Среди множества материалов, которые используются в промышленности и строительстве, одним из наиболее востребованных является легированная сталь. Высокий спрос объясняется особенностями ее состава. Добавление легирующих элементов улучшает качество материала и расширяет список способов его применения.
В статье разберемся, что такое легированная сталь и в чем заключаются ее особенности. Также рассмотрим классификацию сталей и уделим внимание маркировке по ГОСТам.
Что такое легированная сталь
Начнем с самого понятия. Легированной сталью называется сплав железа и углерода с добавлением легирующих элементов: хрома, никеля, марганца и т. д. Использование таких присадок улучшает первоначальные характеристики материала и позволяет получить свойства, оптимальные для решения определенных производственно-технологических задач.
Основными элементами в составе легированной стали выступают железо и углерод. Содержание последнего имеет особое значение. Легированные стали в зависимости от марки различаются по количеству углерода в составе, что напрямую влияет на качество сплава.
Свойства материала также определяются сочетанием и концентрацией легирующих элементов, которые повышают прочность, жаростойкость, устойчивость к коррозии и другие важные характеристики.
История появления легированной стали
Появление легированных сталей в их современном виде напрямую связано с развитием металлургии. Человечество с давних времен искало способы, которые позволяли улучшить характеристики обычного сплава железа с углеродом.
Сложно точно указать период, когда при производстве сталей начали использоваться легирующие элементы. Значительный вклад в развитие металлургии внесли исследователи XIX и XX веков. Например, английский изобретатель Генри Бессемер в 1856 году открыл метод передела жидкого чугуна в сталь.
В дальнейшем производство сталей эволюционировало вместе с научно-техническим прогрессом. Большую роль сыграло не только открытие, но и тщательное изучение свойств различных химических элементов, которые впоследствии начали использоваться как легирующие.
Преимущества легированных сталей
В зависимости от видов добавок стали приобретают новые качества. Процентное содержание присадок определяет, насколько выражены эти характеристики.
В целом к преимуществам легированных сталей относятся:
- повышенная прочность и твердость;
- низкая степень хрупкости;
- устойчивость к коррозии;
- сохранение свойств при нагреве до +1000 °C;
- стойкость к воздействию агрессивных сред;
- высокая ударная вязкость;
- устойчивость к нагрузкам на растяжение-сжатие;
- высокая текучесть;
- устойчивость к истиранию;
- высокая степень свариваемости;
- упругость и эластичность.
Специфика производства легированных сталей
Изготовление сталей с легирующими добавками — сложный технологический процесс. Он включает несколько этапов, которые мы рассмотрим более подробно:
- Подготовка сырья
Основным компонентом в составе сплава выступает железо, полученное из руды либо переплавленного металлолома. Важно, чтобы сырье для производства легированной стали было тщательно очищенным. Количество вредных примесей, например, серы или фосфора, не должно превышать нормативные показатели. В противном случае качество готовой стали ухудшается, что повышает риск разрушения материала.
- Выплавка
Предварительно очищенное сырье подвергается тепловой обработке в конвертере или дуговой сталеплавильной печи.
- Легирование стали
В процессе плавления добавляются легирующие элементы — в форме сплавов, гранул или порошков.
- Очистка
Чтобы минимизировать содержание вредных примесей, проводятся специальные процедуры. К ним относятся фильтрация, десульфурация и вакуумная дегазация.
- Отливка и формовка
Расплав разливается по формам для создания слитков, заготовок, труб и другой продукции.
- Термообработка
Полученные методом литья изделия могут подвергаться закалке, отпуску или нормализации. Такие процедуры позволяют добиться определенных характеристик легированной стали.
После формовки и термообработки стальные изделия могут проходить через дополнительные операции, которые придают особые свойства их поверхности: полировку, покрытие защитным слоем или гальванизацию.
Каждый этап производства легированной стали требует тщательного контроля. Методы и технологии могут различаться в зависимости от предприятия-изготовителя.
Однако в целом все производители действуют по одной схеме, придерживаясь общепринятых нормативов. Это позволяет изготавливать легированные стали, которые обладают нужными специфическими свойствами и соответствуют высоким стандартам качества.
Классификация легированных сталей
Сплавы с добавлением легирующих элементов различаются по ряду критериев. Рассмотрим каждый из них.
Структура кристаллической решетки
В зависимости от своей структуры стали делятся на следующие типы:
- перлитные;
- ледебуритные;
- ферритные;
- аустенитные;
- аустенитно-ферритные.
Перлитные легированные стали бывают доэвтектоидными, эвтектоидными и заэвтектоидными.
Степень легирования
Здесь при делении на классы главным критерием выступает доля легирующих элементов. В зависимости от их содержания стали бывают:
- низколегированные с долей присадок до 2,5%;
- среднелегированные с долей присадок в пределах 2,5–10%;
- высоколегированные с долей присадок от 10 до 50%.
Состав
По содержанию углерода легированные стали делятся на следующие группы:
- низкоуглеродистые с долей углерода до 0,25%;
- среднеуглеродистые с содержанием углерода на уровне 0,25–0,65%;
- высокоуглеродистые с долей углерода от 0,65%.
Кроме того, в зависимости от легирующих элементов стали бывают хромистыми, никелевыми, молибденовыми, хромоникельмолибденовыми и т. д.
Качество
При классификации сталей по качеству учитывается содержание вредных примесей, пузырьков воздуха, неметаллических включений.
Самыми дешевыми являются обыкновенные, или рядовые, стали, которые содержат до 0,6% углерода. В таких сплавах встречаются вкрапления в виде пузырьков воздуха.
К качественным относятся спокойные, полуспокойные и кипящие стали. Такие сплавы содержат кислород, водород и азот. Максимальная концентрация газов характерна для кипящих сталей.
Высококачественные стали выплавляются без использования угля и отличаются низким содержанием нежелательных примесей — до 0,03%.
Особо высококачественные стали при плавлении подвергаются глубокой очистке от оксидов, сульфидов и неметаллических включений. Благодаря этому содержание серы и фосфора не превышает 0,01% и 0,025% соответственно.
Назначение
Этот критерий определяет особенности использования легированных сталей.
Конструкционные стали широко применяются в строительстве и машиностроении. Такие сплавы предназначены для изготовления различных деталей, узлов, механизмов и конструкций.
Инструментальные стали делятся на режущие и штамповые. Сфера применения — изготовление режущих механизмов и штампов. Отметим, что инструментальные стали не используются для сварки.
Стали с особыми свойствами делятся на следующие подтипы:
- Жаропрочные. Способны выдерживать воздействие высоких температур — до +1000 °C.
- Устойчивые к появлению коррозии. Подходят для изготовления изделий и конструкций, которые эксплуатируются в условиях высокой влажности.
- Окалиностойкие. Отличаются невосприимчивостью к распаду.
Практическое применение
Машиностроительные стали используются для изготовления деталей и узлов механизмов, корпусов машин и оборудования.
Жаропрочные стали востребованы при производстве деталей двигателей, паровых турбин и котлов, металлургических печей.
Улучшаемые стали можно применять для изготовления крупногабаритных изделий сложной формы, которые подвергаются значительным динамическим и вибрационным нагрузкам.
Цементуемые стали используются при производстве работающих на износ деталей, подвергающихся переменным и ударным нагрузкам.
Строительные стали востребованы при изготовлении сварных конструкций из металла. Среди преимуществ таких сплавов стоит отметить возможность их использования под сильным давлением и в агрессивной среде (после специальной обработки). Такие стали делятся на мостостроительные, судостроительные нормальной и повышенной прочности, упрочненные и т. д.
Маркировка легированных сталей
Производство сталей с легирующими добавками регламентируется рядом стандартов:
- ГОСТ 20072–74 для теплоустойчивых сталей.
- ГОСТ 4543–71 для конструкционных сталей.
- ГОСТ 19281–89 для сталей повышенной прочности.
- ГОСТ 801–79 для шарикоподшипниковых сталей.
- ГОСТ 14959–79 для рессорно-пружинных сталей.
- ГОСТ 5521-86 для судостроительных сталей.
- ГОСТ 5632-2014 для нержавеющих, коррозионно-стойких, жаростойких и жаропрочных и т. д.
В России и странах СНГ при маркировке легированных сталей используется буквенно-цифровая система. В соответствии с ней кириллические буквы указывают на названия легирующих элементов:
- В — вольфрам;
- Г — марганец;
- Д — медь;
- К — кобальт;
- М — молибден;
- Н — никель;
- С — кремний;
- Т — титан;
- Х — хром;
- Ю — алюминий и т. д.
Цифры обозначают процент содержания углерода и добавок.
Кроме того, буквы принято использовать для определения способа, которым раскисляется сталь:
- СП — спокойная;
- ПС — полуспокойная;
- КП — кипящая.
Если в маркировке после буквы отсутствует цифра, это означает, что содержание легирующего элемента составляет максимум 1%. Наличие буквы А в конце шифра говорит о том, что это высококачественная сталь.
Чтобы было проще понять, как читать маркировку легированных сталей, стоит привести простые примеры:
- 35Х3Н5 - такой шифр значит, что сталь содержит 0,35% углерода, 3% хрома и 5% никеля.
- 12Х18Н10Т - в этом сплаве содержится 0,12% углерода, 18% хрома и 10% никеля. При этом количество титана, обозначенного буквой Т, составляет не более 1%.
Легирующие элементы и их влияние на свойства сталей
Разберемся, какие свойства приобретает сплав при добавлении того или иного элемента.
Хром повышает прочность и твердость, ударную вязкость, устойчивость к коррозии и электрическое сопротивление. В то же время при добавлении этого элемента незначительно снижается пластичность и коэффициент линейного расширения стали.
Никель делает сплав более вязким и пластичным, повышает его ударопрочность и устойчивость к коррозии.
Вольфрам положительно влияет на твердость и прокаливаемость легированных сталей.
Молибден повышает упругость и сопротивляемость нагрузкам на растяжение. Кроме того, этот элемент увеличивает прокаливаемость и коррозионную стойкость.
Ванадий делает стали прочнее, тверже и плотнее.
Кремний способствует прочности, твердости и упругости материала, повышает его жаростойкость и электрическое сопротивление.
Марганец увеличивает твердость, износостойкость, прокаливаемость и ударопрочность стали.
Алюминий повышает устойчивость к образованию окалины.
Кобальт способствует жаро- и ударопрочности стальных сплавов, улучшает их магнитные свойства.
Титан положительно влияет на обрабатываемость материала, делает его более прочным и устойчивым к коррозии.
Ниобий не только повышает коррозионную стойкость сплавов, но и придает им устойчивость к воздействию кислот.
Медь делает сталь пластичнее и устойчивее к воздействию коррозии.
Церий способствует прочности и пластичности сплавов.
Неодим, лантан и цезий снижают пористость легированных сталей и улучшают качество поверхности.
Заключение
Стали, при производстве которых используются легирующие элементы, незаменимы во многих сферах человеческой деятельности — от авиа- и машиностроения до энергетики и нефтеперерабатывающей отрасли.
Благодаря легированию сплавы приобретают уникальные свойства, что позволяет успешно решать самые разные задачи как на бытовом, так и на производственном уровне.
При выборе изделий из легированной стали необходимо обращать внимание на маркировку. Буквенно-цифровое обозначение позволяет определить, какими свойствами обладает сплав, который использовался при производстве инструмента, жаропрочной детали или другой продукции.