Стали легированные и специальные сплавы

Сталь легированная – это сложный многокомпонентный сплав на основе железа (Fe) и углерода (C), в котором массовая доля углерода составляет не более 2,14% и присутствуют специально введенные легирующие примеси в количестве, достаточном для целенаправленного изменения структуры и свойств материала. Добавление легирующих компонентов позволяет формировать необходимые характеристики и добиваться улучшенной чистоты и однородности макро- и микроструктуры.

Классификация по степени легирования

Из-за разнообразия химических, механических и технологических свойств на легированные стали классификация и маркировка очень обширна. Ситуация усугубляется наличием разнообразных национальных и международных систем стандартов, в которых распределение таких сплавов происходит совершенно по-разному. Если опираться на традиционную систематизацию стандартов ДСТУ/ ГОСТ, действовавших в Украине и странах СНГ, то по количественному содержанию легирующих примесей их разделяют на низко-, средне- и высоколегированные.

Низколегированные

К низколегированным относят стали, в которых количество легирующих элементов не превышает 2,5%. Более детально об этой группе сплавов можно ознакомиться в этом разделе.

Среднелегированные

Стали, содержащие легирующие примеси в которых составляют от 2,5 до 10 процентов, являются среднелегированными. В целом такая легированная сталь свойства прочности и износостойкости формирует в зависимости от ее химического состава, состояния поставки, характера термической обработки.

Высоколегированные

Стали, в составе которых на массовую долю легирующих примесей приходится более 10 процентов, относят к высоколегированным. Столь большое количество модифицирующих добавок объясняется необходимостью формирования специфических свойств изделий для их эксплуатации в особых условиях. Примером могут служить нержавеющие стали, работающие в атмосферах повышенной кислотности, либо быстрорежущие стали для изготовления износостойкого инструмента (фрез, резцов, сверл и т.д.) для механической обработки металлов.

Легированные стали – их классификация по назначению

В наши дни легированная сталь применение находит практически во всех сферах человеческой деятельности: от машиностроения и энергетики до космических и телекоммуникационных технологий. Согласно принятой в Украине и странах СНГ классификации по назначению она может причисляться к одной из групп:

• конструкционные марки. К этой категории принято относить стали, использующиеся для производства строительных металлоконструкций, деталей механизмов, устройств и приборов. Многие из них отлично работают в высокотемпературных средах, характеризуются очень малой чувствительностью к концентрации напряжений либо имеют какие-то другие специфические особенности;
• инструментальные марки. К этой категории относят в основном высокопрочные среднелегированные и высоколегированные стали с повышенным содержанием хрома, марганца, кремния, вольфрама, молибдена и многих других элементов. Такие сплавы используют при производстве сверл, фрез и метчиков, лабораторного, измерительного и режущего инструмента, а также ударно-штамповой оснастки;
• стали с особыми физическими и химическими свойствами. В эту категорию входят материалы специализированного назначения. Из них производят изделия и детали для узкой сферы применения, к эксплуатационным качествам которых предъявляют особые требования.

Состав легированных марок сталей

Все элементы, входящие в легированные марки стали, взаимодействуют между собой, а те, что растворяются в железе, существенно влияют на температурный интервал полиморфного превращения и растворимость углерода в Fe. Соответственно их химический состав разрабатывается с учетом конкретных условий дальнейшей службы и эксплуатации.

Исходя из того, что такое легированная сталь и каково значение этого материала для промышленности, крайне важно использовать при выплавке корректный и максимально экономичный состав химических элементов. Подбор составляющих осуществляется с учетом требуемых механических и технологических свойств, исходя из технической и экономической целесообразности. Поэтому для легирования в первую очередь стараются использовать недефицитные марганец и кремний, затем – алюминий, хром, медь, никель. При этом стали для специфических применений могут дополнительно легировать титаном, ванадием, ниобием, бором, молибденом и другими элементами, вплоть до драгоценных (платина, иридий, осмий и др.), редкоземельных (РЗМ – иттрий, церий) и радиоактивных металлов.

Основные легирующие примеси для производства легированных марок сталей

Новые марки отличаются многокомпонентным легированием. В современной металлургии весьма распространены технологии микролегирования, когда большое количество одного компонента замещают несколькими другими в гораздо меньших концентрациях. В совокупности с различными методами термической обработки это часто позволяет получить уникальные структуры и свойства, которые обеспечивают более длительную эксплуатационную стойкость деталей и конструкций.

Обозначение и маркировка

В нормативной документации стран СНГ и стандартах Украины, разработанных до внедрения гармонизированных европейских норм, на инструментальные и конструкционные легированные стали маркировка составляется на основе системы, предполагающей использование буквенно-цифрового обозначения. Для конструкционных сталей две первые цифры обозначают среднюю массовую долю углерода, выраженную в сотых долях процента (у инструментальных – одна цифра, указывающая содержание углерода в десятых долях). Далее маркировка составляется с учетом качественных и количественных особенностей наиболее значимых легирующих примесей. Вначале принято указывать буквенный символ соответствующего компонента. И если количество химического элемента лежит в пределах 1%, цифра не прописывается, а если больше, то пишут число, выражающее его количественную массу в процентах (для отдельных элементов данное правило имеет исключения).

Для акцента на высоком качестве металла в конце маркировки принято прописывать букву «А» (не путать с обозначением азота, который указывается в середине маркировки). Наличие буквы «Ш» в конце обозначения указывает, что марка является особовысококачественной, но пишется она через тире.

Такой принцип маркировки применим к большинству легированных сталей. Но для марок специального назначения предусмотрено использование в начале обозначения дополнительных буквенных символов:

• Р – быстрорежущие;
• Ш – шарикоподшипниковые;
• Э – электротехнические.

Обозначение легирующих элементов

Согласно традиционной системе ГОСТ/ ДСТУ при маркировке легированных сталей для легирующих элементов принято использовать стандартные обозначения на кириллице.

Примеры расшифровки марки легированной стали               

Специальные сплавы и стали

Стремительное развитие техники обусловило необходимость создания специальных сплавов, в том числе и сталей. Сегодня они выступают одним из основных материалов для ядерных реакторов, спецтехники, космических аппаратов, приборов и различной инструментальной оснастки. Для них характерен сложный многокомпонентный состав и специфические физико-механические свойства. Практически все специальные стали и сплавы относятся к группе высоколегированных конструкционных материалов и требуют применения специальной технологии выплавки и термообработки.

Прецизионные сплавы содержат практически те же элементы, что и стали, но отличаются их процентным содержанием и количеством железа. Например, массовая доля ванадия может доходить в них до 11%, кобальта – до 40%, в то время как на углерод может приходиться всего 0,05%.

Большинство специальных сплавов являются результатом новейших технических разработок и довольно дорогие в производстве. По основным свойствам их разделяют на 7 групп, среди них сверхпроводящие, магнитно-мягкие и магнито-твердые сплавы и термобиметаллы.

Классификация сталей специального назначения

Также, как углеродистые и легированные марки, специальные стали имеют многоуровневую классификацию по нескольким признаками. Рассмотрим основные из них.

По роду примесей

На основе комплекса наиболее значимых легирующих примесей специальные марки классифицируют более, чем на 10 групп. Среди них:

• хромованадиевые и хромокремнистые;
• хромомарганцовые и хромомолибденовые;
• никельмолибденовые и хромокремнемарганцовые;
• хромомолибденованадиевые и хромокремнемарганцовоникелевые;
• хромомарганцовоникелевые и хромомарганцовоникелевые с титаном и бором;
• хромоникельмолибденовые, хромоникельмолибденованадиевые и хромоникельванадиевые;
• хромоалюминиевые и хромоалюминиевые с молибденом;
• хромомарганцовоникелевые с молибденом и титаном;
• хромоникелевые и хромоникелевые с бором.

По назначению

В зависимости от целевого назначения и основных свойств стали специального назначения также делятся на несколько групп: хладостойкие, радиационностойкие, рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, жаропрочные, износостойкие, коррозионностойкие (нержавеющие), окалиностойкие и так далее. Причем из-за наличия нескольких легирующих компонентов они могут проявлять и другие физико-механические и технологические свойства. Например, теплостойкая легированная сталь марки 12Х1МФ характеризуется повышенной пластичностью, а 09Х15Н8Ю, 07Х16Н, 08Х17Н5М3 отлично зарекомендовали себя в условиях соляных сред.

На сегодняшний день для применения в сварных строительных металлических конструкциях наиболее перспективными считаются термически упрочненные марки специальных сталей высокой прочности и имеющие предел текучести более 800 МПа.

По структуре

В легированной стали образуются все типы соединений (твердые растворы, химические соединения, механические примеси), которые необходимо учитывать при разработке того или иного сплава для конкретных применений. Основная масса многих сложнолегированных сплавов – тройные, четверные и более сложные твердые растворы железа и различных элементов и в зависимости от микроструктуры они могут быть разделены на несколько групп.

После нормализации выделяют несколько классов, среди которых аустенитный и мартенситный. По равновесной структуре их разделяют на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные (в т.ч. стали ледебуритного класса).

Примеры специальных сталей, имеющих разную структуру металла

Пример расшифровки марки специальной стали

Марка спецсталей обозначается так же, как и другие легированные стали.

 В этом разделе вы сможете более детально ознакомиться с химическим составом и физико-механическими свойствами отдельных среднелегированных, высоколегированных сталей и специальных сплавов.