Легування сталі: що й до чого

В промисловості застосовуються сотні міжнародних та національних груп стандартів на сталеву продукцію. Кожна галузь виставляє специфічні вимоги до властивостей металопрокату, тому для них в межах цих нормативних систем існують власні гілки регламентуючих документів. Відповідно, кількість марок сталі, які використовуються світовими споживачами, вимірюється тисячами. Й непідготовленій людині доволі складно одразу розібратися й обрати матеріали, потрібні для того чи іншого застосування.

Тому в рамках блогу на офіційному сайті компанії Метінвест-СМЦ ми намагаємося простими словами роз’яснювати читачам особливості виготовлення та використання різних видів металопродукції, специфіку проведення механічних випробувань та інші нюанси, пов’язані з якісними та експлуатаційними параметрами сталевого прокату.

Цього разу пропоную розібратися з такою цікавою темою як легування сталі. Впевнений, багато хто чув такий термін, але й досі не дуже розуміє, що саме він означає і навіщо взагалі ускладнювати життя, занурюючись в такі «сталеві хащі». Але хочу сказати, що мінімальні знання в цій області дозволять пересічним споживачам не тільки заощадити власні кошти під час закупівлі металу, але й в багатьох випадках значно підвищити експлуатаційну стійкість та довговічність кінцевих металевих конструкцій та виробів.

Види домішок у сталі

Сталь – це багатокомпонентний сплав. Масова частка заліза в ньому перевищує долю будь-якого іншого окремого хімічного елементу, а вміст вуглецю звичайно не перевищує 2,14% (деякі марки можуть вміщувати більше 2,14% вуглецю, але це скоріше виключення, ніж правило). Окрім заліза та вуглецю, сталь у своєму складі має ряд домішок, які за своєю природою розділяють на наступні групи:

1. Постійні (звичайні) домішки – елементи, присутні в будь-якій сталі. Вони поділяються на:

• Ті, введення яких потрібне під час виробництва (це переважно марганець, кремній та інші розкислювачі);
•  Ті, від яких неможливо повністю звільнити розплав під час масового виробництва (до таких домішок перш за все відносять сірку та фосфор, що потрапляють до сталі з шихтовими матеріалами, паливом та ін.);

2. Випадкові домішки – елементи, що потрапляють до складу сталі несистемно через якісь випадкові причини (наприклад, свинець, олово та цинк, що можуть потрапити до розплаву із стороннім металевим брухтом);

3. Приховані домішки – елементи, присутні в складі сталі в дуже малих кількостях. Методи їхнього виявлення складні й у більшості випадків їхній вміст не оцінюється й не обумовлюється у нормативно-технічній документації (це можуть бути рідкоземельні метали, гази та інші складові);

4. Легуючі елементи – хімічні компоненти, які в певній концентрації спеціально додаються до сталі з метою коригування її структури та властивостей.

Деякі елементи можуть одночасно відповідати декільком з вищезазначених груп. В цьому випадку дивляться на загальну концентрацію домішки та причину її потрапляння до складу сплаву. Відповідно, сталі, до складу яких цільовим чином вводять легуючи добавки для отримання необхідних параметрів якості, називають легованими сталями.

Класифікація сталей за хімічним складом

Систем класифікації залізовуглецевих сплавів за хімічним складом у світі існує доволі багато. Але одним з ключових міжнародних нормативних документів, що стосуються визначення та класифікації сталей, є європейський стандарт EN 10020 (в Україні з 2007 року діє повністю ідентичний ДСТУ EN 10020). Відповідно до нього визначаються граничні значення вмісту хімічних елементів в плавковому аналізі сталі (див. таблицю нижче), які розділяють марки на наступні групи:

1.   Нелеговані сталі, в яких масова частка окремих елементів не досягає граничних значень, вказаних в таблиці. Ця група розділяє марки за класами якості на нелеговані якісні сталі та нелеговані спеціальні сталі;
2.   Неіржавіючі сталі, в яких міститься щонайменше 10,5% хрому й не більше 1,2% вуглецю;
3.   Інші леговані сталі, які не належать до неіржавіючих, але при цьому масова частка хоча б одного окремого елементу досягає або перевищує значення, наведені в таблиці. Ці сплави також за якісними характеристиками поділяють на леговані якісні сталі та леговані спеціальні сталі.

Граничний вміст хімічних елементів, за яким розмежовують нелеговані та леговані сталі відповідно до ДСТУ EN 10020 (плавковий аналіз)

Якщо в стандартах, за технічними умовами яких виробляється та чи інша металева продукція, є власні класифікація та позначення відповідних марок сталі, то виробнику та споживачу треба користуватися ними. Але якщо в європейських нормативно-технічних документах така інформація відсутня, то необхідно застосовувати класифікацію, надану в EN 10020. У випадку, коли в стандартах або технічних умовах немає точних даних щодо хімічного складу, підставою для класифікації є фактичні результати хімічного аналізу ковшової проби.

Результати аналізу готового сталевого виробу можуть відхилятися від плавкового аналізу в межах, обумовлених відповідними технічними нормами на продукцію. Але такі відхилення не впливають на розділення сталі на леговану або нелеговану. В разі, коли фактичний аналіз виробу відповідає іншому класу, приналежність продукту до раніше визначеного класу необхідно підтвердити достовірно (наприклад, стороння експертиза відповідним органом, що має належну акредитацію).

Легуючі елементи та їхній вплив на властивості сталі

Легуючі елементи в сталі можуть створювати з залізом тверді розчини, легований цементит або власні спеціальні карбіди та інтерметалічні сполуки. В залежності від цього вони по-різному впливають на структурні та фазові перетворення під час виплавляння, прокатування та інших видів обробки сталевих продуктів. І, відповідно, їхній вклад в кінцеві механічні, технологічні або експлуатаційні властивості виробу також відрізняється.

В таблицях нижче ви можете побачити, на які параметри сталі впливають ті чи інші хімічні компоненти. Позначення «++» показує, що елемент значно покращує властивості; «+» - покращує властивості; «0» - суттєво не впливає; «-» - погіршує властивості; «--» - значно погіршує властивості.

Вплив легуючих елементів та домішок на механічні властивості сталей

Вплив легуючих елементів та домішок на технологічні властивості сталей

Джерело: Довідник конструктора металічних конструкцій/ В.Т. Васильченко, А.Н. Рутман, Е.П. Лук’яненко.- К.: Будівельник, 1980

В багатьох випадках для забезпечення необхідних параметрів сталевих конструкцій і деталей достатньо використовувати нелеговані сплави. Далеко не завжди залучення саме легованих сталей є доречним з економічної або технологічної точки зору. Оскільки додавання того чи іншого компоненту завжди підвищує собівартість виробництва, ціна легованого прокату завжди вища за аналог з вуглецевої сталі. Тому доцільність застосування тієї чи іншої марки в конкретному проектному рішенні необхідно оцінювати як с технічного, так й з економічного боку.

Наприклад, ефект від використання легованих матеріалів може мати місце, коли:

•   кінцевий виріб працює в складних умовах навантаження та/або агресивних зовнішніх впливів (корозійне середовище, наднизькі температури, абразивне зношування тощо), що потребує специфічного комплексу експлуатаційних характеристик, недосяжних для нелегованих аналогів;
•   є необхідність забезпечити певні структуру та властивості сталі для виконання деяких технологічних операцій під час виготовлення виробу (наприклад, високу пластичність для штампування складного профілю кузова при виготовленні автівки);
•   необхідно знизити загальну металоємність конструкції/ деталі/ елементу, чого не можна досягнути при використанні нелегованих сплавів (як приклад, використання термомеханічно зміцнених марок при виготовленні вантажних вагонів та цистерн);
•   виріб з нелегованої сталі має обмежену довговічність і є задача підвищити строк його експлуатації.

Таким чином, доцільність застосування тієї чи іншої марки в конкретному проектному рішенні необхідно оцінювати як с технічного, так й з економічного боку. Під час вибору матеріалу також слід спиратися на існуючі галузеві технічні норми, які можуть вказувати конкретні властивості та хімічний склад сталі. Але якщо після всіх оцінок та розрахунків у вас все одно залишилися питання щодо використання металопрокату, рекомендую вам звернутися до фахівців Метінвест-СМЦ за телефоном 0800-30-30-70 або через офіційний сайт. Тут вам допоможуть знайти оптимальне рішення й організувати закупівлю та доставку обраної сталевої продукції.