Ваше місто
Київ
smc@metinvestholding.com
Написати листа
smc@metinvestholding.com
0 800 30 30 70
Подзвонити
0 800 30 30 70
Замовити дзвінок
Зареєструйтесь!

Легована сталь: особливості, класифікація та характеристики

  1. Головна
  2. Статті
  3. Легована сталь: особливості, класифікація та характеристики
Легована сталь: особливості, класифікація та характеристики
Що таке легована сталь. Маркування легованих сталей по стандартам СНД і світовим стандартам. Її базові легуючі елементи. особливості, властивості і характеристики.
Легована сталь: особливості, класифікація та характеристики
Метінвест СМЦ
https://metinvest-smc.com/ua/articles/legirovannaya-stal-osobennosti-klassifikatsiya-i-kharakteristiki/
2020-01-16 13:44:19
Легована сталь: особливості, класифікація та характеристики
19 Листопада 2019

У століття перевиробництва хіба що дитина не знає, що існує легована сталь. Але часто відбувається підміна понять і багато хто вважає, що єдиною перевагою такого матеріалу є його висока антикорозійна стійкість. Насправді, крім нержавіючої сталі, існує колосальна кількість сталевих сплавів, що містять легуючі добавки і мають різні механічні та експлуатаційні характеристики. Ну а тепер все по порядку.

Леговані сталі: визначення і класифікація

Леговані сплави мають непростий склад на основі заліза і вуглецю, що містять різні хімічні елементи, які впливають на структурні перетворення металів на молекулярному рівні. Процентний вміст таких добавок і організація процесу розкислення, легування і дегазації сталей визначають їх фізико-хімічні властивості.

Цікавий факт. Початком масового виробництва немагнітних сплавів вважається виплавка сталі англійцем Робертом Гадфільдом ​​в кінці XIX століття. Звичайно, людство і раніше знало, що таке легована сталь, але організувати потокове виробництво і оцінити всі переваги її застосування люди змогли тільки в епоху глобальної індустріалізації і, на жаль, з появою нових військових технологій. Завдяки високому опору зносу і ударних навантажень сталь Гадфільда ​​аж до середини XX століття стає найбільш використовуваним сплавом для виробництва залізничних хрестовин, танкових траків, піхотних шоломів і навіть тюремних грат.

Відмінності від вуглецевих сталей

Будь-який сталевий сплав містить залізо і вуглець. Причому зміст останнього може становити 0,02 - 0,15% і безпосередньо визначає його властивості і марку. Він підвищує твердість і міцність, але при збільшенні концентрації знижує пластичність. Збільшує ріжучу здатність, електричний опір і коерцитивної силу. Знижує температуру плавлення і щільність.

Звичайні вуглецеві стали, також як леговані, можуть містити кремній, марганець, мідь, сірку, хром, фосфор, водень, азот і алюміній, тільки їх кількість значно нижче, а використовуються вони в основному для розкислення сплаву. При цьому Si і Mn вводяться для поліпшення показників міцності та фізико-хімічних властивостей. Інші речовини потрапляють в розплавлену сталь з шихти або пічних газів і відповідно вважаються шкідливими домішками. При виплавленні легованих сталей їх властивості моделюються за рахунок цілеспрямованого введення оптимізуючих речовин.

Легуючі добавки

Найбільш поширеними елементами, що використовуються для поліпшення фізичних і хімічних властивостей сталевих сплавів є: хром, марганець, нікель, кремній, вольфрам, молібден, ванадій, титан, мідь, кобальт, алюміній, бор, ніобій, цирконій, азот, миш'як, сірка і фосфор. Але, незважаючи на такий великий список, все ж найбільш використовуються лише кілька з перерахованих вище елементів.

Таблиця 1

Елемент

 

Хімічне позначення

Позначення в маркуванні

Зміст, %

Особливості застосування

Марганець

Mn

Г

1,25 – 13

Аустенітобразуюча речовина, покращує здатність сталі сприймати загартування і збільшує поріг здатності до лиття металу. Підвищує опір стиранню і ударних навантажень.

Кремній

Si

С

0,8 – 14,0

Ферітообразуючий компонент. Не впливає на в'язкі властивості, при цьому підвищує межу міцності і плинності, магнітну проникність і електропровідність. Покращує пластичність, кислотостійкість і міцність.

Алюминій

Al

Ю

0,7 – 1,2

Мінімізує процеси старіння. Підвищує пластичність.

Фосфор

P

П

0,05 – 0,35

Покращує антикорозійні властивості і оброблюваність. В кількості менше 0,03% провокує хладоламкості.

Хром

Cr

Х

0,5 – 30

Ферітообразуючий компонент. Широко використовується як самостійний легуючий агент, так і в комплексі з іншими речовинами. Його введення сприяє розширенню температурного інтервалу затвердіння, збільшує міцність і твердість без зміни показників пластичності. Зміст 1% покращує механічні властивості. З підвищенням концентрації хрому до 5% збільшується теплостійкість, а кислотостікі і жароміцні сплави вже містять більш високий відсоток хрому, який може досягати до 28%. 

Нікель

Ni

Н

1,0 – 25

Аустенітообразуючий компонент. Покращує ударну в'язкість і термоокислювальну стабільність. Підвищує здатність до загартування і стійкість до окалин.

Молібден

Mo

М

0,2 – 5,0/6,5

Значно підвищує показники твердості, міцності і пластичності. У найбільшій концентрації міститься в жароміцних сталях, а в конструкційних марках його кількість зазвичай не перевищує 0,4%. 

Вольфрам

W

В

1,0 – 18,0

Карбідообразуюча присадка, що підвищує межі міцності і твердості. Вводиться в швидкорізальні інструментальні сплави до 18% і оптимізує термоміцність і опір ударним навантаженням. 

Ванадій

V

Ф

0,15 – 2,0

Карбідообразуючий агент, який збільшує міцність і підвищує в'язкість. Сплави, що містять ванадій демонструють високоточну ударну стійкість та інертність до напруг, але дуже дорого коштують. 

Титан

Ti

Т

0,4 – 0,15

Пов'язуючи вуглець в міцні карбіди, подрібнює зерна аустеніту і знижує схильність до межкристалічної корозії. Підвищує кислототривкість і мінімізує самозакалюваність металів. 

Ніобій

Ni

Б

0,1 – 0,25

Сильно карбідообразуючий елемент. В нержавіючі сплави вводиться для мінімізації межкристалічної корозії, в марганцевисті - для зниження відпускної крихкості. 

Мідь

Cu

Д

0,5 – 4,0

Її присадка збільшує межу плинності, пластичність, опір до корозійних процесів. У суднобудуванні дозволяє ефективно вирішити проблему обростання підводної частини корпусу водоростями і мушлями.

Бор

B

Р

0,002 – 0,004

Збільшує здатність до загартування. Є кращою альтернативою для заміни дорогого молібдену і нікелю.

Кобальт

Co

К

12,0 – 50,0

Використовується для жаростійких і швидкорізальних марок. Його присадка дозволяє ріжучій площині зберігати свої властивості навіть при температурах червоного розжарювання і захищає конструктивні частини теплогенеруючих елементів від окислення при впливі агресивних середовищ і критичних температур. 

Рідко-земельні

метали

 

Ce, La

Ч

0,05 – 0,3

Одночасно виступають дегазатором і десульфураторами. Значною мірою оптимізуючи впливають на оброблюваність та фізико-хімічні властивості. Покращують вологотекучість, зварюваність і гнучкість. 

Сіра

S

--

0,1 – 0,3

Незважаючи на те, що наявність сірки активізує процеси іржавіння, вона використовується в автоматних марках для полегшення верстатної обробки. 

На замітку. Навіть в складі технічно чистого заліза обов'язково присутні близько 20 хімічних домішок. Але їх сумарна кількість не перевищує 0,25 відсотка. 

Загальна класифікація легованих сталей

Вона ґрунтується  на тому, в якій кількості добавка введена до складу сплаву, і визначає основні групи виходячи з хімічної структури, цільового призначення і унікальних властивостей. Таким чином, розрізняють наступні категорії.

Класифікація сталевих сплавів за процентним вмістом всіх легуючих компонентів:

  • не більше 2,5% - низьколеговані;
  • в інтервалі від 2,5 до 10,0% - середньолеговані;
  • більше 10% - високолеговані.

Класифікація легованих сталей за призначенням:

  • конструкційні. Використовуються для виготовлення металоконструкцій, деталей машин, агрегатів і механізмів;
  • інструментальні. Застосовуються при виготовленні високоякісного вимірювального і ріжучого інструменту і ударо-штампувального оснащення;
  • з особливими властивостями (жаростійкі, нержавіючі і інші).

У своїй професійній діяльності металурги і інженери часто вдаються до більш широкої номенклатури. Наприклад, професіоналами використовується класифікація таких сплавів по їх мікроструктурі в нормалізованому стані (перлітні, аустенітні, карбідні і мартенсістні) або в рівноважному стані (доевтектоїдні, евтектоїдні, заевтектоідні).

Характеристика легованих сталей

Фазові перетворення в твердих розчинах заліза визначаються загальними законами взаємної розчинності і міжатомних взаємодій всіх елементів, включаючи вуглець і легуючі добавки. Тому легована сталь має одночасно схожі і унікальні характеристики:

  • хімічні: жаростійкість, кислотостійкість, стійкість до іржі;
  • фізичні: теплові, магнітні, електричні;
  • спеціальні: зносостійкість, опірність повзучості.

Серед переваг, якими володіє даний металопрокат, слід виділити підвищений опір стійкості до холоду, ударним і пластичним деформаціям, поліпшена здатність сталі сприймати гартування, підвищена в'язкість. При цьому для більшості сплавів, що містять різну кількість легуючих присадок, характерно:

  • наявність залишкового аустеніту після загартовування;
  • схильність до утворення флокенів;
  • механічна міцність;
  • тугоплавкість.

На замітку. Залежно від хімічної природи елементів, що вводяться, легована сталь змінює ливарні властивості і властивості поверхневого натягу. А також знижує температуру плавлення наступним чином: 

Елемент

Зниження T для 1% елемента в рідкому р/р, ˚С

Елемент

Зниження T для 1% елемента в рідкому р/р, ˚С

Елемент

Зниження T для 1% елемента в рідкому р/р, ˚С

Углерод

90

Кремній

6

Нікель

2,9

Сіра

40

Фосфор

28

Титан

17

Марганець

1,7

Мідь

2,6

Бор

100

Хром

1,8

Молібден

1,5

Вольфрам

1

Алюміній

5

Ванадій

1,3

Кобальт

1,5

Дані таблиці показують, що в порівнянні з маловуглецевим звичайним сталевим сплавом у високолегованої марки, що містить близько 50% присадок, температура ліквідусу нижче майже на 100 ˚.

Маркування легованих сплавів і основні марки

У світовій практиці використовується кілька документів, що регламентують маркування легованих сталей. Але в будь-якому випадку вони всі припускають використання літерно-цифрових позначень. 

Стандарти країн СНД

Процентна величина масової частки вуглецю маркується першими двома цифрами без використання літерного позначення. Далі в порядку зменшення вказуються легуючі компоненти і їх частка в сплаві в середньому еквіваленті. Літерні позначення хімічних елементів вказані в таблиці 1. Легуючі присадки, кількість яких менше 1,0% вказуються тільки в розшифрованій номенклатурі, так як позначення тоді б прийняло дуже громіздкий вигляд.

Леговані сталі

З огляду на великий сортамент, також марка сталевих сплавів може включати додаткові символи, що більш розширено описують властивості або особливості: А - автоматні, Е - магнітні, Ж - нержавіючі, Р - ріжучі, Х - хромисті, Ш - шаропідшипникові, Е - електротехнічні, Я - хромонікелеві. Також маркування може допускати позначення, виключенні із загальних правил. Так, в залежності від хімічного складу конструкційні сплави поділяють на якісні та високоякісні. Наприклад, в кінці маркування буква «А» вказує, що структура сплаву особливо чиста по відношенню до вмісту фосфору і сірки, а буква «Ш» відносить їх до високоякісних.

Маркування легованих сталей для річкового і морського суднобудування часто здійснюється відповідно до ГОСТ 5521-86 і вимог Міжнародної асоціації класифікаційних товариств. Це означає, що такі сплави класифікують на категорії A, B, D і Е з урахуванням межі плинності, показниками міцності, крихкості і опору ударним навантаженням.

Європейські стандарти

EN 10027 визначає порядок позначення всіх сталей. Леговані сплави мають маркування 1.20ХХ - 1.89ХХ, де перша цифра визначає, що даний матеріал відноситься до сталей, друга і третя цифра визначають номер групи сталей і дві останні - порядковий номер сплаву в цій групі. Наприклад, категорія інструментальних сталей ідентифікується як 1.20ХХ - 1.28ХХ, а нержавіючих як 1.40ХХ - 1.45ХХ.

Північноамериканські стандарти ASTM/ASME і AISI

У США діє найбільш велика система маркування стальних сплавів. Наприклад, маркування ASTM передбачає позначення основних хімічних елементів, межу міцності і форму прокату. В системі AISI використовують 4 цифри, де перші дві вказують номер групи, дві наступні - відсоткову частку вуглецю. Літерні символи демонструють наявність відповідних присадок.

Марки, найбільш затребувані в інжинірингу

  • 09Г2С - низьколегована сталь, що поєднує механічну міцність, гарну оброблюваність і доступну вартість;
  • S355AR - конструкційна марка, що широко використовується в машинобудуванні і будівництві;
  • 40Х та її аналог AISI 5135 - основний конструкційний матеріал для виготовлення деталей і устаткування промислового сектора і трубопровідної арматури;
  • 10Г2С1 - кремнемарганцевая марка, що демонструє стійкість до низьких температур, непогану здатність до зварювання і підвищену корозійну стійкість, завдяки чому затребувана при спорудженні мостів, газопроводів і об'єктів підвищеної надійності;
  • 10Х11Н23Т3МР - жароміцний сплав з аустенітного класу, що використовується для виробництва пружин, деталей кріплення і зварювальних електродів.

Використання легованих сталей

Сьогодні практично неможливо перерахувати всі сфери, де застосовується легована сталь. Це тракторобудування та машинобудування, хіміко-технологічний і промислово-виробничий комплекс, нафтогазовидобувна галузь і сільське господарство. наприклад:

  • зі сплавів, що містять хром виготовляють деталі для обладнання, яке експлуатується в умовах прямого або ймовірного контакту з агресивними середовищами: плунжера і шліци, вали і зубчасті колеса, поршневі пальці і карданні хрестовини;
  • низьколеговані конструкційні сплави найчастіше затребувані в будівництві, масово використовується при спорудженні каркасних металоконструкцій і для виготовлення труб, сортового і фасонного металопрокату. Незважаючи на великий сортамент, легована сталь марки 09Г2С і S355AR є найбільш використаної в цій сфері;
  • інструментальний сплав - універсальний матеріал для клейм, прес-форм, еталонних калібрів і штампів. А з ледебуритних марок виготовляються швидкоріжучі інструменти і шарошечні долота.

Також не варто забувати, що фізичні особливості легованих сплавів проявляються в термообробленому стані. Саме тому їх широко використовують для деталей, що будуть піддаватися високому термічному впливу, високошвидкісних і важко навантажених пар тертя.

У зв'язку з інтенсивним розвитком сучасних технічних галузей, легована сталь застосовується в цивільній та військовій авіації, в турбобудуванні і в альтернативній електроенергетиці. Також можна купити метал в Україні, а саме леговану сталь для виготовлення мультикоптерів і безпілотників, ядерних реакторів, ракетно-космічних систем. У той же час стрімке розширення сфери застосування легованих сталей обумовлює посилення вимог до їх якості і мотивує до розробки нових сплавів.