Легирование стали: что к чему

В промышленности используются сотни международных и национальных групп стандартов на стальную продукцию. Каждая отрасль выдвигает специфические требования к свойствам металлопроката, поэтому для них в пределах этих нормативных систем существуют собственные ветви регламентирующих документов. Соответственно, количество марок стали, используемых мировыми потребителями, измеряется тысячами. И неподготовленному человеку достаточно сложно сразу разобраться и выбрать материалы, необходимые для того или иного применения.

Поэтому в рамках блога на официальном сайте компании Метинвест-СМЦ мы стараемся простыми словами разъяснять читателям особенности изготовления и использования различных видов металлопродукции, специфику проведения механических испытаний и другие нюансы, связанные с качественными и эксплуатационными параметрами стального проката.

В этот раз предлагаю разобраться с такой интересной темой, как легирование стали. Уверен, многие слышали такой термин, но до сих пор не очень понимают, что именно он означает и зачем вообще усложнять жизнь, погружаясь в эти «стальные дебри». Но я хочу сказать, что минимальные знания в этой области позволят потребителям не только сэкономить собственные средства при закупке металла, но и во многих случаях значительно повысить эксплуатационную стойкость и долговечность конечных металлических конструкций и изделий.

Виды примесей в стали

Сталь – это многокомпонентный сплав. Массовая доля железа в нем превышает долю любого другого отдельного химического элемента, а содержание углерода обычно не превышает 2,14% (некоторые марки могут вмещать более 2,14% углерода, но это скорее исключение, чем правило). Кроме железа и углерода, сталь в своем составе имеет ряд примесей, которые по своей природе разделяют на следующие группы:

1. Постоянные (обыкновенные) примеси – элементы, которые присутствуют в любой стали. Они подразделяются на:

• Те, введение которых необходимо при производстве (это преимущественно марганец, кремний и другие раскислители);
• Те, от которых невозможно полностью избавиться при массовом производстве (к таким примесям прежде всего относят серу и фосфор, которые попадают в сталь с шихтовыми материалами, топливом и др.);

2. Случайные примеси – элементы, попадающие в состав стали несистемно по каким-то случайным причинам (например, свинец, олово и цинк, которые могут оказаться в расплаве благодаря стороннему металлическому лому);

3. Скрытые примеси – элементы, присутствующие в составе стали в очень малых количествах. Методы их выявления сложны и в большинстве случаев их содержание не оценивается и не оговаривается в нормативно-технической документации (это могут быть редкоземельные металлы, газы и другие составляющие);

4. Легирующие элементы – химические компоненты, которые в определенной концентрации специально добавляются в сталь с целью корректировки ее структуры и свойств.

Некоторые элементы могут одновременно соответствовать нескольким из вышеперечисленных групп. В этом случае смотрят на общую концентрацию примеси и причину ее попадания в состав сплава. Соответственно стали, в состав которых целевым образом вводят легирующие добавки для получения необходимых параметров качества, называют легированными сталями.

Классификация сталей по химическому составу

Систем классификации железоуглеродистых сплавов по химическому составу в мире существует достаточно много. Но одним из ключевых международных нормативных документов, касающихся определения и классификации сталей является европейский стандарт EN 10020 (в Украине с 2007 года действует полностью идентичный ДСТУ EN 10020). В соответствии с ним определяются предельные значения содержания химических элементов в плавочном анализе стали (см. таблицу ниже), разделяющие марки на следующие группы:

1. Нелегированные стали, в которых массовая доля отдельных элементов не достигает граничных значений, указанных в таблице. Эта группа разделяет марки по классам качества на нелегированные качественные стали и нелегированные специальные стали;
2. Нержавеющие стали, в которых содержится не менее 10,5% хрома и не более 1,2% углерода;
3. Другие легированные стали, не относящиеся к нержавеющим, но при этом массовая доля хотя бы одного отдельного элемента в которых достигает или превышает значения, приведенные в таблице. Эти сплавы также по качественным характеристикам делятся на легированные качественные стали и легированные специальные стали.

Предельное содержание химических элементов, по которому разграничивают нелегированные и легированные стали согласно ДСТУ EN 10020 (плавочный анализ)

Если в стандартах, по техническим условиям которых производится та или иная металлическая продукция, есть собственные классификации и обозначения соответствующих марок стали, то производителю и потребителю нужно пользоваться ими. Но если в европейских нормативно-технических документах такая информация отсутствует, необходимо применять классификацию, представленную в EN 10020. В случае, когда в стандартах или технических условиях отсутствуют точные данные по химическому составу, основанием для классификации являются фактические результаты химического анализа ковшевой пробы.

Результаты анализа готового стального изделия могут отличаться от плавочного анализа в пределах, обусловленных соответствующими техническими нормами на продукцию. Но такие отклонения не влияют на разделение стали на легированную или нелегированную. В случае, если фактический анализ изделия соответствует другому классу, принадлежность продукта к ранее определенному классу необходимо подтвердить достоверно (например, путем сторонней экспертизы соответствующим органом, имеющим надлежащую аккредитацию).

Легирующие элементы и их влияние на свойства стали

Легирующие элементы в стали могут создавать с железом твердые растворы, легированный цементит или собственные специальные карбиды и интерметаллические соединения. В зависимости от этого они по-разному влияют на структурные и фазовые превращения при выплавке, прокатке и других видах обработки стальных продуктов. И, соответственно, их вклад в конечные механические, технологические или эксплуатационные свойства изделия также отличается.

В таблицах ниже можно увидеть, на какие параметры стали влияют те или иные химические компоненты. Обозначение «++» указывает, что элемент существенно улучшает характеристики; «+» – улучшает свойства; «0» – существенно не влияет; «-» – ухудшает свойства; «--» – значительно ухудшает свойства.

Влияние легирующих элементов и примесей на механические свойства стали

Влияние легирующих элементов и примесей на технологические свойства стали

Источник: Справочник конструктора металлических конструкций/ В.Т. Васильченко, А.Н. Рутман, Е.П. Лукьяненко.- К.: Будівельник, 1980

Во многих случаях для обеспечения требуемых параметров стальных конструкций и деталей достаточно использовать нелегированные сплавы. Далеко не всегда именно легированные стали уместны с экономической или технологической точки зрения. Поскольку добавление того или иного компонента всегда повышает себестоимость производства, цена легированного проката всегда выше аналога из углеродистой стали. Поэтому целесообразность применения той или иной марки в конкретном проектном решении необходимо оценивать как с технической, так и с экономической стороны.

Например, эффект от использования легированных материалов может иметь место, когда:

•       конечное изделие работает в сложных условиях нагрузки и/или агрессивных внешних воздействий (коррозионная среда, сверхнизкие температуры, абразивный износ и т.п.), что требует специфического комплекса эксплуатационных характеристик, недостижимых для нелегированных аналогов;
•       есть необходимость обеспечить определенные структуру и свойства стали для выполнения некоторых технологических операций при изготовлении изделия (например, высокую пластичность для штамповки сложного профиля кузова при изготовлении автомобиля);
•       необходимо снизить общую металлоемкость конструкции/ детали/ элемента, чего нельзя достичь при использовании нелегированных сплавов (например, использование термомеханически упрочненных марок при изготовлении грузовых вагонов и цистерн);
•       изделие из нелегированной стали имеет ограниченную долговечность и стоит задача повысить срок его эксплуатации.

Таким образом, целесообразность применения той или иной марки в конкретном проектном решении необходимо оценивать как с технической, так и с экономической стороны. При выборе материала также следует опираться на существующие отраслевые технические нормы, которые могут указывать конкретные свойства и химический состав стали. Но если после всех оценок и расчетов у вас все равно остались вопросы касательно использования металлопроката, рекомендую вам обратиться к специалистам Метинвест-СМЦ по телефону 0800-30-30-70 или через официальный сайт. Здесь вам помогут найти оптимальное решение и организовать закупку и доставку выбранной стальной продукции.