Что добавляют в сталь для прочности

Обновлено: 27.04.2024

Каждый отдельный элемент придает стали в зависимости от его доли определенные специфические свойства. В случае присутствия нескольких элементов эффект может быть увеличен. Но существуют варианты сплавов, в которых отдельные элементы в отношении определенного поведения оказывают свое влияние не в одном направлении, а могут противодействовать друг другу. Наличие легирующих элементов в стали создает только предпосылку для желаемых свойств; их можно достичь лишь с помощью переработки и тепловой обработки. Ниже перечислены главные виды влияния, которые оказывают на сталь легирующие и сопутствующие элементы.

Алюминий (Al) Температура плавления 658° C

Это наиболее сильное, очень часто применяемое дезоксидационное и, кроме этого, денитрирующее средство; благодаря этому оно очень благоприятно воздействует на нечувствительность к старению. В небольших добавках он поддерживает образование мелких зерен. Поскольку Al образовывает с азотом нитриды высокой твердости, он является преимущественно легирующим элементом в азотированной стали. Он повышает стойкость к окалинам и поэтому часто добавляется в ферритную жаростойкую сталь. В нелегированной углеродной стали можно с помощью „алитирования“ (добавления Al в поверхность) повысить стойкость к окалинам. Al сильно суживает - зону. Из-за сильного повышения коэрцитивной силы алюминий является легирующим элементом в магнитотвердых сплавах железа, никеля, кобальта, алюминия.

Свинец (Pb) Температура плавления 327.4° C

Добавляется в автоматную сталь в содержании прибл. 0.2-0.5%, поскольку благодаря его чрезвычайно тонкому суспензионному распределению достигается образование краткой стружки и чистой поверхности разреза. Указанные содержания свинца практически не влияют на механические свойства стали.

Бор (B) Температура плавления 2300° C

Поскольку бор имеет большое эффективное поперечное сечение для абсорбции нейтронов, им легируют сталь для регуляторов и экранов в установках по атомной энергии. Аустенитная 18/8 CrNi-сталь может с помощью бора благодаря дисперсионному твердению получить более высокий предел текучести при растяжении и прочность, при чем уменьшается антикоррозионная стойкость. Вызванные бором выделения улучшают прочность высокожаропрочных типов аустенитной стали в зоне повышенных температур. В строительной стали этот элемент улучшает глубокую цементацию и вызывает, таким образом, повышения прочности зерна цементируемой стали. Следует рассчитывать на сокращение сварочных работ в легированной бором стали.

Хром (Cr) Температура плавления 1857° C

Cr делает сталь способной к закалке в масле и воздухе. Вследствие понижения необходимой для образования мартензитов критической скорости охлаждения он повышает закаливаемость и улучшает, таким образом, способность к повышению качества. Однако ударная вязкость уменьшается, но сокращает растяжение лишь немного. Свариваемость сокращается в чистой хромовой стали при увеличении содержания хрома. Прочность стали на растяжение повышается на 80-100 н/мм на каждый 1% Cr. Cr является образователем карбида. Его карбиды повышают стойкость к режущим инструментам и износостойкость. Термическая стойкость и стойкость к напорному водороду увеличиваются благодаря хрому. В то время, как увеличение содержания хрома повышает стойкость к окалинам, для антикоррозионной стойкости стали необходимо минимальное содержание хрома прибл. 13%, который должен быть растворен в матрице. Элемент отсекает зону и расширяет, таким образом, ферритную зону; стабилизирует аустенит в аустенитной стали Cr-Mn- или Cr-Ni. Теплопроводимость и электрическая проводимость уменьшаются. Тепловое расширение понижается (сплавы для впаивания в стекло). При одновременно более высоком содержании углерода содержание хрома до 3% повышает остаточный магнетизм и коэрцитивную силу.

Углерод (C) Температура плавления 3540° C

Углерод является наиболее важным и влиятельным легирующим елементом в стали. Наряду с углеродом каждая нелегированная сталь содержит кремний, марганец, фосфор и серу, которые добавляются при изготовлении непреднамеренно. Добавление дальнейших легирующих элементов для достижения особых эффектов, а также сознательное повышение содержания марганца и кремния вызывает образование легированной стали. При увеличении содержания углерода повышаются прочность и твердость стали, напротив его расширение, ковкость и обрабатываемость уменьшаются (режущими инструментами). Углерод практически не влияет на антикоррозионную стойкость к воде, кислотам и горячим газам.

Медь (Cu) Температура плавления 1084° C

Медь добавляется только к небольшому количеству сортов стали, поскольку она обогащается под слоем окалины и вследствие проникновения в пределы ядра вызывает большую нечувствительность поверхности при процессах тепловой деформации, поэтому она рассматривается частично как вредитель для стали. Предел текучести при растяжении и соотношение предела текучести при растяжении и прочности повышаются. Содержание выше 0.30% может вызвать дисперсионное твердение. Закаливаемость улучшается. Медь не влияет на сварочные работы. В нелегированной и слаболегированной стали благодаря меди достигается значительное улучшение стойкости к атмосферным явлениям.

Марганец (Mn) Температура плавления 1221° C

Марганец дезоксидирует. Он связывает серу как сульфиды марганца и сокращает, таким образом, неблагоприятное влияние сульфида железа. Это имеет особое значение при автоматной стали: опасность красноломкости уменьшается. Марганец очень сильно сокращает скорость охлаждения и, таким образом, повышает закаливаемость. Предел текучести при растяжении, а также прочность благодаря марганцу повышаются, кроме этого, марганец благоприятно влияет на ковкость и свариваемость и сильно увеличивает глубину прокаливемости. Содержание выше 4% вызывают также при медленном охлаждении образование хрупкой мартензитной структуры, так что легирующая зона почти не используется. Сталь с содержанием марганца выше 12% являются при одновременном высоком содержании углерода аустенитной, потому что марганец значительно расширяет зону. Такие виды стали получают при ударной нагрузке поверхности очень высокое холодное упрочнение, в то время, как ядро остается вязким; поэтому они при ударном воздействии имеют высокую износостойкость. Сталь с содержанием марганца выше 18% остаются немагнетизируемыми также после сравнительно сильной холодной обработки давлением и применяется как специальная сталь и как вязкая в холодном состоянии сталь при температурной нагрузке. Под влиянием марганца повышается коэффициент теплового расширения, в то время, как тепловая проводимость и электрическая проводимость понижаются.

Молибден (Mo) Температура плавления 2622° C

Молибден легируют преимущественно вместе с другими элементами. Вследствие сокращения критической скорости охлаждения улучшается закаливаемость. Молибден существенно уменьшает хрупкость отпуска, например, в хромо-никелевой и марганцевой стали, способствует образованию мелкого зерна и благоприятно влияет также на свариваемость. Повышение предела текучести при растяжении и прочности. При высоком содержании молибдена затрудняется ковкость. Сильный образователь карбида; благодаря этому улучшаются режущие свойства быстрорежущей стали. Он принадлежит к тем элементам, которые повышают антикоррозионную стойкость и поэтому часто используется в высоколегированной хромовой стали и аустенитной хромо-никелевой стали; высокое содержание молибдена уменьшает склонность к сквозной коррозии. Очень сильное сужение зоны; повышение теплостойкости, стойкость к окалинам сокращается.

Никель (Ni) Температура плавления 1453° C

Вызывает в строительной стали значительное повышение ударной вязкости образца с надрезом и поэтому легируется для повышения вязкости в цементируемой, улучшенной и вязкой в холодном состоянии стали. Все точки преобразований (A1-A4), понижаются под влиянием никеля; он является образователем карбида. Благодаря сильному расширению зоны никель в химически стойкой стали с содержанием больше 7% придает аустенитную структуру до уровня ниже комнатной температуры. Сам никель с высоким процентным содержанием делает сталь только инертной к коррозии, в аустенитной хромо-никелевой стали создает стойкость к влиянию восстанавливающихся химикатов; стойкость этих видов стали достигается благодаря хрому. Аустенитная сталь имеет при температурах выше 600° C более высокую теплостойкость, поскольку температура её рекристаллизации высокая; она практически не намагничивающаяся. Тепловая проводимость и электрическая проводимость сильно уменьшаются. Высокое содержание никеля в точно ограниченных легирующих зонах создают физическую сталь с определенными физическими свойствами, например, температурное расширение (тип инвар).

Фосфор (P) Температура плавления 44° C

Рассматривается преимущественно как вредитель стали, поскольку фосфор вызывает сильную первичную сегрегацию при затвердении плавки и возможность вторичной сегрегации в твердом состоянии вследствие сильного отсекания зоны. Вследствие сравнительно небольшой скорости диффузии, как и в альфа-, так и в гамма–твёрдом растворе (смешанном кристалле) указанные сегрегации могут с трудом уравновешиваться. Поскольку вряд ли возможно достичь гомогенного распределения фосфора, стремятся удерживать содержание фосфора на очень низком уровне и соответственно в высококачественной стали достигать верхний предел 0.03-0.05%. Размер сегрегации нельзя определить с точностью. Фосфор повышает уже в минимальном содержании чувствительность к хрупкости отпуска. Фосфорная хрупкость увеличивается при увеличении содержания углерода, при увеличении температуры твердения. Размера зерна и при уменьшении степени уковки. Хрупкость появляется как хладноломкость и чувствительность к ударной нагрузке (склонность к хрупкому разрушению). В слаболегированной строительной стали с содержанием углерода прибл. 0.1% фосфор повышает прочность и антикоррозионную стойкость к атмосферным явлениям; медь поддерживает улучшение антикоррозионной стойкости (инертная к коррозии сталь). Добавки фосфора в аустенитную хромо-никелевую сталь вызвать повышение предела текучести при растяжении и эффекты выделения.

Сера (5) Температура плавления 118 0 С

Из всех примесей в стали даёт самую сильную ликвацию. Сульфид железа приводит к красноломкости, или «горячеломкости». поскольку низкоплавкая сульфидная эвтектика в виде сетки охватывает кристаллиты, так что имеет место низкое сцепление последних, и при горячей деформации преимущественно разрушаются границы зерен; эффект усиливается под действие кислорода. Сера имеет особенно высокое сродство к марганцу, ее связывают в виде сульфида марганца, поскольку из всех присутствующих обычно включений он является наименее опасным, распределен в стали точечно и имеет высокую температуру плавления. Сера в среднем существенно снижает вязкость. Серу намеренно добавляют в сталь автоматной обработки в количестве до 0.4%, поскольку благодаря смазывающему действию на режущую кромку уменьшение трения между заготовкой и инструментом позволяет достичь повышения его стойкости. Кроме того, у
автоматных сталей при обработке резанием образуется короткая стружка. Сера усиливает склонность к образованию сварочных трещин.

Кремний (5i) Температура плавления 1414 0 С

Кремний, аналогично марганцу, содержится в любой стали, так как уже железные руды в зависимости от состава вносят его соответствующее количество. Также и собственно при производстве стали кремний из огнеупорной футеровки печи переходит в расплав. Однако кремнистыми называют только такие стали, которые содержат более 0.40% кремния. Кремний не является металлом, но так называемым металлоидом, как, например, фосфор и сера. Кремний раскисляет. Он благоприятствует выпадению графита и сильно сужает гамма-область, повышает
прочность и износостойкость (кремниймарганцовые улучшаемые стали); сильное повышение предела упругости, поэтому целесообразен в качестве легирующей добавки в пружинные стали. Кремний значительно повышает окалиностойкость, так что им легируют жаростойкие стали. Однако вследствие отрицательного влияния на деформацию в горячем и холодном состоянии допустимые содержания ограничиваются. При 12% кремния достигается дополнительная кислотостойкость, однако такие марки могут быть изготовлены только в виде очень твердых и хрупких
отливок, которые могут быть обработаны только шлифованием. Вследствие сильного снижения электропроводности, коэрцитивной силы и активных потерь кремний используется в электротехнических листовых сталях.

Азот (N) Температура плавления –210° C

Этот элемент может проявляться как вредитель для стали, и как легирующий элемент. Вредитель из-за уменьшения вязкости вследствие процессов выделения, увеличения чувствительности к старению и синеломкости (деформация в диапазонах голубой теплоты 300-350° C), а также из-за возможности появления межкристаллитного коррозионного растрескивания в нелегированой и низколегированной стали. В качестве легирующего элемента азот расширяет зону и стабилизирует аустенитную структуру; повышает в аустенитной стали прочность и прежде всего предел текучести при растяжении, а также механические свойства в теплоте. Азот позволяет получить высокую твердость поверхности благодаря образованию нитридов при нитрировании (нитрирование).

Титан (Ti) Температура плавления 1680° C

Благодаря своему высокому химическому сродству с кислородом, серой и углеродом имеет сильное дезоксидирующее действие, сильное денитрирующее действие, серообразующее и сильное карбидобразующее действие. Широко используется в стойкой к коррозии стали в качестве образователя карбида для стабилизации по отношению к межкристаллитной коррозии; имеет, кроме этого, зерноизмельчающие свойства. Tитан очень сильно сужает y-зону. Он в более высоких долях вызывает процессы выделения и благодаря достижению высокой коэрцитивной силы добавляется в магнитотвердые сплавы. Титан повышает длительную прочность благодаря образованию специальных нитридов. Однако титан имеет сильную склонность к сегрегации и образованию строк.

Ванадий (V) Температура плавления 1910° C

Измельчает первичное зерно и, таким образом, структуру литья; сильный образователь карбида, вследствие чего появляется увеличение износостойкости, режущей способности и теплостойкости; поэтому предпочитается использование в качестве дополнительного легирующего элемента в быстрорежущей, теплообрабатываемой и теплостойкой стали. Значительное улучшение твердости после отпуска, уменьшение чувствительности к перегреву. Поскольку ванадий измельчает зерно и вследствие образования карбида тормозит воздушную закалку, он повышает ковкость улучшенной стали. Благодаря образованию карбида повышение стойкости к напорному водороду. Ванадий сужает – зону и перемещает коэффициент Кюри к более высоким температурам.

Легирующие элементы и примеси в сталях: краткий справочник

Характеристики углеродистых сталей далеко не всегда соответствуют требованиям, которые предъявляют к материалам различные отрасли промышленности. Чтобы откорректировать их свойства, используют легирование.

Чем отличаются легирующие элементы от примесей

В углеродистых сталях, помимо основных элементов – железа и углерода, есть и другие: марганец, сера, фосфор, кремний, водород и прочие. Их считают примесями и делят на несколько групп:

К постоянным относят серу, фосфор, марганец и кремний. Они всегда содержатся в стали в небольших количествах, попадая в нее из чугуна или используясь в качестве раскислителей.
К скрытым относят водород, кислород и азот. Они тоже присутствуют в любой стали, попадая в нее при выплавке.
К случайным относят медь, мышьяк, свинец, цинк, олово и прочие элементы. Они попадают в сталь из шихтовых материалов и считаются особенностью руды.

Для каждой из перечисленных примесей характерно определенное процентное содержание. Так, марганца в стали, как правило, не более 0,8 %, кремния – не более 0,4 %, фосфора – не более 0,025 %, серы – не более 0,05 %. Если обычного содержания некоторых элементов недостаточно, для получения сталей с нужными свойствами в них дополнительно вносят в определенных количествах специальные примеси, которые называют легирующими добавками.

Химический состав стали, формируемый в процессе выплавки, напрямую влияет на ее механические свойства

Как примеси влияют на свойства сталей

Примеси оказывают разное влияние на характеристики сталей:

Углерод (С) повышает твердость, прочность и упругость сталей, но снижает их пластичность.
Кремний (Si) при содержании в стали до 0,4 % и марганец при содержании до 0,8 % не оказывают заметного влияния на свойства.
Фосфор (P) увеличивает прочность и коррозионную стойкость сталей, но снижает их пластичность и вязкость.
Сера (S) повышает хрупкость сталей при высоких температурах, снижает их прочность, пластичность, свариваемость и коррозионную стойкость.
Азот (N₂) и кислород (O₂) уменьшают вязкость и пластичность сталей.
Водород (H₂) повышает хрупкость сталей.

Как легирующие элементы влияют на свойства сталей

Легирующие добавки вводят в стали для изменения их характеристик:

Хром (Cr) повышает твердость, прочность, ударную вязкость, коррозионную стойкость, электросопротивление сталей, одновременно уменьшая их коэффициент линейного расширения и пластичность.
Никель (Ni) увеличивает пластичность, вязкость, коррозионную стойкость и ударную прочность сталей.
Вольфрам (W) повышает твердость и прокаливаемость сталей.
Молибден (Mo) увеличивает упругость, коррозионную стойкость, сопротивляемость сталей растягивающим нагрузкам и улучшает их прокаливаемость.
Ванадий (V) повышает прочность, твердость и плотность сталей.
Кремний (Si) увеличивает прочность, упругость, электросопротивление, жаростойкость и твердость сталей.
Марганец (Mn) повышает твердость, износоустойчивость, ударную прочность и прокаливаемость сталей.
Кобальт (Co) увеличивает ударную прочность, жаропрочность и улучшает магнитные свойства сталей.
Алюминий (Al) повышает жаростойкость и стойкость сталей к образованию окалины.
Титан (Ti) увеличивает прочность, коррозионную стойкость и улучшает обрабатываемость сталей.
Ниобий (Nb) повышает коррозионную стойкость и устойчивость сталей к воздействию кислот.
Медь (Cu) увеличивает коррозионную стойкость и пластичность сталей.
Церий (Ce) повышает пластичность и прочность сталей.
Неодим (Nd), цезий (Cs) и лантан (La) снижают пористость сталей и улучшают качество поверхности.

Виды легированных сталей

В зависимости от содержания легирующих элементов, стали делят на три вида:

Если легирующих элементов менее 2,5 %, стали относят к низколегированным.
При их содержании от 2,5 до 10 % стали считаются среднелегированными.
Если легирующих элементов более 10 %, стали относят к высоколегированным.

Заключение

Примеси неизбежно присутствуют в сталях, но ряд из них являются вредными (к ним относятся скрытые примеси), поэтому их содержание стараются минимизировать. Легирующие элементы добавляют в стали целенаправленно для улучшения их свойств или получения специфических характеристик.

Как химический состав сталей влияет на их механические свойства?

На сегодняшний день сталеплавильные заводы могут выплавлять сотни марок сталей. Есть четыре основных параметра для их классификации:

По назначению стали могут быть конструкционными, инструментальными или специальными. Первые используют для изготовления деталей машин или элементов строительных конструкций; инструментальные оптимальны для изготовления мерительного, режущего или штампового инструмента; специальные востребованы для получения жаропрочных, коррозионностойких и прочих изделий с особыми характеристиками.
По качеству различают стали обыкновенные, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Чем выше качество, тем меньше в стали вредных примесей, ухудшающих ее свойства.
По степени раскисления стали бывают кипящими, полуспокойными и спокойными. Такое деление тоже связано с количеством вредных примесей. В первую очередь – кислорода.
По химическому составу различают углеродистые и легированные стали. У первых механические свойства напрямую зависят от количества содержащегося в них углерода, у вторых – от наличия и содержания легирующих элементов.

Характеристики сталей формируются в процессе их выплавки

Какие элементы могут входить в состав сталей

Элементы, которые входят в состав сталей, можно разбить на три группы:

К первой относятся основные элементы, которые обязательно присутствуют во всех сталях: железо и углерод.
Ко второй – примеси. Их в свою очередь можно разделить еще на три группы:

Фосфор, сера, кремний и марганец по-разному влияют на свойства сталей, но всегда есть в небольших количествах, поэтому их относят к постоянным.
Кислород, водород и азот тоже есть во всех сталях, но все они нежелательны и отрицательно влияют на свойства. Их относят к скрытым.
Мышьяк, медь, цинк, свинец, олово и ряд других элементов встречаются не в каждой марке стали. Их присутствие – особенность месторождений, где добывают руду. Такие примеси считают случайными.

К третьей группе относят легирующие элементы: хром, ванадий, молибден, вольфрам и прочие. Их целенаправленно добавляют в стали для получения нужных свойств.

Как различные химические элементы влияют на свойства сталей

Химические элементы по-разному влияют на механические свойства сталей:

Основные элементы:

Углерод (С) оказывает прямое влияние на способность стали сопротивляться деформации. При увеличении его содержания возрастают твердость, прочность и упругость, но одновременно снижаются свариваемость, обрабатываемость и вязкость.

Примеси:

Фосфор (Р) оказывает положительное влияние на коррозионную стойкость, обрабатываемость и прочность сталей, но ухудшает их вязкость, пластичность и повышает хрупкость при низких температурах.
Сера (S) улучшает обрабатываемость сталей резанием, но повышает их хрупкость при высоких температурах, снижает коррозионную стойкость, пластичность, истираемость, свариваемость и сопротивление усталости.
Кремний (Si) способствует повышению прочности, упругости, окалиностойкости, кислотостойкости, твердости и электросопротивления, но при содержании более 2 % делает их хрупкими при высоких температурах.
Кислород (О₂) снижает вязкость и пластичность сталей.
Марганец (Mn) считается полезной примесью: он нейтрализует вредное влияние на свойства сталей серы и кислорода. Кроме того, этот элемент повышает прочность, твердость, износоустойчивость и стойкость к ударным нагрузкам.
Водород (Н₂) увеличивает хрупкость сталей.
Азот (N₂) оказывает такое же вредное влияние на свойства сталей, как и кислород: снижает их вязкость и пластичность.
Медь (Cu) улучшает пластичность и коррозионную стойкость.
Свинец (Pb) улучшает обрабатываемость.
Цинк (Zn) повышает коррозионную стойкость сталей.
Олово (Sn) снижает пластичность и повышает хрупкость сталей.
Мышьяк повышает коррозионную стойкость, но незначительно снижает их пластичность.

Прочность и долговечность зависят от механических свойств металлопроката, которые задаются химическим составом сталей

Легирующие элементы:

Хром (Cr) увеличивает твердость, коррозионную стойкость, ударную вязкость, истираемость, жаростойкость, улучшает режущие свойства сталей, но одновременно ухудшает их теплопроводность и пластичность.
Ванадий (V) способствует росту прочности и твердости, улучшению их свариваемости.
Молибден (Мо) улучшает антикоррозионные свойства сталей, их прочность, твердость, устойчивость к ударным нагрузкам, упругость, окалиностойкость, но ухудшает свариваемость.
Вольфрам (W) увеличивает твердость, сопротивление истираемости, антикоррозионные свойства, но, как и молибден или ванадий, ухудшает свариваемость.
Ниобий (Nb) положительно влияет на коррозионную стойкость и кислотостойкость сталей.
(Ti) увеличивает пластичность, прочность, антикоррозионные свойства сталей, улучшает их обрабатываемость.
Никель (Ni) способствует увеличению упругости, прочности, коррозионной стойкости, улучшает ковкость сталей, но снижает их теплопроводность.
Кобальт (Co) положительно влияет на показатели жаропрочности, их сопротивляемость ударным нагрузкам и магнитные свойства.
Алюминий (Al) считается хорошим раскислителем. Он способствует повышению прочности, твердости, окалиностойкости и жаростойкости сталей.
Церий (Се) положительно влияет на показатели пластичности и прочности.
Неодим (Nd) уменьшает количество серы в сталях и снижает ее вредное влияние на свойства, уменьшает пористость, улучшает качество поверхности. Аналогичное влияние на характеристики сталей оказывают лантан (La) и цезий (Cs).

Химические элементы могут ухудшать или улучшать отдельные характеристики сталей. Часть из них неизбежно оказывается в их составе, другие добавляют целенаправленно. От правильно подобранного баланса и зависят конечные свойства сталей.

Легирование стали

Сталь представляет собой сплав железа (не меньше 45%) и углерода (до 2,14%). Последний повышает прочностные характеристики металлов, при этом, если сравнивать с химически однородным металлом, понижает их пластичность. В процессе производства стали концентрация углерода специально доводится до необходимых значений. Контроль за содержанием углерода позволяет получать несколько видов стали:

Низкоуглеродистую – содержание углерода не более 0,25%.
Среднеуглеродистую – не более 0,6%.
Высокоуглеродистую – 0,6 – 2,14%.

В металле также могут обнаруживаться и иные примеси, поэтому стали классифицируются как легированные и нелегированные. Последние представляют собой железно-углеродный сплав, в составе которого присутствуют и другие элементы в виде примесей или добавок меньше установленного предельного содержания.

Легированные стали

Элементы, содержание которых превышает обычное предельное значение, указанное в стандартах, называются легирующими добавками. Изменение химического состава металла путем введения легирующих добавок называется легированием стали. Основные цели легирования:

повышение прокаливаемости;
получение специфических прочностных свойств;
вызов желаемых структурных изменений;
получение специальных химических или физических свойств;
улучшение и упрощение технологии термообработки;
повышение коррозионной стойкости и устойчивости к различным температурам.

Исходя из вышесказанного следует, что легирование стали – это металлургический процесс плавки, в ходе которого в него вводятся различные добавки. Добавление легирующих элементов производится двумя способами:

Объемным – компоненты проникают в глубинную структуру материала путем их добавления в шихту или расплав.
Поверхностный – введение легирующих компонентов только верхний слой стали, на глубину 1-2 мм. Такой способ придает материалу определенные свойства, к примеру, антифрикционные.

Легирующие элементы

Хром – увеличивает прочность и твердость, повышает ударную вязкость. В инструментальные стали добавляется для повышения прокаливаемости. В случае нержавеющих сталей – определяет коррозионную стойкость.
Никель – повышает прочность и твердость при сохранении высокой ударной вязкости. Понижает пороговую температуру хрупкости. Это влияет на хорошую прокаливаемость сталей, особенно при участии хрома и молибдена.
Марганец - повышает твердость и прочность за счет пластических свойств. Марганцевая сталь характеризуются повышенным пределом упругости и более высокой стойкостью к истиранию.
Кремний – в металлургическом процессе играет роль раскислителя. Его добавление увеличивает прочность и твердость стали.
Молибден – повышает прокаливаемость сталей больше, чем хром и вольфрам. Уменьшает хрупкость металла после высокого отпуска.
Алюминий – сильно раскисляет, предотвращает рост аустенитных зерен.
Титан – понижает зернистость, что приводит к большей устойчивости к появлению расколов и трещин. Улучшает восприимчивость к металлообработке.

Легирующих добавок может быть несколько, и для получения тех или иных характеристик их введение может производиться на разных этапах плавки.

Помимо того, что в состав стали вводят различные добавки, в самом материале также присутствуют примеси, которые полностью убрать из состава невозможно:

Углерод – способствует повышению твердости, прочности и ударостойкости. Однако его превышение в составе металла понижает пластичность и все вышеперечисленные характеристики.
Марганец – раскислитель, защищающий от кислорода и серы.
Сера – высоким считается ее содержание выше 0,6%, что плохо сказывается на пластичности, прочности, свариваемости и коррозионной устойчивости.
Фосфор – ведет к повышению текучести и хрупкости, понижает вязкость и пластичность.
Кислород, азот, водород – делают сплав более хрупким, снижают показатели его выносливости.

Применение

Благодаря таким характеристикам, как прочность, устойчивость к нагрузкам, твердость, уменьшение намагниченности и нужный уровень вязкости, легированную сталь используют в самых разных сферах человеческой деятельности. Из нее производят:

медицинские инструменты, в том числе, и режущие;
детали с высокой опорной и радиальной нагрузкой;
элементы станков для металлообработки;
нержавеющую посуду;
детали автомобилей;
аэрокосмические детали;
пресс-формы и другие элементы для горячей штамповки, сохраняющие свои свойства при температуре до + 600 градусов;
измерительные приборы и так далее.

Классификация легированных сталей

Принимая принцип разделения по структуре, образованной в условиях медленного охлаждения стали в диапазоне температур, близких к солидусу, или в отожженном состоянии, сталь можно классифицировать следующим образом:

подевтектоид с ферритно-перлитной структурой;
эвтектоид с перлитной структурой;
гиперэвтектоид, содержащий вторичные карбиды, отделенные от аустенита;
ледебуритная сталь, в структуре которой встречаются первичные карбиды, выделившиеся при кристаллизации;
ферритная или аустенитная с осаждением карбидов или интерметаллических фаз. Обычно это стали с высоким содержанием легирующих элементов и низким содержанием углерода;
ферритно-мартенситная или ферритно-аустенитная сталь с наиболее часто высокотемпературным ферритом δ.

Все марки легированных сталей разделяют на три подвида в зависимости от количества полезных примесей:

Низколегированная – процентное содержание добавок около 2,5%. Прибавление некоторых положительных качеств при практически неизменных основных характеристиках.
Среднелегированная – процентное содержание добавок около 10%. Наиболее часто используемое соединение.
Высоколегированная – процентное содержание добавок варьируется от 10 до 50%. Высоколегированная сталь является максимально прочной и дорогой.

Независимо от того, какое процентное содержание добавок в составе металла, сталь разделяется на 3 подвида:

Инструментальная – жаропрочный материал, используемый при производстве станочных и ручных инструментов (сверла, фрезы, стальные резцы и так далее).
Конструкционная – прочная сталь, способная выдерживать высокие динамические и статические нагрузки. Используется при изготовлении двигателей и стальных механизмов в машиностроении, применяется в сфере строительства и станкостроения.
С особыми свойствами – сталь, отличающаяся химической и термической устойчивостью (нержавеющая, кислотостойкая, магнитная, износостойкая, трансформаторная и другие виды). Ряд исследователей предлагают отдельное деление для данного вида сталей:

Жаропрочные – способны выдерживать температуру до 1000 градусов.
Окалиностойкие и жароустойчивые – стали, невосприимчивы к распаду.
Устойчивые к коррозии – применяются при производстве изделий, работающих в условиях высокой влажности.

Марки

В СНГ используется буквенно-цифровая маркировка легированных сталей. Буквами обозначают основные легирующие добавки, цифрами, идущими следом за буквами, обозначают процент их содержания в сплаве (округляя до целого числа). Если в металле присутствует не более 1,5% той или иной добавки, цифра не ставится. Процентное содержание углерода × 100 указывается вначале наименования стали. Буква A, стоящая в середине маркировки, указывает на содержание азота. Если две буквы A стоят в конце, это указывает на особо чистую сталь. Буква Ш в конце обозначает сталь особо высокого качества.

Маркировка может быть дополнена и другими обозначениями, к примеру:

Э — электротехническая;
P — быстрорежущая;
A — автоматная;
Л — полученная литьем.

Исчерпывающие перечни марок легированной стали указаны в ГОСТ 4543-71.

Оформите заявку на сайте, мы свяжемся с вами в ближайшее время и ответим на все интересующие вопросы.

Как и из чего получают сталь

Сталь — ковкий сплав железа с углеродом и другими легирующими элементами. Ее используют для изготовления металлопроката, посуды, медицинских инструментов, механизмов и различных деталей для промышленности. Сплав почти на 99 % состоит из железа. Углерод занимает от 0,1 до 2,14 % общей массы металла. Углерод, марганец, кремний, магний, фосфор и сера изменяют физико-химические свойства стали. Количество примесей определяет способы обработки металла и сферы его применения. Производство стали занимает весомую долю черной металлургии.

Из чего делают сталь?

Сталь — одна из самых востребованных в промышленности. Железо и углерод — основные компоненты для изготовления стали. Железо отвечает за пластичность и вязкость, а углерод — за твердость и прочность.

Получают деформируемый сплав железа, который поддается механической, термической, токарной и фрезерной обработке. Литьем, прессованием, резкой, шлифовкой и сверловкой добиваются нужной формы. Стальные изделия получают с точно выверенными размерами.

Железо и углерод занимают львиную долю от общей массы, но кроме них сталь всегда содержит другие примеси. Чистота по неметаллическим включениям определяет качества стали. Оксиды, сульфиды и вредные примеси делают ее хрупкой и непластичной. Их содержание снижают очисткой или вводят дополнительные компоненты, чтобы добиться нужных физико-химических свойств.

Примеси бывают полезными и вредными. Разделение условное и означает то, что элементы улучшают химический состав стали или ухудшают его свойства. К полезным элементам относятся марганец и кремний. Сера, фосфор, кислород, азот, водород — вредные примеси в составе стали.

Как влияют полезные и вредные примеси на свойства стали?

Эффект от различных элементов в сталях:

Марганец повышает прокаливаемость металла и нейтрализует вредное воздействие серы.
Кремний улучшает прочность и способствует раскислению сплава, удаляя оксиды и сульфиды.
Сера ухудшает пластичность и вязкость. Ее большое содержание проявляется красноломкостью: во время горячей обработки металл трескается в области красного или желтого каления.
Фосфор снижает пластичность и ударную вязкость сплава. Повышенное содержание фосфора приводит к хладноломкости: при механической обработке металл трескается или разламывается на куски.
Кислород и азот разрушают структуру стали, ухудшают вязкость и пластичность.
Водород приводит к хрупкости металла.

Чтобы удалить вредные примеси и неметаллические включения, жидкую сталь рафинируют. Используют комбинированное рафинирование в печи и вне печи. К примеру, раскисление, десульфурацию, дегазацию и другое. За счет очистки структура металла становится однородной, а качество возрастает.

Почему сталь сравнивают с чугуном?

Металлы похожи составом и способом изготовления. Чугун и сталь — сплавы железа, отличающиеся по концетрации углерода. В чугуне его свыше 2,14 % от общей массы, а в стали — не больше 2,14 %. Кроме процентной доли углерода в сплаве, они различны по свойствам. Чугун жаростойкий, теплоемкий, легкий и устойчивый к коррозии. А сталь прочнее, тверже и легче поддается механической обработке.

Плюсы и минусы стали

Сталь классифицируется по химическому составу и физическим свойствам. Разным маркам металла характерны свои преимущества и недостатки.

По сравнению с другими сплавами сталь отличается:

высокой прочностью;
твердостью;
устойчивостью к ударной, статической и динамической нагрузке;
пригодностью к сварке, резке и гибке заготовок механическим или ручным способом;
многолетней износостойкостью;
доступной стоимостью.

К минусам стали относится нестойкость к коррозии, тяжелый вес и намагничивание. Чтобы изделия из стали не портились, изготавливают нержавеющие марки. Чтобы получить устойчивый к коррозии сплав, добавляют хром. Также в составе могут присутствовать никель, молибден, титан, сера, фосфор.

Способы производства

Используют три метода изготовления стали, у каждого из которых свои достоинства и недостатки.

Мартеновские печи

Применяемые печи выкладывают из хромо-магнезитового кирпича. В них плавят сырье, окисляют сплав и удаляют посторонние включения. Печи могут быть использованы для изготовления углеродистых и легированных сталей. Они нагреваются до температуры +2000оС, позволяют добавлять различные примеси.

Кислородно-конвертерный метод

Это способ, получивший звание универсального. Его используют в производстве ферромагнитных сплавов. Выплавляют сталь из жидкого чугуна и шихты. Задействуют конвертер, облицованный огнеупорными материалами. Чтобы ускорить процесс окисления, через него подают струю воздуха.

Электродуговой способ

Принцип производства заключается в выделении тепла при горении электрической дуги. Тепловой режим обеспечивает плавление сырья под температурой +6000оС. Благодаря нему получаются высококачественные сплавы. У этой группы больше остальных хорошо раскисленных сталей.

Как получают сталь?

Производство стали состоит из нескольких этапов. Нарушения технологии влияют на свойства металла.

Расплавление шихты железных руд и нагрев ванны жидкого металла

На первом этапе плавят сырье на низкой температуре. При постепенном повышении температуры окисляется железо, кремний, марганец, фосфор. Затем повышают содержание оксида кальция, чтобы удалить фосфор.

Кипение ванны металла

Повышение температуры и интенсивное окисление железа путем введения руды, окалины и кислорода. Введение добавок позволяет получить оксид железа. С ним будет взаимодействовать углерод. Образующиеся пузырьки оксида углерода приводят сплав в кипящее состояние. К пузырькам прилипают сторонние примеси, тем самым очищая состав стали. Также удаляют сульфид железа, чтобы избавиться от серы.

Раскисление стали

В этом процессе восстанавливают оксид железа, который был растворен в жидком металле. Когда плавят шихту, кислород окисляет примеси, но в готовой стали он не нужен. Кислород понижает механические свойства стали, поэтому его нужно восстановить и удалить. Раскисляют стали ферромарганцем, ферросилицием, алюминием. Попадая в сплав, раскислители образуют оксиды низкой плотности, а затем отходят в шлак.

Как классифицируют сталь?

Физико-механические свойства и химический состав определяют виды металла. Сталь делят по составу, методу получения, структуре и примесям. Углеродистые и легированные стали различают по содержанию углерода и легирующим элементам. Сплавы обычного и высокого качества делят по содержанию примесей. Инструментальные, конструкционные и специальные стали делят в зависимости от назначения.

Углеродистые стали

Углеродистая сталь содержит углерод от 0,1 до 2,14 %. Количество углерода определяет группы стали:

Низкоуглеродистые содержат меньше 0,3 % углерода.
Среднеуглеродистые — от 0,3 до 0,7 %.
Высокоуглеродистые — более 0,7 до 2,14 %.

По процентному содержанию углерода определяют структуру сплава. Сталь с 0,8 % углерода сохраняет ферритно-перлитную структуру, с повышением меняет ее на перлит и цементит. Преобразования каждой фазы отражаются на прочностных характеристиках. Также углеродистые стали разделяют на группы А, Б, В, которые в свою очередь делятся на категории и марки.

Легированные

Сталь обогащают марганцем, хромом, никелем, молибденом и другими легирующими элементами. Количество примесей считают суммарно. В зависимости от их содержания различают:

низколегированные — до 2,5 % примесей;
среднелегированные — от 2,5 до 10 %;
высоколегированные — более 10 %.

Марганцем повышают прочность и твердость материала, хромом — стойкость к ударам, жаропрочность и устойчивость к коррозии. Никель делает сталь упругим и стойким к высоким температурам.

Марки стали отличаются сложной структурой. Обязательно указывают их состав в порядке убывания. Начинают с доли углерода, а затем прописывают меньшие доли легирующих добавок.

Спокойные, полуспокойные и кипящие

Стали классифицируют по степени раскисления. Чем меньше в сплаве газов, тем равномернее его структура и чище состав. Спокойные стали содержат меньше закиси железа, а кипящие — большое количество оксидов. Пузырьки оксида углерода ухудшают прочностные и пластичные свойства металла. Спокойные стали стабильны, их используют в изделиях ответственного назначения. Полуспокойные марки — среднепрочные, их задействуют как конструкционный материал. Кипящие разрушаются, трескаются и плохо поддаются сварке, поэтому и стоят меньше. Они разрешены в простых конструкциях.

Строительные

Низколегированные сплавы обычного качества. Они обладают удовлетворительными механическими свойствами, выдерживают статические и динамические нагрузки, пригодны к сварке.

Инструментальные

Высокоуглеродистые или высоколегированные сплавы. Их используют для изготовления штампов, режущего и измерительного инструмента. Разделяют соответственно на штамповые металлы, сплавы для режущего и измерительного инструмента. Названия группы зависит от назначения сталей. К примеру, штамповую сталь используют для изготовления инструментов, которыми будут обрабатывать металлы под давлением.

Конструкционные

Стали с низким содержанием марганца. Их делят на цементируемые, высокопрочные, автоматные, шарико-подшипниковые и другие. Используют для изготовления узлов механизмов или конструкций.

Стали специального назначения

Эти сплавы относятся к конструкционным сталям. Они бывают жаропрочными, жаростойкими, кислотоупорными, криогенными, электротехническими, парамагнитными, немагнитными.

Читайте также: