Как делают легированную сталь

Обновлено: 28.04.2024

Для изготовления некоторых инструментов и ножей применяются специальные стали с добавлением легирующих добавок. Легирование стали осуществляется на металлургических производствах. При этом некоторые добавки позволяют не только улучшить характеристики стали, но и существенно упростить процесс плавки. Технологический процесс легирования довольно сложен, требует особой точности и поэтому практически невозможен в домашних условиях.

1 Описание процесса, цели

Нужно различать легирование стали, которая применяется для изготовления инструментов, и той, которая применяется для изготовления полупроводников. Так, в первом случае требуется повышение именно механических характеристик, а во втором случае требуется повышение токопроводящих свойств. Для этого применяются различные легирующие добавки, а также существенно отличается технологический процесс. Для того, чтобы иметь понятие о процессах, в данном материале будут вкратце рассмотрены основы легирования металлов для различных технических нужд.

Под легированием понимают добавление в состав металла различных примесей (добавок), которые изменяют характеристики и свойства металла. При этом процессы легирования разделяют на:

Металлургическое легирование (по-другому - объемное).
Поверхностное. Оно может быть выполнено несколькими способами: диффузией, ионным "обстрелом" и т.д.

В зависимости от того, для какой отрасли производят легирование стали, могут применяться различные технологии. Так, на металлургических производствах для легирования стали в расплавленный металл в качестве добавки применяется металл для легирования.

Легирование хромом, молибденом, никелем, ниобием (ниобий применяется редко) и т.д. Такие добавки позволяют существенно улучшить физико-химические свойства материала. Чтобы стальная заготовка обладала определенными свойствами (например, сопротивляемость коррозии, увеличение твердости и уменьшение износа), применяется поверхностное легирование. Технологический процесс легирования может производиться на различных этапах плавки для получения различных характеристик готового проката.

Поверхностное легирование часто применяют для изготовления стекол и керамических изделий. Это гораздо лучше, чем напыление, потому что происходит диффузия легирующей добавки и основного материала.

Главной целью легирования полупроводников является изменение проводимости, а также концентрации носителей в заданном количестве материала, при этом получая необходимые свойства (например, плавность pn-перехода). Для этих целей наиболее часто применяются добавки фосфора или мышьяка, иногда добавляют бор.

На данный момент существует несколько технологических способов легирования. Подробнее о них рассказано в следующем разделе.

2 Различные способы

Первый способ - ионное легирование (ионная имплантация) Такой способ позволит осуществлять контроль приборов с максимальной точностью. Эта технология применяется в основном для легирования полупроводников. Ионное легирование условно можно разделить на 2 этапа: загонка легирующих атомов в материал и активация загнанной в материал добавки. Проконтролировать процесс можно дозировкой (кол-вом добавки), энергей (от нее зависит глубина вхождения добавки), температурой (от нее зависит распределение добавки в материале), а также временем протекания процесса.

Следующим идет нейтронно-трансмутационный процесс легирования. Он тоже применяется для легирования полупроводников. Принципы технологического процесса следующие: добавки не вводятся, а "мутируют" из исходного материала при протекании ядерных реакций, которые вызываются при облучении материала нейтронами. В результате выходит монокристаллический материал, в котором атомы распределены равномерно. Подобный способ впервые был применен на территории СССР в 1980 году. Отечественными учеными была доказана возможность легирования силиция в больших количествах на энергоблоках АЭС, при этом не снижалась выработка электроэнергии и не ухудшались параметры безопасности. С 1988 по 2004 года технология была внедрена почти на всех АЭС России и усовершенствована, что позволило увеличить диаметр слитков Si до 85 мм. На данный момент Россия лидирует в этой технологии.

Другим способом легирования полупроводников является термодиффузионный способ. Он условно разделяется на несколько этапов: осаждение добавки, отжиг (при котором происходит загонка добавки в материал), удаление добавки.

Электроискровое легирование происходит при обработке готовых изделий из металла при использовании дуговых разрядов, при которых происходит перенос добавки с электрода на поверхность изделия. Часто применяют для форм и других изделий, которые используются в цветной и черной металлургии (в процессе разливки), поскольку обработанные детали и конструкции устойчивы к высокой температуре. Электроискровое легирование применяется только для специальных изделий и механизмов.

А вот в металлургии специальное легирование начало использоваться не так давно - примерно с начала 20 века. Основными причинами этого являются технологические сложности, связанные с процессом и с тем, что частично происходило природное обогащение компонентами (так, используемое метеоритное железо имело в своем составе никель, а на рудниках - свои примеси серы, кремния и т.д.). Некоторые месторождения (например, на юге Японии) имели в составе руды и молибден, поэтому японское оружие считалось очень надежным и прочным. В Европе уделили особое внимание процессу легирования во второй половине 19 века, первый лабораторный образец легированной стали был получен в 1858 году, первая пробная партия получена в 1871-м, однако технологически не подготовленное оборудование не позволяло быстро внедрить эту технологию. Поэтому массово легировать сталь стали только к 1890-м годам.

Отдельно стоит рассказать о технологии взрывного насыщения. Взрывное легирование используется при насыщении углеродистой стали медью. Это один из подвидов ионного способа, основное назначение - защита металлических изделий от коррозии.

3 На что влияют добавки

Первое, что следует выделить - наиболее часто применяемые добавки к стали. Таковыми являются: хром, никель, марганец, молибден, титан, ванадий. Медь легируют кадмием, что существенно увеличивает ее износостойкость. Установка небольшого количества присадок кадмия позволяет повысить прочность, гибкость и износостойкость проводов и кабелей. В титан добавляют молибден, что позволяет существенно повысить температурный диапазон эксплуатации. При этом некоторые металлы могут легировать сразу несколькими добавками.

Легирующие добавки для стали вводят для повышения именно механических характеристик.

4 Расшифровка наименований

Часто возникает необходимость узнать состав металла. Маркировка материала осуществляется при помощи букв и цифр, согласно ГОСТу 4543-71. Первыми идут цифры, показывающие кол-во C в процентах (сотых), затем идут буквы, показывающие добавку. Возможные обозначения: Х - Cr, Н - Ni, К - Co, М - Mo, Т - Ti, В - W, А - N, Б - Nb, Д - Cu, Г - Mn, Р - B, Ю - Al, Ф - V, С - Si. В маркировке за буквой, обозначающей добавку, ставится цифровое обозначение, которое указывает кол-во добавки в %, при этом цифра может округляться согласно правилам округления (т.е. реальное содержание добавки 0,88% будет округлено до 1%). Если кол-во добавки около 1 %, то цифровое обозначение после добавки не ставится совсем. При этом необходимо обратить внимание, что важно расположение буквы в наименовании.

Так, обозначение, содержащее "А", находящееся не в конце наименования стали, является обозначением добавки N как легирующей добавки, в случае, когда она последняя в наименовании, обозначает сталь высокого качества.

Например, распишем сталь 65Х13Н2МА. Установка расшифровки такова: кол-во углерода - 0,65%, 13% хрома, 2% никеля, 1% молибдена, сталь высококачественная.

В заключении стоит отметить, что необходимо четко следить за соотношением компонентов в стали.

Легирование стали

Легирование стали необходимо для изготовления инструментов и полупроводников. В первом случае особое внимание обращают на механические свойства, а во втором — на токопроводящие характеристики. Это требует не только разных добавок (например, легирование стали алюминием), но и разных технологических процессов. Легированная сталь представляет собой железоуглеродистый сплав с дополнительными элементами (никель, хром, молибден, кобальт и алюминий) для придания этой стали особых характеристик, таких как: устойчивость к коррозии, гибкость и твердость, что делает ее лучше обычной углеродной стали.

Сплавы, как правило, обозначаются в соответствии с преобладающими элементами, такими как никелевая сталь, хромистая сталь и хромованадиевая сталь. Сплавы можно встретить практически во всех отраслях промышленности, от гражданского строительства до судостроения, в нефтяной, автомобильной и авиационной отраслях.

Разнообразие возможных сплавов практически бесконечно, как и разнообразие характеристик.

Процесс легирования

Легированная сталь может быть произведена несколькими способами. Легирование бывает поверхностным и объемным. В первом случае легирующие добавки вводятся только в верхний слой. Легирующий элемент проникает неглубоко, примерно на 1-2 мм. Это необходимо для создания на поверхности металла определенных свойств (например, антифрикционных). Поверхностное легирование намного лучше напыления, а поэтому часто применяется при изготовлении керамики и стекла. Введение добавок во весь объем металла предусматривается объемным легированием.

Легирующих добавок может быть несколько. Они могут быть как металлическими, так и не металлическими (например, фосфор). Для получения различных характеристик легирование может производиться на различных этапах плавки.

Добавление легирующих элементов направлено на создание микроструктурных изменений, которые, в свою очередь, способствуют изменению физико-механических свойств материала, позволяя ему выполнять определенные функции.

Легирование полупроводников проводится с помощью термодиффузии, нейтронно-трансмутационного легирования и ионной имплантацией. Ионное легирование проводится в два этапа. Сначала проводится загонка легирующих атомов, а затем их активируют. Распределение элементов зависит от температуры и времени, глубина вхождения — от энергии. При термодиффузии происходит осаждение легирующих элементов, отжиг и удаление легирующих элементов. Нейтронно-трансмутационное легирование происходит благодаря ядерным реакциям — в данном случае легирующие и легируемые элементы объединяются монокристаллический материал.

Свойства и назначение

Наиболее часто используемыми легирующими элементами являются никель, марганец, хром, кремний, свинец, селен и бор. Менее часто используются алюминий, медь, ниобий, цирконий и вольфрам.Назначение этих элементов очень разнообразно, и при использовании в нужных пропорциях стали получают с определенными характеристиками, которые, однако, не могут быть достигнуты с обычными углеродистыми сталями.Сплавы обычно классифицируются с учетом элементов, содержание которых наиболее велико, и которые называются базовыми компонентами. Элементы, которые находятся в меньшей пропорции, рассматриваются как вторичные компоненты.

Железо само по себе не особо прочное, но его прочность значительно возрастает, когда он легируется углеродом, а затем быстро охлаждается для производства стали. Некоторые характеристики стали — мягкая, полумягкая, полутвердая, твердая — в значительной степени обусловлены содержанием углерода, которое может составлять от 0,10 до 1,15%.

Риски

Некоторые ферросплавы производятся и используются в форме мелких частиц; переносимая по воздуху пыль представляет собой потенциальную опасность токсичности, пожара и взрыва. Кроме того, профессиональное воздействие паров при изготовлении некоторых сплавов может привести к серьезным проблемам со здоровьем. Ряд сплавов олова опасен для здоровья (особенно при высоких температурах) из-за вредных свойств металлов, с которыми можно легировать олово (например, свинец).

Практическое применение легирующих добавок

Никель, осмий, рутений, медь, золото, серебро и иридий легируются платиной для повышения твердости. Сплавы, образованные с кобальтом, приобрели значение благодаря своим ферромагнитным свойствам. Родий используется в качестве антикоррозийного электролитического покрытия для защиты серебра от потускнения. Родий легируется платиной и палладием, чтобы получить очень твердые сплавы.Цель легирования медью — повысить коррозионную стойкость.Также медью легируют серебро. В чистом виде серебро слишком мягкое для изготовления монет, столовых приборов и украшений, для всех областей применения оно упрочняется путем легирования медью.

Черные сплавы

Черные сплавы — это железо и его сплавы. Значительное содержание углерода делает чугун очень хрупким. Несмотря на свою хрупкость и более низкие механические свойства, чем у стали, их низкая себестоимость, простота литья и специфические характеристики делают их одним из самых ценных в мире продуктов с самым большим тоннажем производства.

Цветные сплавы

Цветные сплавы — это сплавы, которые не содержат железа или содержат относительно небольшое количество железа. Их характеристики — значительная коррозионная стойкость, высокая электро- и теплопроводность, низкая плотность и простота производства.

Нержавеющая сталь

Общие характеристики нержавейки делают ее универсальным материалом, который хорошо адаптируется к требованиям сегодняшнего дня. Любые виды сплавов имеют свои преимущества в зависимости от химического состава.

Эстетика. Существует ряд видов отделки поверхности: от матовой до глянцевой, от сатиновой до гравировки. Отделка также может быть узорчатой или окрашенной, что делает нержавеющую сталь уникальным и эстетичным материалом. Архитекторы часто выбирают этот материал для строительных работ, дизайна интерьера и городской мебели.

Механические свойства.Нержавейка обладает лучшими механическими свойствами при комнатной температуре по сравнению с другими материалами, что является преимуществом в строительном секторе, так как позволяет снизить вес на м² или уменьшить размеры элементов конструкции. Хорошая эластичность и твердость в сочетании с неплохой износостойкостью (трение, истирание, удары, эластичность…) позволяют использовать нержавейку в широком спектре проектов. Кроме того, нержавейка может устанавливаться на стройплощадке, несмотря на зимние температуры, без риска хрупкости или поломки, что не препятствует удлинению сроков строительства.

Огнеупорность. По сравнению с другими металлами, нержавейка обладает лучшей огнеупорностью в конструкции благодаря высокой температуре плавления (выше 800 °C). Нержавейка не выделяет токсичных паров. Коррозионная стойкость: при содержании хрома 10,5% нержавеющая сталь постоянно защищена пассивным слоем оксида хрома, который естественным образом образуется на ее поверхности при контакте с влажностью воздуха. При повреждении поверхности пассивный слой восстанавливается. Это обеспечивает коррозионную стойкость.

Классификация легированных сталей

Сплавы разделяются на три категории: низколегированные, среднелегированные и высоколегированные. На степень легирования стали влияет средний уровень количества других включенных элементов. Граница, разделяющая категории, не очень ясна.

Классификация по содержанию легирующих элементов:

низколегированная (до 2,5%);
среднелегированная (до 10%);
высоколегированная (от 10% до 50%).

По практическому применению:

конструкционные (машиностроительные или строительные);
инструментальные;
специального назначения.

Маркировка легированных сталей

Требования оговаривает ГОСТ 4543-71. Легирующие добавки обозначаются так:

Легированные стали

Легированные стали – сплавы, свойства которых улучшены путем добавления дополнительных компонентов, называемых легирующими. Их применение обусловлено стремлением добиться от получаемого сырья различных свойств, которые необходимы в разных ситуациях.

Этот сплав обладает повышенной прочностью, дольше не поддается коррозии. Области его применения достаточно разнообразны. В основном, это трубы, детали и другие изделия, которые в процессе эксплуатации будут подвержены повышенным температурным перепадам.

В состав обычного металла входит железо, углерод и различные примеси. При легировании, как уже указывалось ранее, в него добавляют еще другие компоненты, носящие название легирующих. Среди них: ниобий, хром, никель, кремний, ванадий и др. Еще нередко встречаются алюминий и молибден. Чтобы увеличить прочность полученного сырья зачастую добавляют титан.

Свойства легированной стали

Чаще всего, ее свойства определяют по примесям, добавленным при производстве.

Качества стали зависят от легирующих элементов, которые добавлены в ее состав:

стойкость к ржавлению возникает благодаря молибдену и хрому;
твердость возникает благодаря марганцу, хрому и другим компонентам;
прочность приобретается благодаря добавлению титана, марганца, хрома и вольфрама.

Легированная сталь становится прочнее и устойчивее к воздействию окружающей среды, когда хрома в ней не менее 12%.

Сталь, легированная при соблюдении необходимого процентного содержания всех своих элементов, не будет изменять своих качеств до температуры нагрева 600 градусов Цельсия.

Химический состав

Качество такого материала целиком зависит от количества углерода в ней, так как это один из главных компонентов ее состава. Также обязательно включение в его состав железа. Никель, хром, медь, ванадий и прочие компоненты добавляют с целью улучшить другие свойства сырья.

Теперь рассмотрим, как влияют легирующие элементы на свойства получаемой сырья:

Хром, как и никель, несет ответственность за придание стойкости к ржавлению. С его помощью получают всем известную нержавейку, металл делается тверже и прочнее.
Никель добавляет не только прочности, но и пластичности.
Медь, помимо устойчивости к коррозии, способствует сопротивлению различным кислотам.
Ванадий уплотняет структуру, делает мелкозернистой.
Марганец несет ответственность за износостойкость.
Вольфрам сохраняет твердость материала при воздействии высоких температур.
Кремний придает металлу упругость, а также делает его магнитным.
Присутствие алюминия добавляет полученному материалу жаростойкости.

Как изменяется структура при добавлении различных примесей? В результате их введения кристаллическая решетка разрушается по причине отличий в форме электронов и атомных величин. Поэтому характеристики легированной стали могут колебаться из-за изменения процентного соотношения элементов в ее составе. Твердость, прочность и пластичность сплав получает после термообработки.

Внешний вид легированной стали

По химическому составу такой металл обычно отличается. Поэтому классификация будет следующей:

Низколегированный – процент легированных добавок не более 2,5.
Среднелегированный – примеси составляют не более 2,5-10 %.
Высоколегированный – примесей может быть больше 10% и расти до 50.

По классификации деление идет на: коррозионно-устойчивую сталь и жаростойкую (выдерживает выше 1000 градусов).

Согласно химическому распаду выделяются:

окалиноустойчивая (при 550 градусах);
жароустойчивая.

Известны два основных типа: легированные и углеродистые. Посмотрим, какие у них отличия.

Углеродистая сталь – сплав, содержащий совместно с железом и углеродом еще кремний и марганец. Сера и фосфор, тоже имеющиеся в ее составе, относятся к негативно влияющим добавкам, ведь из-за них ухудшаются ее механические свойства.

Сталь бывает низко-, средне- и высокоуглеродистой. Чем большая часть углерода в таких сплавах, тем меньше их пластичность, но зато и тверже получается итоговый материал.

Углеродистая сталь – сплав железа с углеродом до 2%. В него также добавляют кремний, серу и фосфор. Однако, главным компонентом все же является углерод. Количество в процентах этих элементов приблизительно такое: железа до 99,0%, марганца – 03-0,8, серы до 0,06 и кремния до 0,15-0,35.

Главные минусы углеродистой стали:

если у нее хорошая прочность и твердость, то недостает пластичности;
утрачивается твердость и режущая способность при нагреве до 200 градусов, а при более высоких температурах теряется и прочность;
невысокая устойчивость от ржавления при погружении в электролит, в агрессивных средах и т. д.;
повышенный коэффициент теплового расширения;
утяжеление готовой продукции;
возрастание стоимости конечного продукта;
трудности при проектировании из-за низкой прочности такой стали.

Легированная – сталь, которая наряду с обычными добавками содержит легированные элементы, значительно повышающие ее качества. Это вольфрам, молибден, никель и др. И еще марганец и кремний в значительных количествах. Примеси добавляются во время плавления. Такой металл отличается своими ценными качествами, которые отсутствуют у углеродистой стали, и лишен ее недостатков.

Использование легированной стали

Сегодня практически невозможно назвать хоть одну из сфер деятельности человека, где не нашлось бы места сплаву с такими характеристиками. Из конструкционной и инструментальной сталей выпускаются почти все инструменты, например, фрезы, резцы, штампы и т. д. Нержавеющие легированные стали также применяются для выпуска бытовых изделий, например, при производстве посуды, корпусов бытовой техники.

Также легированная сталь отличается множеством других качеств, которые гарантируют ей широчайшее применение. Она повышает срок службы самых разных изделий, обеспечивает их надежность и даже позволяет экономить. Ведь чем дольше эксплуатируется та или иная вещь, тем реже приходится приобретать новую.

Кстати, изделия или их компоненты из легированного материала можно встретить не только в строительстве или машиностроении, но и у хирургов в руках, например, скальпель, на производстве трубопроводов. Если изготовить из него нож, то часто точить его не придется.

Изделия из легированной стали

Сфера использования легированных сталей находится в прямой зависимости от способа термообработки, которому она подверглась. Прежде была изучена классификация этого материала по назначению согласно ГОСТ: инструментальные, конструкционные и стали с особыми качествами.

Низколегированные стали хорошо поддаются свариванию, поэтому из них чаще всего делают трубы и другие конструкции. Легированная инструментальная сталь отлично подходит как сырье для изделий, которые будут работать под давлением.

Согласно ГОСТ 5950-2000, легированная сталь — материал для производства медицинских инструментов, ножей, ленточных пил и др. В этот ГОСТ внесены все виды ее обозначений и области использования.

Нержавейка, содержащая много хрома, применяется для выпуска трубных изделий. Трубы, изготовленные из такого материала, отличаются повышенной стойкостью к ржавлению, и еще, они прекрасно противостоят скачкам температур, в особенности, высоких.

Маркировка легированных сталей

Как расшифровывается маркировка легированных сталей? О чем она говорит? Согласно ГОСТ в ней есть такая информация: буква расшифровывает химический элемент, а цифра за ней — сколько его в процентах. Если цифра не внесена, то процент конкретного компонента невелик (не выше 1%).

К легированным относят разные стали. В итоге возникла потребность систематизации их обозначений. Это отражено в ГОСТ 4543-71, в котором обозначено, что в марках сталей, обладающих особыми качествами, буква должна стоять первой. Она и указывает на принадлежность металла, в зависимости от его качеств, к конкретной группе.

Если первые буквы «Ж», «Х» либо «Е», то металл относится к нержавеющим с магнитными свойствами, либо хромистым. Сталь хромоникелевой нержавеющей группы обозначает буква «Я». Буквами «Р» и «Ш» обозначены сплавы, которые принадлежат к шарикоподшипниковым инструментальным и быстрорежущим.

Если сталь легированная, то она может быть либо высокого качества, либо особо высококачественная. Тогда марка у них будет завершаться буквами «А» или «Ш». Обычные стали так не обозначаются.

Сплавы, получаемые методом проката, тоже получают специальное обозначение. Тогда в маркировке будет стоять буква «Н» (нагартованный) либо «ТО» (термически обработанный).

Умение понимать маркировку всегда позволит с легкостью и достаточно четко выяснить химический состав представленного металла, несмотря на то, что он есть в соответствующей литературе. Первая цифра — процент углерода в сотых долях. Далее за цифрой проставляются буквы, расшифровывающие легирующие элементы, использованные в качестве примеси. За каждой из букв указывается количество названного компонента, выражаемое уже в целых частях. Бывает, что есть только буква, что говорит о содержании элемента в количестве, не превышающем 1,5%.

Стоит обратить внимание на то, что обозначение и классификация химических элементов с помощью букв не обязательно может совпадать с начальной буквой в их наименовании: алюминий (ю), хром (х), марганец (г), вольфрам (в), никель (н), азот (а), медь (д), ванадий (ф) и т. д.

Если в посередине маркировки есть буква «А» (азот), то это свидетельствует о том, сколько азота в составе стали. Если же буква «А» будет в конце, то фосфора и серы в этой марке стали менее 0,03%, поэтому она принадлежит к чистым.

Сдвоенная буква «А», стоящая в обозначении первой справа, свидетельствует об особой чистоте материала от присутствия вышеназванных компонентов. Сколько в нем серы тоже определяется согласно ГОСТ. Еще маркировка может начинаться с таких букв: «Ш» — шарикоподшипниковая, «Р» — быстрорежущая, «Э» — электротехническая, «А» — автоматная, буква «Л» свидетельствует, что сталь получена литьем.

Что такое легированная сталь — простыми словами

В статье мы подробно разберем легированные стали: их классификацию, виды и маркировку. Рассмотрим сферы и примеры применения таких сплавов.

Что такое легированные стали

Легированием называют процедуру добавления примесей в сплав либо шихту, изменяющие свойства стали. Добавками выступают разнообразные химические элементы.

Легированная сталь – это сплав железа, углерода и легирующих компонентов, придающих материалу определённые свойства. Люди обрабатывают металл много тысячелетий, но первые удачные эксперименты с легирующими добавками датируются началом 1850-х годов. В 1882 г. с появлением стали Гатфильда начинается новая эпоха в металлургии. С того времени появилось целое направление в физике металлов.

Классификация

Рассмотрим маркировку и способы классификации легированных сталей.

По количеству добавок

По степени легирования различают такие стали:

Низколегированная – менее 2,5 % примесей в сплаве.
Среднелегированная – 2,5 – 10 %.
Высоколегированная сталь – от 10% добавок, в отдельных сортах цифра достигает 45 – 50%.

По назначению

Судостроительная хладостойкая – противостоит износу, разрушению при отрицательной температуре.
Строительная – для возведения разнообразных конструкций: здания, мосты.
Рельсовая – полотна железных дорог.
Массовая – металлопрокат.
Стали для горячих жидкостей.
Сорта с повышенной прочностью, где карбонитритное упрочнение способствует формированию мелкозернистой структуры.
Низкоотпущенные сорта повышенной прочности – авиационная.
Упрочнённая прокатанная при 700 – 850 °C.

По структуре

В зависимости от получившейся вследствие добавления сторонних компонентов структуры сталь бывает:

Аустенитной – у неё высокая стойкость к коррозии, химическому воздействию.
Мартенситной – твёрдая, прочная.
Ферритно-мартенситной – отлично вытягивается, имеет повышенное деформационное упрочнение.
Ферритной – коррозионная стойкость, низкая растрескиваемость.

По качеству

В зависимости от сферы применения и технологического процесса легированные стали разделяют по качеству:

Обычные – характеризуются наличием нежелательных примесей, часто это сера, азот, фосфор.
Качественные – повышенной очистки, в маркировке появляется буква А.
Высококачественные, полученные путём переплавки электрошлаковым методом (Ш).
Высококачественные, изготовленные посредством вакуумно-дуговой переплавки (ВД).
Специального назначения (Э).

У 2-й и 3-й групп меньший процент вредных элементов: сера, азот, фосфор – ухудшают механические свойства материала, после их удаления повышается ударная вязкость, пластичность стали.

Самые распространённые металлы для легирования стали и влияние элементов на свойства материала приведены ниже:

Алюминий – противостояние появлению окалин.
Ванадий – текучесть, мелкозернистая структура.
Вольфрам – твёрдость при нагреве, снижение ломкости после термической обработки.
Кобальт – жаростойкость, устойчивость к ударным нагрузкам.
Медь – вязкость.
Молибден, вольфрам – прочность при термообработке, коррозионная стойкость.
Никель – пластичность, вязкость, обработку материала резанием.
Ниобий – кислотостойкость.
Титан – снижение зернистости – стойкость к растрескиванию.
Хром – твёрдость, сопротивляемость ударным нагрузкам, защита от коррозии.

Легированную сталь получают путём внедрения в сплав неметаллических легирующих компонентов:

Бор – прокаливаемость.
Кремний – вязкость, магнитная проницаемость.
Марганец – защита от окисления.
Селен – обработка резанием.
Фосфор – добавка повышает текучесть, вязкость.
Углерод – улучшает механические свойства с ростом концентрации до ~2%. Её увеличение в диапазоне 1,2% – ~2 % повышает прочность, упругость, твёрдость стали, но ухудшает её обрабатываемость ковкой и резанием, она хуже сваривается, теряет пластичность. Сплав, куда включено от 2% углерода отличается потерей прочности, при концентрации 2,14% получается чугун. Порошковые стали могут включать до 3% карбона (C).

Марки легированной стали

Низко-, высоко- и среднелегированные стали имеют маркировку, дающую представление о составе материала. Для этого применяют буквы с цифрами. Обозначения приведены ниже.

Таблица 1 – Соответствие марок сплавов типов CM и FЕ по стандартам ИСО

Таблица 2 – Обозначение легирующих элементов в сталях

Советский ГОСТ для маркировки легированных сталей действует и ныне.

Первая цифра – объём углерода (сотые доли процента), буквы описывают легирующие элементы, цифры – их масса в % от общей. При содержании компонента ~1% число иногда опускают. А, Ш, ВД в конце определяют качество материала. Перед названием могут использовать следующие буквы:

Л – полученная способом литья;
Р – быстрорез;
Ш – шарикоподшипниковая, например, ШХ;
Э – электротехническая.

«А» посреди маркировки символизирует о наличии азота, АА в конце указывает на дополнительную очистку сплава от серы, фосфора.

Есть и исключения:

В шарикоподшипниковых сортах после ШХ идёт цифра, указывающая на содержание хрома: в ШХ15 – 1,5% Cr.
Быстрорежущая – после Р указывается процент вольфрама: Р6, Р18.

Углерода в быстрорежущей и шарикоподшипниковой стали по 1%.

Рассмотрим на примере:

Р6М5 – быстрорежущая сталь со следующим составом: 6% вольфрам, 5% – молибден.
18ХГТ – 0,18% углерод, 1% – хром, 1% марганца, менее 1% (обычно 0,1%) титана.

Отличия легированной стали от углеродистой

Различают два сорта стали – углеродистые и легированные. В состав первых включено железо, углерод (до 0,025), доли процента неизбежных примесей. Сталь легированная – углеродистая сталь с добавлением легирующей добавки (нескольких).

Легирование стали осуществляют двумя методами:

Объёмный – химический элемент попадает в структуры материала в его жидкой фазе.
Поверхностный – диффузное внедрение или напыление – покрытие верхнего слоя материала.

Приведённые цифры не указывают на точное процентное соотношение соответствующих примесей. ГОСТ допускает их колебание в определённых пределах. Для понимания возьмём конструкционную сталь 40ХА. Допустимая норма:

«А» – указание на принадлежность к качественным сортам.

Виды легированных сталей делят на категории.

Инструментальные

Сырьё для инструментов, их компонентов: режущие, быстрорежущие, штампы, наковальни, ударный инструмент. Разделяются на пять больших групп с собственными требованиями: твёрдость, красностойкость, подверженность ударным нагрузкам, удержание заточки.

Для штампов, применяющихся при формировании деталей и заготовок методом ковки, важны износоустойчивость, устойчивость к отпуску, постоянство размеров при изменяющейся температуре, физических нагрузках (ударных).

Конструкционные

Наиболее распространённая группа сплавов. Применяют для производства оснований для станин, машин, металлопроката. Высокопрочная сталь со значительными пластичностью, вязкостью, хорошими обрабатываемостью и свариваемостью. Они жаропрочные, устойчивые к растрескиванию, деформациям, эрозии.

Примеры: 2Х18Н9, 12Х2Н.

Конструкционные цементируемые

Распространены в строительстве – цементируюся. Обладают достаточной скоростью диффузии углерода из цемента в сталь. Науглероженный слой должен поглощать нужное количество углерода для получения структуры мартенсита. Цементируемая легированная сталь отлично режется, подвергается деформациям в нормализованном либо отожжённом состоянии, ведь в строительстве требуются детали нестандартной формы. Она обладает минимальным короблением при закалке, высокими усталостной прочностью, износо-, устойчивостью к коррозии, вязкому разрушению.

Примеры: 14ХН, 37ХН.

Жароупорные и теплоустойчивые

Основа для производства комплектующих, что эксплуатируются при высокой температуре. Теплоустойчивые сорта сохраняют свойства при +550 °C; жаропрочным свойственно постоянство параметров, коррозионная стойкость, низкая текучесть.

Марки жароупорных сталей: Х18Н25С2, 1Х14Н14А2М.

Примеры теплоустойчивых сталей: 20ХМЛ, 15X1М1Ф, 12Х1МФ.

Коррозионные (нержавеющие, кислотостойкие)

Сталь легированная коррозионная – сырьё для литься основ для машин, эксплуатируемых в агрессивных условиях. Нержавеющие марки идут на производство посуды, инструментов, которые не поддаются коррозии, окислению.

Нержавеющая сталь отменно противостоит коррозии в рабочей среде. В её состав добавляют титан, медь, селен, алюминий, хром, марганец.

Примеры: 12Х18Н9, Х25Н18, 08Х22Н6Т.

Кислотостойкие стали устойчивы к кислотной среде. Они практически не подвергаются межкристаллической коррозии вследствие действия фосфорной и серной кислот на протяжении определённого времени. Стойкость сортам придаёт хром, образующий на поверхности материала прочный защитный слой. Включения никеля делают структуру материала однороднее, а титан с молибденом улучшают механические характеристики сплава.

Кислотостойкие нержавеющие стали: 12Х18Н10Т, 06ХН28МДТ.

Устойчивые к воздействию водорода, сероводорода

Сырьё для изготовления аппаратуры, труб для синтеза метанола, аммиака, сырья для получения искусственного каучука. В них производят буроугольный бензин, проводят гидрогенизацию алдола, транспортируют нефтепродукты.

Устойчивые к воздействию водорода стали ударопрочные, стойкие к хрупким повреждениям при отрицательных температурах, если того требуют условия эксплуатации. Уровень фосфора в них не превышает 0,015%, серы – 0,008%. Кальциевая обработка улучшает коррозионную стойкость. Сорта имеют преимущественно мартенситовую структуру, разрабатываются преимущественно под требования заказчика.

Примеры: 09ГСНБЦ, 03Х21Н32М3Б.

Высокопрочные низколегированные стали (HSLA)

Основные требования – прочность на протяжении многих лет, снижение веса металлоконструкций. Требования к таким сортам легированной стали зависят от сферы применения. Это: ударная вязкость, предел прочности, пластичность. Нужных характеристик добиваются путём добавления до пяти – девяти легирующих добавок, среди которых: хром, ванадий, цирконий, медь.

Сорта: 14Г2АФ, 16Г2АФ.

Сварка сплавов

Легированные стали имеют массу особенностей при сваривании из-за разного поведения при нагреве и протекающих химических реакций. Типы сварки и электроды для большинства случаев подбирают индивидуально, соблюдая требования технической документации.

Низколегированных

Хорошо свариваются, но швы нередко повреждаются при сильных нагрузках. Если свариваемые поверхности предварительно не прогреть и резко остудить, велика вероятность возникновения холодных трещин, понижения сопротивляемость хрупким разрушениям. Для сваривания работают электродами с низководородным фтористо-кальциевом покрытием, полярность – обратная. Шов сваривается за один проход, широкие швы обрабатывают за два – три прохода.

Среднелегированных

Среднелегированные сорта сваривают электродами, с такой как в стали или большей концентрацией легирующих добавок, ведь часть компонентов во время сварки выгорает. Легирование шва повышает его свойства. При широких и глубоких швах нужны электроды с материалами, обладающими повышенной деформационной способностью. Применяют специальные электроды, соответствующие химическому составу стали. Их желательно подвергнуть прокалке. Тонкие швы получают аргонодуговой сваркой и неплавящимися электродами.

Высоколегированных

Высоколегированные стали имеют индивидуальные требования к условиям сварки. Из-за невысоких коэффициентов теплопроводности и расширения материала увеличивается глубина прогрева детали, нагрев сильно изменяет её геометрию. ГОСТ регламентирует применение электродов, покрытых фтористокальциевым составом. Кислотостойкие сорта сваривают в среде аргона плавящимися либо неплавящимися электродами. Толстые детали сваривают ручной дуговой сваркой.

Многие производители электродов указывают, для каких видов металлов и их сплавов предназначена та или иная продукция.

Сферы применения

За полтора века легированная сталь нашла применение в сотнях отраслей. Инструментальные – сырьё для штампов холодного и высокотемпературного деформирования (ковки) металла, режущего инструмента: развёртки, свёрла, метчики, фрезы. Из конструкционных сортов производят детали и узлы станков, различных механизмов.

Жаро- и теплостойкие легированные стали – сырьё для изготовления механизмов, работающих при высокой температуре: свечи зажигания, трубы, термопары. Из конструкционных цементируемых сортов изготовляют железобетонные конструкции. Отдельно выделяют рельсовые стали, из которых делают железнодорожное полотно. Нержавейка – это хирургические инструменты, кухонные приборы, посуда, инструменты, сантехника, детали двигателей. Кислотостойкие сорта – сырьё для труб, ёмкостей, деталей агрегатов, которые эксплуатируют в агрессивной среде с повышенной кислотностью.

Теперь вы знаете, что такое легированная сталь. Её основное отличие – добавление металлов либо неметаллических вкраплений. Стали различают объёмом добавок, получаемой кристаллической решётки, чистоты сплава. От назначения материала зависит его состав, технология производства.

Влияние легирующих элементов на сталь – как делают идеальные сплавы?

Влияние легирующих элементов на свойства металлургических сплавов изучено по-настоящему хорошо. Благодаря этому введение в сталь различных добавок позволяет получать композиции с уникальными технологическими характеристиками.

1 Группы легирующих элементов и их обозначение

Компоненты, используемые для улучшения свойств сталей, разбивают по степени применимости на три подвида:

Никель – обозначение в готовом сплаве – Н, молибден – М;
Марганец – Г, хром – Х, кремний – С, бор – Р;
Ванадий – Ф, ниобий – Б, титан – Т, цирконий – Ц, вольфрам – В.

К третьему подвиду относят и остальные элементы для легирования – азот (обозначение – А), медь (Д), алюминий (Ю), кобальт (К), бор (Р), фосфор (П), углерод (У), селен (Е). Отметим, что подобное деление обусловлено в основном экономическими соображениями, а не сугубо физическими.

По характеру воздействия добавок на модификации (полиморфные), наблюдаемые в сталях, все легирующие элементы делят на два типа. К первому относят компоненты, которые при любых температурах способны стабилизировать аустенит (в основном это марганец и никель). Вторая группа включает в себя элементы, которые при определенном своем содержании могут поддерживать ферритную структуру сплава (алюминий, молибден, хром, кремний, вольфрам и другие).

По механизму влияния на свойства и структуру сталей добавки причисляют к одному из трех типов:

Легирующие элементы, способные создавать карбиды углерода при реакции с последним (бор, молибден, титан, цирконий).
Добавки, обеспечивающие полиморфные превращения (альфа-железо в гамма-железо).
Химэлементы, при использовании которых получаются интерметаллические соединения (ниобий, вольфрам).

Правильное легирование сталей подразумевает введение в их состав тех или иных добавок в строго рассчитанных количествах. При этом оптимальных результатов металлурги достигают в случае, когда "насыщение" сплавов производится комплексно.

2 Какие свойства сплавов позволяют улучшить легирующие добавки?

Легирование дает возможность снизить деформируемость изделий, производимых из различных марок стали, снизить порог хладоломкости сплавов, свести к минимуму риск появления в них трещин, значительно уменьшить скорость закалки и при этом повысить:

прокаливаемость;
ударную вязкость;
текучесть;
сужение (относительное);
коррозионную стойкость.

Все легирующие добавки (кроме кобальта), повышают прокаливаемость сталей и уменьшают (зачастую весьма существенно) критическую скорость закалки. Достигается это за счет увеличения устойчивости аустенита в сплавах.

Образующие карбиды элементы способны замещать атомы железа в цементите. За счет этого карбидные фазы становятся более устойчивыми. При выделении карбидов из твердых растворов наблюдается явление дисперсионного упрочнения сталей. Другими словами – сплав получает дополнительную твердость.

Также карбидообразующие добавки делают процесс коагуляции дисперсных частиц в сталях более медленным и препятствуют (при нагреве) росту аустенитных зерен. Благодаря таким легирующим компонентам сплавы становятся намного прочнее.

Аустенитную структуру улучшают любыми легирующими добавками, кроме углерода и азота.

Насыщенный добавками аустенит получает высокий показатель теплового расширения, становится парамагнитным, у него снижается предел текучести. Композиции с подобными свойствами незаменимы для выпуска немагнитных и нержавеющих сталей. Аустенитные сплавы, кроме того, прекрасно упрочняются при грамотно проведенной холодной деформации.

Стали, имеющие ферритную структуру, при легировании также обретают добавочную прочность. Максимальное влияние на этот показатель оказывает хром и марганец. Обратите внимание! Прочностные характеристики сплавов увеличиваются при снижении геометрических параметров ферритных зерен.

3 Влияние конкретных химических элементов на свойства стали – коротко об основном

Давайте посмотрим, какие именно характеристики готовых сплавов способны улучшить те или иные добавки:

Вольфрам создает карбиды, которые повышают красностойкость и показатели твердости стали. Также он облегчает процесс отпуска готовой продукции, снижая хрупкость стали.
Кобальт увеличивает магнитный потенциал металла, его ударостойкость и жаропрочность.
Никель повышает прокаливаемость, прочность, коррозионную стойкость, пластичность сталей и делает их более ударопрочными, снижает предел хладноломкости.
Титан придает сплавам высокую плотность и прочностные свойства, делает металл коррозионностойким. Стали с такой добавкой хорошо обрабатываются специальным инструментом на металлорежущих агрегатах.
Цирконий вводят в сплавы, когда необходимо получить в них зерна со строго определенными размерами.
Марганец делает металл устойчивым к износу, повышает его твердость, удароустойчивость. При этом пластичные свойства сталей остаются на прежнем уровне, что важно. Заметим – марганца нужно вводить не менее 1 %. Тогда влияние этого элемента на эксплуатационные показатели сплава будет ощутимым.
Медь делает металлургические композиции стойкими к ржавлению.
Ванадий измельчает зерно сплава, делает его прочным и очень твердым.
Ниобий вводят для снижения явлений коррозии в сварных изделиях, а также для повышения кислотостойкой стальных конструкций.
Алюминий увеличивает окалийность и жаропрочность.
Неодим и церий используют для сталей с заданной заранее величиной зерна, сплавов с малым содержанием серы. Эти элементы также снижают пористость металла.
Молибден повышает прочность сплавов на растяжение, их упругость и красностойкость. Кроме того, эта легирующая добавка делает стали стойкими к окислению при высоких температурах.

Больше влияние на характеристики сталей оказывает кремний. Он повышает окалийность и упругость металла. Если кремния содержится около 1,5 %, сталь становится вязкой и при этом очень прочной. А при его добавке более 1,5 % сплавы обретают свойства магнитопроницаемости и электросопротивления.

Грамотно выполненное легирование сталей обеспечивает их особыми свойствами. И современные металлургические предприятия активно используют этот процесс для выпуска широкой номенклатуры сплавов с высокими технологическими характеристиками.

Читайте также: