Что такое легированная сталь - состав, свойства, марки, ГОСТ, назначение, обработка

Пожалуй, нет в мире такого человека, который бы не слышал про самый распространенный сплав железа на земле – сталь. Помимо того, что материал имеет немало разновидностей, он используется в производстве практически любых железных конструкций и предметов. Причем отдельного внимания заслуживает легированные сплавы, которые обладают особыми свойствами. В современной промышленности сложно найти какую-либо отрасль, где не используется легированная сталь. Что такое и чем данная разновидность отличается от всех остальных?

Что это за материал?

Обычная сталь – это соединение железа углерода и ряда примесей. Под определением "легированная сталь" (ЛС) подразумевается особый сплав, который получен путем внедрения некоторого количества химических элементов. Это делается с целью получения необходимых физических и химических свойств металла.

Как правило, добавляются такие элементы периодической таблицы Менделеева, без которых сложно обойтись в зависимости от конкретной ситуации:

• Никель – Н (Ni).
• Медь – М (Cu).
• Ниобий – Б (Nb).
• Хром – Х (Cr).
• Марганец – Г (Mn).
• Кремний – С (Si).
• Ванадий – Ф (V).
• Вольфрам – В (W).
• Молибден – М (Mo).
• Титан – Т (Ti).
• Алюминий – А (Al).
• Цирконий – Ц (Zr).
• Кобальт – К (Co).

Но помимо них находят применение молибден с алюминием. При этом каждый из этих элементов добавляется с определенной целью. И их количество напрямую влияет на получение необходимых качеств. Теперь уже становится немного понятно, что такое легированная сталь.

Добавки

Некоторые из них, повышая какие-то определенные свойства материала, занижают другие качества. К примеру, при помощи марганца можно существенно повысить прочность и твердость металла наряду с улучшением режущих качеств. В то же время это приводит к увеличению зерна, что снижает стойкость к ударным нагрузкам.

Добавление хрома, наоборот, может повысить эти качества и одновременно с этим увеличить жаропрочность. Благодаря никелю сплав становится более упругим, а если его количество преобладает, то металл приобретает высокие показатели коррозийной стойкости и жаропрочности. Нержавеющая сталь, о которой знает каждый, это как раз сплав из последних двух металлов либо материал с содержанием хрома 27 %.

Каждого, кто знает, что собой представляет легированная сталь, что такое легирование - понимает не до конца. Так вот, суть его как раз заключается в добавлении этих элементов. Но вернемся к нашим «примесям» – молибден с одной стороны повышает твердость, но с другой - приводит к уменьшению хрупкости. За счет вольфрама можно повысить не только твердость, но и прочность, а вместе с этим и режущие качества металла. К тому же при нагреве до высокой температуры (600-650 °С) эти свойства не теряются (красностойкость).

Кремний позволяет увеличить упругость материала, а также стойкость к воздействию кислот. Добавление ванадия способствует увеличению пластических свойств за счет уменьшения зерна. Титан позволяет получить более прочный материал.

Примеси

Теперь точно понятно, что такое легированная сталь. Но вместе с этим следует знать о наличии некоторых примесей, которые, вне зависимости от марки стали, в ней всегда присутствуют. В большинстве случаев это неметаллы:

• Углерод.
• Сера.
• Фосфор.
• Кислород и Азот.
• Водород.

Углерод больше всего оказывает влияние на свойства стали. Если его содержится не более 1,2 %, то материал отличается высокой твердостью и прочностью. Также увеличивается предел текучести. Превышение этой нормы приводит к снижению прочности и пластичности.

Большое содержание серы тоже не на пользу. Более 0,65 % – снижается ударная вязкость, коррозионная стойкость, пластичность. Но, помимо этого, существенно снижается свариваемость стали.

С фосфором надо быть предельно внимательным, поскольку его превышение, даже незначительно, отрицательно сказывается на металле. Снижается вязкость и пластичность, в то же время хрупкость и текучесть возрастают. Все это может отразиться на обработке легированных сталей.

Превышение кислорода и азота приводит к излишней хрупкости материала, а также понижают его вязкость.

Высокое содержание водорода тоже наделяет металл хрупкостью, что нежелательно.

Разновидности ЛС

В зависимости от количества легирующих добавок сталь может разделяться на три вида:

• Низколегированная сталь – содержит не более 2,5 % добавок.
• Среднелегированная сталь – количество легирующих элементов варьируется от 2,5 до 10 %.
• Высоколегированная сталь – здесь речь идет о большем содержании 10 % и выше.

При этом учитывается именно суммарное количество легирующих добавок.

Чтобы получить определенные качества, легированные стали проходят процесс нормализации. Это когда материал нагревается до температуры 900 °C, а после этого он охлаждается на воздухе.

Исходя из этого, «маркировка» легированных сталей может выглядеть так:

• Перлитная – содержание легирующих добавок у таких сталей колеблется от 5 % до 7 %. Получаются следующие структуры: перлит, сорбит, тростит.
• Мартенситная – здесь легирующих элементов больше 7-15 %, углерода при этом не более 0,55 %.
• Аустенитная – помимо содержания легирующих элементов (более 15 %), здесь присутствует никель (8 %) и марганец (13 %). Содержание же углерода здесь не более 0,2 %.
• Ферритная – у такой структуры углерода также содержится не больше 0,2 %. В то время как хрома здесь 17-30 %, кремния 2,5 % (не менее). Такие стали можно отнести к малоуглеродистым.
• Карбидная (ледебуритная) – это уже высокоуглеродистые марки (0,7 % С). В основном содержат вольфрам, ванадий, молибден и хром.

Получение разной марки легированной стали, точнее ее структуры, зависит не только от скорости охлаждения металла на воздухе, но и от количества легирующих добавок и углерода.

Особенности маркировки ЛС

В начале статьи в списке легирующих элементов возле каждого из них стоят буквы, что не случайно. Именно ими производится маркировка подобных металлов, но помимо них присутствуют еще цифры. Пример приведен ниже.

Все это делается согласно ГОСТу 4543-71. Буквенно-цифровое обозначение принято неслучайно, ведь все легированные стали имеют широкий ассортимент. А в таком многообразии несложно запутаться, и поэтому возникла необходимость в систематизации.

При этом каждая буква кириллицы (идет первой) в обозначении указывает на присутствие того или иного элемента, а цифра (как правило, после буквы) - содержание в процентах. При этом, если речь идет о количестве менее 0,99 %, то число обычно не ставится.

Иногда в сплав могут быть добавлены и редкоземельные металлы, такие как иттрий, лантан и ряд прочих. В этом случае в обозначении стали легированной по ГОСТу указывается лишь одна буква – Ч. В маркировке стали есть и другие особенности:

• Первые две цифры всегда указывают на процентное содержание углерода, который буквенно никогда не обозначается.
• Если это быстрорежущая сталь, то содержание вольфрама указывается в целых долях процента. Хрома в таких сплавах обычно 4 %.
• Для шарикоподшипниковой стали после букв ШХ следует обозначение содержание хрома в десятых долях процента.
• Присутствие двух литер «А» указывает на особо чистую легированную сталь.

Возьмем для примера две маркировки:

1. 03Х13АГ19 – ЛС содержит 0,03 % углерода, 13 % хрома, 1 % азота и 19 % марганца.
2. 18ХГТ – у этой стали углерода 0,18 %, а хрома, титана и марганца по 1 %.

Помимо этого, в самом начале какой-либо маркировки легированных сталей может стоять буква, которая указывает на материал специального назначения:

• Электротехническая – Э.
• Быстрорежущая – Р.
• Шарикоподшипниковая – Ш.
• Автоматная – А.

Легированные стали еще могут принадлежать категории высококачественных или особенно высококачественных металлов.

В этом случае в конце маркировки будет стоять литера «А» либо «Ш» соответственно.

Преимущества

Все легированные стали обладают рядом ценных преимуществ, среди которых стоит выделить:

• повышенную стойкость к деформациям пластинчатого характера;
• высокую твердость;
• стойкость к хладоломкости и вязкости;
• технологические качества на высоком уровне.

Помимо этого, такая сталь не склона к короблению или появлению прочих дефектов в ходе процесса закалки.

Недостатки

При всех очевидных достоинствах, которыми обладают легированные инструментальные стали либо прочие, недостатки тоже присутствуют:

• Для них характерна дендритная ликвация, но, к счастью, этого можно избежать проведением диффузионного отжига.
• Высоколегированные марки могут содержать остаточный аустенит, из-за чего снижается сопротивляемость к усталости и твердости материала.
• Не исключается появление флокенов – так называемых трещин в структуре стали. Данного дефекта можно избежать путем замедления охлаждения металла, а также снижения содержания водорода в ходе выплавки.

В зависимости от разновидности термической обработки позволяют избежать появления большинства дефектов. В результате чего сталь приобретает необходимые, порой уникальные качества.

Производство ЛС

Процесс производства легированных инструментальных сталей или иных проходит в несколько этапов с использованием электродуговых печей:

• Железная руда очищается.
• Плавление металла.
• Добавление легирующих элементов.

В процессе очистки железная руда избавляется от нежелательных примесей, таких как сера и фосфор. Все это происходит в плавильной печи открытого типа. Также используется технология внепечной обработки стали. Другой технологический необходимый процесс – это вакуумная плавка, в результате которого удаляется мышьяк и ряд примесей цветных металлов.

Для плавки металла уже используется электродуговая печь, для чего в ней сырье разогревается до высокой температуры 400-600 °C. Здесь железо начинает превращаться в чугун, для которого характерна неустойчивая кристаллическая решетка. Но посредством стабилизации из него получается какая-нибудь марка легированной стали.

Делается это следующим образом. В рабочую камеру поступает кислород, при сгорании которого атмосфера камеры снабжается углеродом. Он начинает смешиваться с железом, что и ведет к образованию стали.

Потом уже в сырье начинают добавлять различные добавки в зависимости от необходимых свойств металла. Кристаллическая решетка становится более плотной, и в результате получается легированная продукция.

Термообработка ЛС

На выплавке производство ЛС не заканчивается. После этого необходимо ее закалить. Выплавленные образцы проходят процедуру закаливания при температуре 1100 °C. После нее нужен отпуск углеродистых и легированных сталей, причем делается он постепенно, во избежание появления трещин.

Этот процесс необходим для всех закаленных деталей. Его главная задача заключается в снятии внутренних напряжений. При этом снижается твердость, а пластичность увеличивается. Для отпуска могут использоваться разные средства:

• Ванны:
  • масляные;
  • селитровые;
  • с расплавленной щелочью.
• Печь с принудительной воздушной циркуляцией.

Что касается температуры отпуска, то она зависит от марки ЛС и необходимой твердости материала. К примеру, для HRC 59-60 это 150-200 °C. Для быстрорежущих ЛС нужен температурный режим чуть больше – 540-580 °C. Это еще называется как вторичное отвердение, поскольку твердость детали возрастает.

Как правило, после процесса отпуска сталь охлаждается на открытом воздухе. Но хромоникелевые изделия исключение – для них нужна ванна с водой или маслом. Если охлаждение затянется, это приведет к излишней хрупкости металла.

Область применения

Что касается назначения легированных сталей, то это практически любая сфера человеческой жизнедеятельности. Инструментальный металл идет на производство резцов, фрез, штампов, измерительных устройств, шестерен, пружин, подвесок, растяжек и многого другого. Нержавеющая ЛС идеальна для изготовления посуды, корпусов бытовой техники.

Сварка ЛС

Процесс сварки ЛС в полной мере зависит от химического состава металла. Причем в отличие от легирующих элементов больше всего оказывает влияние углерод. В то же время сами добавки по-разному воздействуют на сварку. К примеру, наличие хрома и марганца в большей степени приводит к образованию трещин, нежели никель. А вот титан на этот процесс действует вполне благоприятным образом.

Из-за большого количества серы, фосфора и растворенных газов свариваемость стали в разы ухудшается. Поэтому их содержание не должно быть более 0,020-0,055 %, что никоим образом не отразится на сварке легированных сталей.