В век перепроизводства разве что младенец не знает, что существует легированная сталь. Но часто происходит подмена понятий и многие обыватели считают, что единственным достоинством такого материала является его высокая антикоррозионная стойкость. На самом деле, кроме нержавейки, существует колоссальное количество сплавов, содержащих легирующие добавки и имеющих различные механические и эксплуатационные характеристики. Ну а теперь все по порядку.
Легированные сплавы имеют сложный состав на основе железа и углерода и содержат различные химические элементы, которые влияют на структурные преобразования металлов на молекулярном уровне. Процентное содержание таких добавок и организация процесса раскисления, легирования и модификации сталей определяют их физико-химические свойства.
Интересный факт. Началом массового производства немагнитных сплавов считается выплавка стали англичанином Робертом Гадфильдом в конце XIX века. Конечно, человечество и раньше знало, что такое легированная сталь, но организовать потоковое производство и оценить все преимущества ее применения люди смогли только в эпоху глобальной индустриализации и, к сожалению, с появлением новых военных технологий. Благодаря высокому сопротивлению износу и ударным нагрузкам сталь Гадфильда вплоть до середины XX века становится наиболее используемым сплавом для производства железнодорожных крестовин, танковых траков, пехотных шлемов и даже тюремных решеток. Она и сейчас применяется при изготовлении зубьев ковшей экскаваторов и других элементов техники, подвергаемых ударным и истирающим нагрузкам во время их эксплуатации.
Любая сталь содержит железо и углерод. Причем содержание последнего может составлять 0,02 – 2,14% и напрямую определяет его свойства и марку. Он повышает твердость и прочность, но при увеличении концентрации снижает пластичность. Увеличивает режущую способность, электрическое сопротивление и коэрцитивную силу. Снижает температуру плавления и плотность.
Обыкновенные углеродистые стали, также как и легированные, могут содержать кремний, марганец, медь, серу, хром, фосфор, водород, азот и алюминий, только их количество значительно ниже. При этом Si и Mn вводятся для улучшения прочностных показателей и физико-химических свойств. Другие вещества попадают в расплавленную сталь из шихты или печных газов и соответственно считаются примесями. Некоторые их них (например, сера и фосфор) являются постоянными вредными примесями. При плавке легированных сталей их свойства формируются счет целенаправленного введения модифицирущих элементов.
Наиболее распространенными элементами, использующимися для улучшения физических, химических и механических свойств стали являются: хром, марганец, никель, кремний, вольфрам, молибден, ванадий, титан, медь, кобальт, алюминий, бор, ниобий, цирконий и другие. Но, несмотря на такой обширный список, все же наиболее используемыми являются лишь несколько из вышеперечисленных элементов.
Легирущие добавки
|
Элемент |
Химическое обозначение |
Обозначение в маркировке СНГ |
Типичное содержание, % |
Особенности применения |
|
Марганец |
Mn |
Г |
0,8 – 13 |
Аустенитобразующее вещество, улучшает прокаливаемость и увеличивает порог жидкотекучести металла. Повышает сопротивление истиранию и ударным нагрузкам. |
|
Кремний |
Si |
С |
0,5 – 14,0 |
Ферритообразующий компонент. Не влияет на вязкостные свойства, при этом повышает предел прочности и текучести, магнитную проницаемость и электропроводимость. Улучшает пластичность, кислотостойкость и прочностные показатели. |
|
Алюминий |
Al |
Ю |
0,02 – 0,07 |
Минимизирует процессы старения. Повышает пластичность. Связывает кислород |
|
Фосфор |
P |
П |
0,05 – 0,35 |
Улучшает антикоррозионные свойства и обрабатываемость. В количестве более 0,03% провоцирует хладноломкость. |
|
Хром |
Cr |
Х |
0,3 – 30 |
Ферритообразующий компонент. Широко используется как самостоятельный легирующий агент, так и в комплексе с другими веществами. Его введение способствует расширению температурного интервала затвердевания, увеличивает прочность и твердость без изменения показателей пластичности. Содержание 1% улучшает механические свойства. С повышением концентрации хрома до 5% увеличивается теплостойкость, а кислотостойкие и жаропрочные сплавы уже содержат более высокий процент хрома, который может достигать 28%. |
|
Никель |
Ni |
Н |
0,3 – 25 |
Аустенитообразующий компонент. Улучшает ударную вязкость и термоокислительную стабильность. Повышает прокаливаемость и окалиностойкость. |
|
Молибден |
Mo |
М |
0,2 – 6,5 |
Значительно повышает показатели твердости, прочности и прокаливаемости. В наибольшей концентрации содержится в жаропрочных и быстрорежущих сталях, а в конструкционных марках его количество обычно не превышает 0,4%. |
|
Вольфрам |
W |
В |
1,0 – 18,0 |
Карбидообразующая присадка, повышающая пределы прочности и твердости. Вводится в быстрорежущие инструментальные сплавы до 18% и оптимизирует термопрочность и сопротивление ударным нагрузкам. |
|
Ванадий |
V |
Ф |
0,09 – 2,0 |
Карбидообразующий агент, который увеличивает прочность и повышает вязкость. Ванадийсодержащие сплавы демонстрируют отличную ударную стойкость и инертность к напряжениям, но очень дорого стоят. |
|
Титан |
Ti |
Т |
0,03 – 0,15 |
Связывая углерод в прочные карбиды, измельчает зерна аустенита и снижает склонность к межкристаллической коррозии. Повышает кислотоустойчивость и, наряду с другими карбидообразующими, способствует самозакалке стали. |
|
Ниобий |
Nb |
Б |
0,01 – 1,5 |
Сильный карбидообразующий элемент. В нержавеющие сплавы вводится для минимизации межкристаллической коррозии, в марганцовистую – для снижения отпускной хрупкости. |
|
Медь |
Cu |
Д |
0,03 – 4,0 |
Ее присадка увеличивает предел текучести, пластичность, сопротивляемость коррозионным процессам. В судостроении позволяет эффективно решить проблему обрастания подводной части корпуса водорослями и ракушками. |
|
Бор |
B |
Р |
0,0008 – 0,005 |
Увеличивает прокаливаемость. Является лучшей альтернативой для замены дорогостоящего молибдена и никеля. |
|
Кобальт |
Co |
К |
5,0 – 30,0 |
Используется для жаростойких и быстрорежущих марок. Его присадка позволяет режущей плоскости сохранять свои свойства даже при температурах красного каления и защищает конструктивные части теплогенерирующих элементов от окисления при воздействии агрессивных сред и критических температур. |
|
Редко-земельные металлы (РЗМ) |
Ce, La и др. |
Ч |
0,02 – 0,05 |
Одновременно выступают дегазаторами и десульфураторами. В значительной мере оптимизирующее влияют на обрабатываемость и физико-механические свойства. Улучшают жидкотекучесть, свариваемость и ковкость. |
|
Сера |
S |
-- |
0,03 – 0,3 |
Несмотря на то, что наличие серы активизирует процессы ржавления и охручивания стали, она используется в автоматных марках для облегчения станочной обработки. |
На заметку. Даже в составе технически чистого железа обязательно присутствуют около 20 химических примесей. Но их суммарное количество не превышает 0,25 процента.
Она основывается на том, в каком количестве добавка введена в состав сплава, и определяет основные группы, исходя из химической структуры, целевого назначения и уникальных свойств. Таким образом, различают следующие категории.
Классификация стальных сплавов по процентному содержанию всех легирующих компонентов:
Классификация легированных сталей по назначению:
В своей профессиональной деятельности металлурги и инженеры часто прибегают к более широкой номенклатуре. Например, профессионалами используется классификация таких сплавов по их микроструктуре в нормализованном состоянии (перлитные, аустенитные, карбидные и мартенситные) или в равновесном состоянии (доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные).
Фазовые превращения в твердых растворах железа определяются общими законами взаимной растворимости и межатомных взаимодействий всех элементов, включая углерод и легирующие добавки. Поэтому легированная сталь имеет одновременно схожие и уникальные характеристики:
Среди преимуществ и достоинств, которыми обладает данный металлопрокат, следует выделить повышенное сопротивление хладостойкости, ударным и пластическим деформациям, улучшенная прокаливаемость, повышенная вязкость. При этом для большинства сплавов, содержащих разное количество легирующих присадок, характерно:
На заметку. В зависимости от химической природы вводимых элементов легированная сталь изменяет свойства жидкотекучести и поверхностного натяжения. А также снижает температуру плавления следующим образом:
|
Элемент |
Снижение T для 1% элемента в жидком р/р, ˚С |
Элемент |
Снижение T для 1% элемента в жидком р/р, ˚С |
Элемент |
Снижение T для 1% элемента в жидком р/р, ˚С |
|
Углерод |
90 |
Кремний |
6 |
Никель |
2,9 |
|
Сера |
40 |
Фосфор |
28 |
Титан |
17 |
|
Марганец |
1,7 |
Медь |
2,6 |
Бор |
100 |
|
Хром |
1,8 |
Молибден |
1,5 |
Вольфрам |
1 |
|
Алюминий |
5 |
Ванадий |
1,3 |
Кобальт |
1,5 |
Данные таблицы показывают, что по сравнению с малоуглеродистым нелегированным сплавом у высоколегированной марки, содержащей около 50% присадок, температура ликвидуса ниже почти на 100˚С.
В мировой практике используется несколько документов, регламентирующих маркировку легированных сталей. Но в любом случае они все предполагают использование буквенно-цифровых обозначений.
Стандарты стран СНГ
При обозначении легированной конструкционной стали процентная величина массовой доли углерода маркируется первыми двумя цифрами без использования буквенного обозначения. Далее в порядке уменьшения указываются легирующие компоненты и их доля в сплаве в среднем эквиваленте. Буквенные обозначения химических элементов указаны в таблице 1. Легирующие присадки, количество которых менее 1,0% указываются только в расшифрованной номенклатуре, так как обозначение тогда бы приняло очень громоздкий вид.
Учитывая обширный сортамент, марка стали может также включать дополнительные символы в номенклатуре. Так как обозначение тогда бы приняло очень громоздкий вид, символы, более расширенно описывающие свойства или особенности: А – автоматные, Е – магнитные, Ж – нержавеющие, Р – режущие, Х – хромистые, Ш – шарикоподшипниковые, Э - электротехнические, Я – хромоникелевые. Также маркировка может предполагать исключения от общих правил обозначения. Так в зависимости от химического состава конструкционные сплавы разделяют на качественные и высококачественные. Например, в конце маркировки буква «А» указывает, что сплав является особо чистым в части содержания фосфора и серы, а буква «Ш» относит их к высококачественным.
Маркировка легированных сталей для речного и морского судостроения часто осуществляется в соответствии с ГОСТ 5521-86 и требованиями Международной ассоциации классификационных обществ. Это означает, что такие сплавы классифицируют на категории A, B, D и Е с учетом предела текучести, показателям прочности, хрупкости и сопротивления ударным нагрузкам.
Европейские стандарты
EN 10027 определяет порядок обозначения 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. Например, категория инструментальных сталей идентифицируется как 1.20ХХ – 1.28ХХ, а нержавеющих как 1.40ХХ – 1.45ХХ.
Североамериканские стандарты ASTM/ASME и AISI
В США действует наиболее обширная система маркировки сталей. Например, маркировка ASTM предполагает обозначение основных химических элементов, предел прочности и форму проката. В системе AISI используют 4 цифры, где первые две указывают номер группы, две последующие – процентное количество углерода. Буквенные символы демонстрируют наличие соответствующих присадок.
Сегодня практически невозможно перечислить все сферы, где применяется легированная сталь. Это тракторостроение и машиностроение, химико-технологический и промышленно-производственный комплекс, нефтегазодобывающая отрасль и сельское хозяйство. Например:
Также не стоит забывать, что физические особенности легированных сплавов проявляются в термообработанном состоянии. Именно поэтому их широко используют для термонапрягаемых деталей, высокоскоростных и тяжелонагруженных пар трения.
В связи с интенсивным развитием современных технических отраслей, легированная сталь находит применение в гражданской и военной авиации, в турбостроении и в альтернативной электроэнергетике. Так же можно купить металл в Украине, а именно легированную сталь для изготовления мультикоптеров и беспилотников, ядерных реакторов, ракетно-космических систем. В то же время стремительное расширение сферы применения легированных сталей обуславливает ужесточение требований к их качеству и мотивирует к разработке новых сплавов.
Узнать больше о легированных марках стали и специальных сплавах можно в нашем справочнике, который регулярно пополняется новой информацией. Здесь можно ознакомиться с химическим составом сплавов, физико-механическими свойствами, аналогами и сферами применения сталей.
Мы рады, что вы заинтересовались информацией из нашего блога. И даем согласие на использование материалов для учебных целей или для личного пользования. Однако предупреждаем, что копирование информации для публичного распространения – это нарушения авторского права и других прав интеллектуальной собственности, согласно Бернской конвенции и Закона Украины об авторском праве №3792-XII.
