Легированная сталь: свойства, характеристики, виды и применение

Обычная углеродистая сталь – это соединение железа углерода и ряда примесей. Леги́рованная сталь — сплав, содержащий кроме железа и углерода другие специально вводимые в состав элементы. Например, молибден или хром. Целью введения добавок может быть увеличение механических свойств, химическая или тепловая стойкость, улучшение магнитных качеств, устойчивость. То есть получение необходимых физических и химических свойств металла.

В данной статье мы расскажем про один из наиболее распространенных методов, а также дадим ответ про легированную сталь – что это такое, разберем основные характеристики и степень легирования по назначению, маркировку.

Что такое легированная сталь

Легированная сталь отличается составом, ее основные компоненты – железо (не менее 45%) и главная составляющая, углерод. Но в отличие от классического металла, добавляют специализированные легирующие элементы. Их концентрация не очень большая, но даже эта небольшая доля (обычно от 1 до 3%) способствует значительному изменению в лучшую сторону характеристик и качества материала. Физические свойства, такие как прочность, пластичность, хрупкость, могут быть увеличены или уменьшены в несколько раз, согласно количеству примесей. Изменение кристаллической решетки материалов активно применяют в металлургии, а также при производстве деталей и корпусов для автомобильного, машинного, станочного и прочего производства, а также для создания строительных конструкций и инструментов.

Исторический путь

Начало развития легирования было заложено обоснованием тигельного способа плавления стали в Европе в XVIII веке. В более примитивном варианте тигли использовались еще в древние времена, в том числе для выплавки булатной и дамасской стали. В начале 18 века эта технология получила совершенствование в промышленных масштабах и позволяла корректировать состав и качество исходного материала. Приобретает новые характеристики.

• Одновременное открытие все новых и новых химических элементов, подталкивало исследователей на экспериментальные опыты выплавки.
• Установлено негативное влияние меди на качество стали.
• Открыта латунь, содержащая 6 % железа.

Проводились опыты с точки зрения качественного и количественного влияния на стальной сплав вольфрама, марганца, титана, молибдена, кобальта, хрома, платины, никеля, алюминия и прочих.

Первое промышленное производство стали, легированной марганцем, налажено в начале XIX века. Оно же получило развитие с 1856 года в рамках бессемеровского процесса выплавки.

Особенности легирования

Современные возможности позволяют выплавлять легированные металлы любого состава. Основные принципы рассматриваемой технологии:

1. Компоненты считаются легирующими только в том случае, если они вводятся целенаправленно и содержание каждого превышает 1 %.
2. Сера, водород, фосфор считаются примесями. В качестве неметаллических добавок используются бор, азот, кремний, редко – фосфор.
3. Объемное легирование – это введение компонентов в расплавленную субстанцию в рамках металлургического производства. Поверхностное представляет собой способ диффузионного насыщения поверхностного слоя необходимыми химическими элементами под действием высоких температур.
4. В ходе процесса добавки изменяют кристаллическую структуру «дочернего» материала. Они могут создавать растворы проникновения или исключения, а также размещаться на границах металлической и неметаллической структур, создавая механическую смесь зерен. Большую роль тут играет степень растворимости элементов друг в друге.

Легирование стали

Легированными называют стали, в которые специально вводят те или иные химические элементы. Эти элементы вводят с целью воздействия на структуру и получения требуемых свойств.

Процесс легирования стали

Есть два вида операции:

• Объемный – компоненты попадают в глубинную структуру. В расплав или шихту внедряются хром, никель и пр.
• Поверхностный – в ходе него происходит диффузионное или иное напыление, то есть покрывается только верхний слой. Легирующий элемент проникает неглубоко, примерно на 1-2 мм. Это необходимо для создания на поверхности металла определенных свойств (например, антифрикционных).

Несколько правил процесса легирования:

1. Легирующих добавок может быть несколько.
2. Примеси и добавки могут быть металлическими (например, медь, хром, титан или молибден) и неметаллическими (например, фосфор).
3. Для получения различных характеристик легирование может производиться на различных этапах плавки.
4. 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.
5. Распределение элементов зависит от температуры и времени, глубина вхождения — от энергии. При термодиффузии происходит осаждение легирующих элементов, отжиг и удаление легирующих элементов.
6. Нейтронно-трансмутационное легирование происходит благодаря ядерным реакциям — в данном случае легирующие и легируемые элементы объединяются в 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, молибден и вольфрам. Назначение зависит от свойств элемента.

Например, железо само по себе не особо прочное, но его прочность значительно возрастает, когда оно легируется углеродом, а затем быстро охлаждается для производства стали. Медь увеличивает антикоррозийные свойства стали. Некоторые характеристики легированной 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.
• 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).

Черные сплавы

Черные легированные 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, низкая себестоимость материала, 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.

Маркировка легированных сталей

Марки стали — это классификация сталей по их химическому составу и физическим свойствам. Марка указывает на предназначение, основу, наличие добавок. При обозначении легированной конструкционной стали процентная величина массовой доли углерода маркируется первыми двумя цифрами, без использования обозначения буквой. Далее в порядке уменьшения в маркировке указываются легирующие компоненты и их доля в сплаве в среднем эквиваленте. Марка конструкционной стали может включать буквенные обозначения. Маркировка обозначается буквой, которая показывает назначение конструкционной стали. Конструкцио́нная сталь применяется для изготовления деталей, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладает определёнными свойствами. Литеры обозначают следующие марки:

• Буквы Ж,Х,Е — нержавеющие, хромистые (много хрома), магнитные металлы.
• Буква Я — нержавеющий сплав хромоникилиевого типа.
• Буква Ш — нержавейка шарикоподшипниковой разновидности.
• Литера Р — режущий металл.
• Буквы А, Ш — сталь с примесями, обладающая высоким качеством.

Элементы, добавленные в легированную конструкционную сталь, в маркировке обозначают буквами русского алфавита, где X – хром, Н – никель, В – вольфрам, М – молибден, Ф – ванадий, Т – титан, Ю – алюминий, Д–медь, Г – марганец, С – кремний, К – кобальт, Ц – цирконий, Р – бор, Б – ниобий. Буква А в середине марки говорит о содержание азота, а в конце свидетельствует о том, что сталь высококачественная.

За буквой в маркировке стоит цифра, указывающая количество добавления данного элемента в процентах. Если за буквой в маркировке цифры нет, то это означает, что содержание легирующего элемента составляет менее 1,0%. Если в конце марки указана буква «А» — это обозначение высококачественной стали. Примеры:

1. Марка 35Х3Н5 обозначает конструкционную легированную качественную сталь, содержащую около 0,35% углерода, 3% хрома, количество 5% никеля, остальное железо
2. 03Х13АГ19. В этой ЛС углерода содержится в сотых долях — 0,03 %. Хрома – 13, азота – до 1 %, марганца – 19;
3. 18ХГТ. Здесь состав легирующих элементов такой: углерод – 0,18 %, хром, количество титана и марганца – до 1.

Легированные сплавы с маркировками выпускаются по нескольким Государственным стандартам:

• теплоустойчивые – ГОСТ 20072–74;
• конструкционные – ГОСТ 4543–71;
• низколегированные – ГОСТ 19281–89;
• шарикоподшипниковые – ГОСТ 801–79;
• пружинные – ГОСТ 14959–79.
• нержавеющие легированные стали для судостроения ГОСТ 5521-86
• Нержавеющие стали, жаропрочные и коррозионностойкие сплавы выпускаются по ГОСТ 5632–2014.

Европейские стандарты

EN 10027 определяет порядок обозначения и маркировки всех сталей. Легированные сплавы имеют маркировку 1.20ХХ – 1.89ХХ, где первая цифра определяет, что данный материал относится к сталям, вторая и третья цифра определяют номер группы сталей и две последние — порядковый номер сплава в этой группе.

Североамериканские стандарты ASTM/ASME и AISI

В США действует наиболее обширная система маркировки видов сталей. Например, маркировка ASTM предполагает обозначение основных химических элементов, предел прочности и форму проката материала. В системе AISI используют 4 цифры, где первые две указывают номер группы, две последующие – процентное количество углерода. Буквенные символы демонстрируют наличие соответствующих присадок.

Классификация легированных сталей

По содержанию в составе стали углерода идет разделение на:

• низкоуглеродистые стали (до 0,25% углерода);
• среднеуглеродистые стали (до 0,25% до 0,65% углерода);
• высокоуглеродистые стали (более 0,65% углерода).

В зависимости от общего количества в их составе легирующих элементов, которые содержит легированная сталь, она может принадлежать к одной из трех классификаций:

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

По структуре классификация на:

• доэвтектоидные — в составе присутствует избыточный феррит;
• эвтектоидные — сталь имеет перлитную структуру;
• заэвтектоидные — в их структуре присутствует вторичные карбиды;
• ледебуритные — в структуре присутствует первичные карбиды.

По качеству:

• Обыкновенные, или рядовые. Это самый дешевый материал с содержанием углерода в пределах 0,6%, при этом в металле есть пузырьки воздуха. Чаще всего встречаются такие марки: СтО, Ст3сп, Ст5кп.
• Качественные. Сюда относятся спокойные, полуспокойные и кипящие виды, в составе которых есть кислород, азот, водород. При этом в кипящих достигается максимальная концентрация газов. Стали могут быть углеродистыми и легированными марок Ст08кп, Ст10пс, Ст20, 7ХФ, 8ХФ.
• Высококачественные. Отличаются сниженным содержанием серы и фосфора – в пределах 0,03 %. Эти стали выплавляют в электропечах без использования угля. Сюда относятся марки 6ХВ2С, 6Х3ФС.
• Особо высококачественные. Металл в горячем виде проходит глубокую очистку от оксидов, сульфидов, неметаллических включений. В итоге в нем остается до 0,01 % серы и 0,025 % фосфора. Речь идет, например, о такой марке, как 30ХГС3-Ш.

По назначению:

1. Конструкционные легированные стали. Применяется для изготовления различных деталей, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве. Конструкционная сталь обладает определёнными механическими, физическими и химическими свойствами.
2. Инструментальные легированные стали (режущие и штамповые). Не предназначены для сварки, инструментальные только для изготовления режущих инструментов и штампов.
3. Легированные стали с особыми свойствами. Делятся на такие классификации:

• Жаропрочные стали – они выдерживают температуры вплоть до 1000 градусов.
• Устойчивые к коррозии металла, поэтому их можно применять в изделиях и конструкциях, которые предназначены для эксплуатации в условиях повышенной влажности.
• Жароустойчивые и окалиностойкие стали – характеристики отмечают их невосприимчивость к распаду.

По форме решетки:

• Ферриты. Магнитны, решетка неустойчива, меняется в результате нагревания, охлаждения, преобразуясь в перлит, сорбит, тростит. В данную группу входят все низколегированные и углеродистые стали.
• Аустениты. Характеризуются высоким содержанием никеля, хрома и марганца. За счет своего структурного строения являются жаростойкими, пластичными, не боятся ржавчины. В эту группу или классификацию входят хромоникелевые нержавеющие стали.
• Мартенситы. Охлаждение после закалки приводит к мартенситовому превращению, в результате чего происходит образование кубической ячейки, составляющие игольчатые либо реечные кристаллы.

По применению:

• Машиностроительные легированные стали — служат для производства деталей всевозможных механизмов, корпусных конструкции и тому подобного. Отличаются тем, что в подавляющем большинстве случаев проходят термическую обработку. Виды и классификация:
• Жаропрочные легированные стали
• Улучшаемые (из категорий среднеуглеродистых, низко- и среднелегированных) стали
• Цементуемые (из категорий низкоуглеродистых, низко- и среднелегированных) стали
• Строительные легированные стали — чаще всего изготавливают сварные металлоконструкции и термической обработке подвергаются в редких случаях. Они могут использоваться под сильным давлением и в агрессивных средах после обработки. Поэтому они в строительстве одни из самых популярных. Нужно только правильно выбрать сплав. Виды:
• Массовая — низколегированные стали в виде труб, фасонного и листового проката.
• Мостостроительная — для автомобильных и ж/д мостов.
• Судостроительная хладостойкая, нормальная и повышенной прочности.
• Судостроительная хладостойкая высокой прочности.
• Для горячей воды и пара — температура до 600 градусов.
• Низкоопущенные высокой прочности — применяются в авиации, чувствительны к концентрации напряжений.
• Повышенной прочности с применением карбонитритного упрочнения, создающим мелкозернистую структуру стали.
• Высокой прочности с применением карбонитритного упрочнения.
• Упрочненные прокаткой при температуре 700-850 градусов.

Легирование и примеси — есть ли разница

Некоторые химические элементы, содержащиеся в обычных сталях, тоже можно называть легирующими. К таким можно отнести, например, медь (до 0,2%), кремний (до 0,37%) и т.д. Постоянными спутниками любой стали являются фосфор и сера. Тем не менее, металловеды относят их к примесям.

Почему? Любая примесь является следствием либо чистоты исходной руды (марганец), либо специфики металлургических процессов плавки (сера, фосфор). Теоретически выплавленная без фосфора и серы сталь обладала бы такими же механическими свойствами. Легирование же имеет своей конечной целью именно повышение определённых технических характеристик стали, а сера и фосфор этого не делают. При этом они однозначно относятся к вредным, но неизбежным примесям добавкам.

Наличие химического элемента с концентрацией более 1% дает основание вводить его условное значение в марку стали. В целом принято, что стали:

• содержат только один, намеренно вводимый в состав стали элемент;
• в составе которых имеются иные, кроме углерода и марганца, химические элементы в количестве не более 1%

Если в составе выплавляемого сплава процентное содержание железа не превышает 55%, то такой материал уже не может использовать название легированной стали. Это правило нельзя отменить.

Легирующие элементы (добавки)

Примеси, которые невозможно полностью убрать их сплава. Таблица:

Также добавкой может считаться медь и некоторые другие.

Химический состав легированной стали

Есть постоянные компоненты – это те, которые есть в любом сплаве данной категории, есть также необязательные, легирующие ингредиенты. Сперва перечислим те, которые образуют классический материал:

• Железо. В процентном соотношении его может быть от 45 до 97-99 процентов.
• Углерод. В среднем его добавляют от десятых до 1,4 процента к общей массе. Чем больше его содержание, тем выше прочность.
• Марганец. Если его меньше, чем 1 процента(сотые), то особенных свойств он не придает. Он является раскислителем, то есть способствует удалению из сплава кислорода, который, в свою очередь, негативно влияет на особенности.
• Кремний – обязательный элемент, который при большом содержании (более 0,8 процента) имеет легирующие свойства. Он тоже является раскислителем, а также увеличивает стойкость, предел упругости, жаропрочность и некоторые другие особенности.

Кроме того, в составе обычно есть вредные и скрытые примеси. От них пытаются избавиться, но, к сожалению, полностью убрать не получается. Поэтому в крайне малых дозах в образцах есть:

• Сера, из-за которой увеличивается красноломкость – появляются трещины на разогретой заготовке.
• Фосфор, он приводит к увеличению хладноломкости, то есть хрупкости.
• Кислород, азот и водород – «разрыхляют» структуру.
• Окислы и нитриды – могут привести к надрывам.

Есть случайные, безвредные. Они попадают в емкость вместе с шахтами, то есть со смесью исходных материалов, и не несут положительного влияния:

• цинк;
• свинец;
• титан;
• медь;
• хром и пр.

И есть специальные легирующие добавки, которые мы перечисляли в статье выше.

Отличия легированной стали от углеродной

В составе легированной стали, помимо обычных примесей, присутствуют дополнительные вещества, позволяющие ей отвечать определенным химическим и физическим требованиям.

Разница между легированным и нелегированным металлом состоит в химическом составе:

1. В легированном сплаве, помимо стандартного железа и углерода, есть дополнительные компоненты и они улучшают свойства металла.
2. В углеродистой или классической стали также присутствуют следы случайных примесей, но они не способны сильно сказаться на ее характеристиках.

Существуют разные степени легирования, однако даже небольшое содержание химических элементов значительно повышает качественные характеристики металла и его состояние. Например, углерод, усиливая твёрдость, одновременно делает сплав более хрупким, но добавив хром и никель можно значительно улучшив сплав.

Достоинства и недостатки

Достоинства:

• повышенное сопротивление деформациям (пластическим);
• высокую твердость;
• стабильную аустенитную структуру, обеспечивающую отличные показатели прокаливаемости металла;
• высокий уровень сопротивления хладноломкости и вязкости;
• уникальные технологические качества;
• минимальную вероятность коробления либо появления иных дефектов при проведении закалки стали.

Недостатки:

• Склонны к ликвации дендритного вида. Этого можно избежать, если провести диффузионный отжиг металла.
• Содержат остаточный аустенит (это, в частности, касается высоколегированных сталей). Он уменьшает (и существенно) сопротивляемость усталости и твердость сплава.
• Имеют определенную склонность к отпускной обратимой хрупкости и к появлению флокенов – ориентированных в разные стороны трещин небольших размеров. От подобных дефектов следует избавляться посредством замедления охлаждения стали и снижением уровня водорода в ней в процессе выплавки.

Разные виды термообработки нивелируют недостатки интересующих легированной стали. И изделия обретают особые, а зачастую и уникальные свойства, достаточно простым способом.

Легированный металлолом

Обзор рынка легированного лома касается не только стали, но и чугуна. Действительно, доля объявлений купим легированный лом чугуна, не особо уступает спросу на вторичное низкоуглеродистое железо. Прием легированного лома осуществляется практически всеми пунктами, работающими с черным металлом, однако по существенно более высокой стоимости.

Для пунктов приема металлолома разделения по легированным сталям нет (как в справочнике) – для них есть черный лом, лом нержавеющей стали и лом быстрорезов. В черный лом могут включаться такие стали, как: 09Г2с и другие марки. Некоторые предприятия специализированно закупают определенную марку.

Цена лома за килограмм определяется вхождением легирующих элементов. Например, вторичная сталь, с содержанием никеля более 9.3%, может приниматься до 60 рублей за кг, тогда как более низкая концентрация Ni, приравнивает отходы к обычному черному стальному лому – 11000 за тонну.

Легированный лом

Особую ценность представляют быстрорежущие марки (быстрорежущая сталь), ценность которых даже в виде металлолома существенно выше. Однако сами по себе отходы быстрорезов многие приемщики разделяют на две категории:

1. обозначение марки Р6М5, Р18, применяемые для обработки металлов, тех же легированных конструкционных сталей;
2. обозначение сорта Р9 и Р12, используемые для работ по камню и менее твердым материалам.

Таким образом, стоимость лома легированной стали определяется в основном парой параметров: содержание и вид добавки, а также качество самой стали.

Сварка легированных сталей: особенности

Легированные сплавы обладают хорошей пластичностью, поэтому из них можно изготовить сложные конструкции методом сварки. По причине различного содержания добавок каждый вид легированных изделий имеет свои особенности:

1. Сварка низколегированных сталей. Особенность заключается в высокой сопротивляемости холодным трещинам и хрупкому разрушению. Но, такие свойства соединительного шва можно достичь только при правильном сваривании. Низколегированные стали марки 10Г2СД, а также 14ХГС и 15ХСНД свариваются с использованием аппарата постоянного тока с обратной полярностью. Электроды для сваривания должны иметь фтористо-кальциевое покрытие. Величина сварочного тока должна точно соответствовать классу электрода, толщине металла и виду сплава. Сварка низколегированной стали должна осуществляться без перерыва, чтобы весь шов был выполнен без при температуре металла не менее 200 градусов. Средняя скорость сварки составляет 20 м/ч, при напряжении 40 В и силе тока 80 А.
2. Сварка среднелегированных сталей. Необходимо использовать сварочные материалы, в которых содержание легирующих элементов должно быть меньше, чем в свариваемом материале. Если при изготовлении изделий из среднелегированных сталей толщина листа не превышает 5 мм, то высокого качества соединения можно достичь при использовании аргонодуговой сварки. Если для соединения деталей используется газовая сварка, то в качестве источника горения следует применять ацетилен в смеси с кислородом.
3. Сварка высоколегированных сталей. Следует применять сварочное оборудование с минимальным тепловым захватом материала. Это необходимо для снижения вероятности коробления высоколегированного металла во время сварки, по причине большого содержания в составе металла различных примесей. Электрическая сварка осуществляется с использованием электродов с фтористокальциевым покрытием. Применение газовой сварки при изготовлении конструкций из высоколегированных сталей нежелательно. В исключительных случаях используется для соединения жаропрочного листа толщиной не более 2 мм.

Использование легированных сталей (сферы применения)

Легированные стали по причине их высокой стоимости, в сравнении с углеродистой сталью, используются только для производства самых ответственных конструкций и деталей, где изделия из других металлов просто не смогут выполнить возложенные на них задачи.

Помимо прочего, сфера применения стали с добавками большая. Из них делают:

• инструменты медицинского назначения, в том числе острые режущие предметы (инструментальная сталь);
• лезвия — инструментальная сталь;
• автоматная техника;
• подшипники, детали, испытывающие высокую радиальную, опорную нагрузку;
• резцы, фрезы, долбяки, сверла,штампы, иная оснастка станков в сфере металлообработки;
• корпуса для техники и приборов;
• нержавеющая посуда, такая как ведра, тазы, пр.;
• детали для автомобилестроения;
• измерительные приборы, пружины, шестерни, подвески, растяжки.

С точки зрения практического применения, среди легированных сталей выделяют:

• Машиностроительные, применяемые для производства деталей механизмов, конструкций корпуса. Они обязательно подвергаются температурной обработке перед применением в машиностроении.
• Строительные, их чаще всего используют для изготовления сварных металлических конструкций и лишь в редких случаях подвергают сильному нагреву.

Такая легированная сталь является материалом для трех групп инструментов:

1. режущих (для резки);
2. измерительных;
3. штампов.

Из низколегированной стали производят корпуса железнодорожных вагонов, вагонов метро, трамваев, несущих конструкций локомотивов, сельскохозяйственных и прочих полевых машин. Также данная легированная сталь служит материалом инженерных сооружений, функционирующих при переменных динамических нагрузках, сезонных и суточных теплосменах. При выборе стали следует обратить внимание на маркировку. В статье выше мы разобрали, как разобраться с маркировкой и что она значит. Инструментальная легированная сталь марок 9ХС, ХВГ, 6ХВ2С идет на изготовление сверл, метчиков, плашек, фрез, протяжки, для технологической оснастки, для ножей холодной резки металла, просечных штампов, вырезных матриц и пуансонов. Инструментальная не рассчитана на сварку.

Легированные стали могут иметь различные свойства, которые они получают за счет соотношения основных элементов, области применения. Однако важно понимать, чем отличается любая легированная сталь.