропрочности, увеличение сопротивляемости ударам.
• Медь (Д) – увеличение прочности, но с некоторым уменьшением уровня вязкости. Используется преимущественно в строительной стали.
• Титан (Т) и цирконий (Ц) – снижение зернистости. Структура сплава становится однородной, что снижает вероятность появления трещин.
• Вольфрам (В) и молибден (М) – повышение прочности при термической обработке, устойчивость к ржавлению.
• Алюминий (Ю) – добавление стойкости к появлению окалин при высоких температурах.
• Ванадий (Ф) – улучшение структуры, увеличение жаропрочности.

Список дополняют неметаллические добавки:

• Марганец (Г) – уменьшение вредного влияния серы, фосфора и кислорода.
• Кремний (С) – повышение прочности с сохранением вязкости.
• Селен (Е) – улучшение текучести, облегчение механической обработки стальных деталей.
• Бор (Р) – улучшение микрострутуры, повышение прокаливаемости.
• Азот (А) – улучшение механических свойств, используется в высоколегированных сталях.

Расшифровка маркировки стали

Чтобы определить марку стали, разработано специальное обозначение, согласно ГОСТ 4543-71. В его основе цифры и буквы. Первая литера показывает, к какой группе сталей относится сплав. Например:

• Я – хромоникелевая нержавейка;
• А – автоматная сталь;
• Ж – нержавейка;
• Е – магнитная сталь;
• Р – быстрорежущая;
• Ш – шарикоподшипниковая;
• ШХ – шарикоподшипниковая хромистая сталь.

Если буква отсутствует, это означает принадлежность к классическому сплаву с использованием добавок.

Первая цифра в маркировке обозначает сотые доли процентного содержания углерода. Далее идут буквы и цифры, указывающие на легирующие добавки и их содержание, также в процентах. Например, маркировку Х5Х18Н10 следует читать так: хромистая сталь, содержащая 0,05% углерода, 18% хрома, 10% никеля. На английском языке маркировка выглядит иначе: X5CrNi18-10.

• ЕХ9К15М. Означает: магнитная хромистая сталь, содержит 0,09% углерода, 15% кобальта, не более 1% молибдена.
• 38ХН3МФ: 0,38% углерода, менее 1% хрома, 3% никеля, молибдена и ванадия не более 1%.

Процентное соотношение добавок записывается целыми числами, без десятых и сотых долей.

В конце маркировки (справа) также могут присутствовать буквы: А – высококачественная, Ш – особовысококачественная сталь. Другие буквы обозначают способ производства: ТО (Т) – термически обработанная, Н – нагартованный прокат.

Классификация легированных сталей

Классификация и маркировка легированных сталей осуществляется по нескольким параметрам.

По качеству

В зависимости от количества вредных примесей (сера, фосфор), легированные стали бывают качественные (S≤0,04%, P≤0,035%), высококачественные (S≤0,025%, P≤0,025%), особо высококачественные: (S≤0,06%, P≤0,07%).

По количеству добавок

В зависимости от общего количества добавок, различают такие виды легированной стали:

• Высоколегированная сталь: 10-50% легирующих добавок. Изделия максимально прочные, но и самые дорогие.
• Среднелегированная: 2,5-10% добавок. Это самая ходовые марки.
• Низколегированная: добавок не более 2,5%. Положительные качества улучшились, но на металлообработке заметно не сказались.

В зависимости от химического состава, стали называются: хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые, марганцовистые и другие. В маркировке обозначаются соответствующими буквами.

По назначению

По практическому применению различают стали конструкционные (машиностроительные, строительные, улучшаемые, цементуемые), инструментальные (для штампов, режущего и измерительного инструментов) и с особыми свойствами.

Состав и применение легированных сталей

Применение сплавов обусловлено их химическим составом. Так, строительные низколегированные стали используются для металлических конструкций с равномерно распределенной нагрузкой между всеми элементами. Единственное требование – хорошая свариваемость.

Виды конструкционных сталей:

• Улучшаемые, с высоким содержанием хрома, обогащенные бором, никелем, молибденом, марганцем. Предназначены для термообработки.
• Пружинно-рессорные. Эти сплавы легируются кремнием, кобальтом, марганцем, бором, титаном. Используются в производстве транспорта.
• Подшипниковые. Обладают повышенной твердостью и износостойкостью. Обязательно содержат хром и минимум неметаллических добавок.
• Теплоустойчивые. Используются для производства паровых нагревателей.

Инструментальные стали для фрез, резцов, метчиков легируются хромом, ванадием, титаном и др. добавками. Это очень дорогие быстрорежущие сплавы, поэтому используются только в режущих плоскостях. Для измерительных инструментов сталь легируют хромом, вольфрамом и марганцем. Это обеспечивает твердость и сохранение первоначальных размеров.

Стали с особыми свойствами:

• Высокопрочные. Это высоколегированные стали со специально подобранным составом. Применяются для изготовления ответственных узлов механизмов.
• Нержавеющие, с добавками марганца и хрома. Применяются для работы в химически агрессивных средах. Используются для изготовления труб.
• Износостойкие, с высоким содержанием марганца. Используются для изготовления стрелок на железных дорогах, гусениц, горного оборудования, ковшей экскаваторов.

К этой группе относятся также жаропрочные, жароустойчивые, магнитные, немагнитные, реостатные, с высоким электросопротивлением сплавы.

Стальной металлолом

Цена на стальной лом зависит от 2-х параметров: вид добавки и качество стали. Легирующие сплавы с высоким содержанием цветных металлов ценятся выше чугуна, (особенно нержавейка и быстрорез). При низком содержании цветных металлов стальной металлолом идет по цене черного металла.

Особенности легирования стали

Легировать сталь научились ещё в XIX веке – учёный Мюшетт изобрёл состав стали, содержащий 1,85% углерода, 9% вольфрама и 2,5% марганца, она использовалась для получения резцов, применяемых в металлорежущих станках.

Сталь для массового производства появилась благодаря разработкам английского металлурга Роберта Гадфильда. Легирование стали позволило получить состав: 1,0–1,5% углерода и 12–14% марганца, она отличалась повышенной износостойкостью и хорошим качеством литья. Эта марка практически без изменений сохранилась до наших дней.

Легированная сталь обладает большей прочностью, коррозионной стойкостью и пластичностью.

Виды легированных сталей

Стали имеют определённую классификацию в зависимости от структуры и области применения.

По структуре делятся на классы:

• мартенситный (основная структура металла);
• мартенситно-ферритный (структура содержит мартенсит + 10% феррита);
• ферритный;
• аустенитно-мартенситный (стали с комбинированной структурой аустенита и мартенсита, количество которых можно менять в больших пределах);
• аустенитно-ферритный (структура: аустенит с содержанием феррита более 10%);
• аустенитный (устойчивая структура аустенита).

По процентному соотношению легирующих добавок сталь подразделяют на:

• низколегированную – 5–10%;
• среднелегированную – 10%;
• высоколегированную – более 10%.

Дополнительная классификация

Легированные конструкционные сплавы подходят для изготовления деталей машин и механизмов в машиностроительной отрасли – производят крупногабаритные детали, которые закаляют и подвергают высокому отпуску. Большая часть легирующих добавок в стали повышают прокаливаемость. Внедрение добавок должно быть достаточным, но не чрезмерным. Большая степень легирования может вызвать:

• снижение пластических свойств;
• развитие отпускной хрупкости;
• снижение порога хладноломкости.

Исключение – никель, он смещает порог хладноломкости в область низких температур, поэтому для машин, работающих в условиях Севера, механизмы изготавливают из никельсодержащих сталей. Пружинная легированная сталь содержит 0,5–0,7% углерода, а в качестве добавок вводят хром, молибден и вольфрам. Такой состав должен обеспечивать высокое сопротивление малым пластическим деформациям и высокой усталостной стойкости.

Шарикоподшипниковые – относят к заэвтектоидным – углерод около 1% с дополнительным легированием металла хромом (1,3–1,65%). В теплостойких подшипниках хром увеличивают до 5%. К подшипниковым – предъявляют особые требования по металлургической чистоте. Применение рафинирующих переплавов, вакуумные способы переплавки, обработка синтетическими шлаками позволяют уменьшить долю и размер неметаллических включений, тем самым повышают сопротивление контактной усталости.

Инструментальные виды

Легированная инструментальная сталь предназначается для производства металлорежущего инструмента, эксплуатируемого при режимах с высокой скоростью резания и для изготовления штампового инструмента.

Быстрорежущие стали способны сохранять высокую твёрдость и износостойкость режущей кромки инструмента. В такую сталь добавляют молибден, ванадий, вольфрам, хром и кобальт.

Штамповые стали для холодной деформации с содержанием 1,0–2,0% углерода обладают износостойкостью и ударной вязкостью. Их легируют хромом до 12%, ванадием, вольфрамом, молибденом.

Штамповые стали для горячей деформации содержат углерод в пределах 0,3–0,5%, обладают высокой теплостойкостью, ударной вязкостью, сопротивлением термической усталости. В качестве добавок вводят вольфрам, молибден, ванадий.

Основные цели легирования

Слово «легирование» происходит от немецкого «legieren» (связывать, соединять). Положительное воздействие легирующих компонентов на свойства стали связано с обеспечиванием протекания двух физико-химических процессов.

Процесс №1

Образование термодинамических устойчивых растворов замещения, сопровождающееся замещением части атомов (ионов) железа в его кристаллической решётке (ионами) легирующего элемента. Это ведёт к искажению кристаллической решётки железа, поскольку радиусы ионов (катионов) легирующих элементов отличаются от радиуса катионов железа, что повышает твёрдость и прочность железа с сохранением его пластичности.

Процесс №2

Возникновение прочных и практически нерастворимых в жидком железе химических соединений между введёнными в расплавленный металл легирующими добавками и растворёнными в нём неметаллами (кислород, азот, сера, углерод и др.).

Результатами образования таких соединений являются:

• снижение остаточного содержания в расплавленном металле растворенных неметаллов, ухудшающих его качество;
• уменьшение общего объёма вредных примесей (растворённых и в виде неметаллических включений) в стали.

А также происходит выделение (выпадение) из жидкого металла таких мелких неметаллических включений, которые служат центрами кристаллизации и приводят к получению мелкозернистой первичной и вторичной структуры стали. Благодаря этому она имеет лучшую пластичность, малую анизотропность свойств после прокатки и т. д. Выделяющиеся во время кристаллизации мелкие неметаллические включения обладают склонностью скапливаться на поверхности растущих кристаллов, понижая скорость роста граней, а это, в свою очередь, уменьшает зернистость стали.

Процесс легирования

Основным способом легировать сталь является метод объёмного металлургического легирования. Заключается в сплавлении основного элемента с легирующими в печах разного вида (индукционные, вакуумно-дуговые, тигельные, конвертеры, дуговые, плазменные, и др.). При этом способе возможна существенная потеря активных веществ (марганца, хрома, молибдена, и др.).

Существуют также:

• механическое легирование;
• восстановление;
• электролиз;
• плазмохимическая реакция.

Механическое легирование выполняют в аттриторах – барабанах, в центре которых находится вал с кулачками. В них закладывают порошкообразные компоненты для получения нужного сплава. Во время вращения кулачки «ударяют» по смеси, и происходит «вбивание» легирующих добавок в основу.

При совместном восстановлении перемешивают оксиды элементов сплава с восстановителем, например, с гидридом кальция (СаН₂) и производят нагрев. Идёт реакция восстановления оксидов до металлов, синхронно происходит процесс диффузии, выравнивающий состав сплава. Полученный оксид кальция (СаО) промывают водой, а сплав (в виде порошка) идёт в следующую обработку. Металлотермическое восстановление подразумевает использование металлов (магния, кальция, алюминия и др.) в качестве восстановителей.

С помощью поверхностного легирования поверхности изделия придают особые свойства. На верхний слой наносится определённый элемент или сплав в виде небольшого пласта, затем на неё воздействуют с помощью энергии (лазерного излучения, плазмы, тока высокой частоты др.) — поверхность оплавляется, и на ней формируется новый сплав.

Разница между легированием и примесями

Обычные легирующие добавки — это компоненты, которые вводят в металл в значительных количествах — более 0,10%. Они вызывают изменение кристаллической решётки железа, образуя растворы внедрения, повышают прочностные и других свойства железа (матрицы).

В качестве металлов для легирования используют:

• хром Cr;
• марганец Mn;
• никель Ni;
• алюминий Al;
• молибден Mo;
• кобальт Co;
• титан Ti;
• цирконий Zr;
• медь Cu и другие.

Их внедряют в сталь в разных количествах и сочетаниях.

Примеси

Существует деление вредных примесей на обычные и остаточные. К обычным вредным примесям относят те, содержание которых в металле можно уменьшить во время плавки – это фосфор, сера, кислород, азот, углерод, т. е., неметаллы.

Под остаточными вредными примесями принято понимать такие, содержание которых невозможно снизить во время плавки ни при окислительном рафинировании, ни при обычном легировании. Это характерно для химических элементов, имеющих растворимость в жидком железе. В производственной практике обычно встречающимися вредными остаточными примесями являются:

• медь;
• никель;
• олово;
• сурьма;
• мышьяк.

Маркировка легированных сталей

В России и СНГ действует система обозначения марок, состоящая из букв и цифр.

Обозначения конструкционных легированных сплавов

Маркировка такой стали состоит из цифр и букв. Буквы – это основные легирующие добавки, цифры после каждой из букв показывают содержание обозначенного элемента, округлённого до целого числа (если содержание легирующего компонента – до 1,5%, то цифра за буквой не пишется). Содержание углерода в процентах, умноженное на 100, пишется в начале наименования стали.

Маркировка основных легирующих компонентов:

Элемент	Обозначение
Никель	Н
Кобальт	К
Молибден	М
Хром	Х
Марганец	Г
Бор	Р
Медь	Д
Цирконий	Ц
Фосфор	П
Кремний	С
Ниобий	Б
Вольфрам	В
Титан	Т
Азот	А (в середине наименования)
Ванадий	Ф
Алюминий	Ю
Редкоземельные металлы	Ч

Если сталь с ограничением содержанием серы S и фосфора P

Легирование стали

Легирование стали необходимо для изготовления инструментов и полупроводников. В первом случае особое внимание обращают на механические свойства, а во втором — на токопроводящие характеристики. Это требует не только разных добавок (например, легирование стали алюминием), но и разных технологических процессов. Легированная сталь представляет собой железоуглеродистый сплав с дополнительными элементами (никель, хром, молибден, кобальт и алюминий) для придания этой стали особых характеристик, таких как: устойчивость к коррозии, гибкость и твердость, что делает ее лучше обычной углеродной стали.

Сплавы, как правило, обозначаются в соответствии с преобладающими элементами, такими как никелевая сталь, хромистая сталь и хромованадиевая сталь. Сплавы можно встретить практически во всех отраслях промышленности, от гражданского строительства до судостроения, в нефтяной, автомобильной и авиационной отраслях.

Разнообразие возможных сплавов практически бесконечно, как и разнообразие характеристик.

Процесс легирования

Легированная сталь может быть произведена несколькими способами. Легирование бывает поверхностным и объемным. В первом случае легирующие добавки вводятся только в верхний слой. Легирующий элемент проникает неглубоко, примерно на 1-2 мм. Это необходимо для создания на поверхности металла определенных свойств (например, антифрикционных). Поверхностное легирование намного лучше напыления, а поэтому часто применяется при изготовлении керамики и стекла. Введение добавок во весь объем металла предусматривается объемным легированием.

Легирующих добавок может быть несколько. Они могут быть как металлическими, так и не металлическими (например, фосфор). Для получения различных характеристик легирование может производиться на различных этапах плавки.

Добавление легирующих элементов направлено на создание микроструктурных изменений, которые, в свою очередь, способствуют изменению физико-механических свойств материала, позволяя ему выполнять определенные функции.

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 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 и вольфрам.Назначение этих элементов очень разнообразно, и при использовании в нужных пропорциях стали получают с определенными характеристиками, которые, однако, не могут быть достигнуты с обычными углеродистыми сталями.Сплавы обычно классифицируются с учетом элементов, содержание которых наиболее велико, и которые называются базовыми компонентами. Элементы, которые находятся в меньшей пропорции, рассматриваются как вторичные компоненты.

Железо само по себе не особо прочное, но его прочность значительно возрастает, когда он легируется углеродом, а затем быстро охлаждается для производства стали. Некоторые характеристики 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. Кроме того, 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).

Практическое применение легирующих добавок

Никель, осмий, рутений, медь, золото, серебро и иридий легируются платиной для повышения твердости. Сплавы, образованные с кобальтом, приобрели значение благодаря своим ферромагнитным свойствам. Родий используется в качестве антикоррозийного электролитического покрытия для защиты серебра от потускнения. Родий легируется платиной и палладием, чтобы получить очень твердые сплавы.Цель легирования медью — повысить коррозионную стойкость.Также медью легируют серебро. В чистом виде серебро слишком мягкое для изготовления монет, столовых приборов и украшений, для всех областей применения оно упрочняется путем легирования медью.

Черные сплавы

Черные 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, их низкая себестоимость, 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.

Нержавеющая сталь

Общие характеристики нержавейки делают ее универсальным материалом, который хорошо адаптируется к требованиям сегодняшнего дня. Любые виды сплавов имеют свои преимущества в зависимости от химического состава.

Эстетика. Существует ряд видов отделки поверхности: от матовой до глянцевой, от сатиновой до гравировки. Отделка также может быть узорчатой или окрашенной, что делает нержавеющую сталь уникальным и эстетичным материалом. Архитекторы часто выбирают этот материал для строительных работ, дизайна интерьера и городской мебели.

Механические свойства.Нержавейка обладает лучшими механическими свойствами при комнатной температуре по сравнению с другими материалами, что является преимуществом в строительном секторе, так как позволяет снизить вес на м² или уменьшить размеры элементов конструкции. Хорошая эластичность и твердость в сочетании с неплохой износостойкостью (трение, истирание, удары, эластичность…) позволяют использовать нержавейку в широком спектре проектов. Кроме того, нержавейка может устанавливаться на стройплощадке, несмотря на зимние температуры, без риска хрупкости или поломки, что не препятствует удлинению сроков строительства.

Огнеупорность. По сравнению с другими металлами, нержавейка обладает лучшей огнеупорностью в конструкции благодаря высокой температуре плавления (выше 800 °C). Нержавейка не выделяет токсичных паров. Коррозионная стойкость: при содержании хрома 10,5% нержавеющая сталь постоянно защищена пассивным слоем оксида хрома, который естественным образом образуется на ее поверхности при контакте с влажностью воздуха. При повреждении поверхности пассивный слой восстанавливается. Это обеспечивает коррозионную стойкость.

Классификация легированных сталей

Сплавы разделяются на три категории: низколегированные, среднелегированные и высоколегированные. На степень легирования стали влияет средний уровень количества других включенных элементов. Граница, разделяющая категории, не очень ясна.

Классификация по содержанию легирующих элементов:

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

По практическому применению:

• конструкционные (машиностроительные или строительные);
• инструментальные;
• специального назначения.

Маркировка легированных сталей

Требования оговаривает ГОСТ 4543-71. Легирующие добавки обозначаются так:

• Н — никель,
• Г — марганец,
• Е — селен,
• А — азот,
• С — кремний,
• Т — титан,
• В — вольфрам,
• Ф — ванадий,
• Д — медь,
• М — молибден,
• X — хром.

ГОСТ 4543-71 Прокат из легированной конструкционной стали

После каждой буквы указывается количество элемента.Среднее содержание основных элементов указывается с точностью до 1%, углерод даётся в сотых долях процента. Первая цифра обозначает, сколько углерода содержит сталь.