Легирование стали: цели, процесс, назнеачение

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.

Помогла ли Вам наша статья ?
Да 77.42%

Нет 22.58%

Проголосовало: 31

Исторический путь

Фундамент для развития легирования был заложен 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.

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.

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.

https://youtube.com/watch?v=zEpXGAB98hM

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.

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.

Конструкционная легированная сталь

Нормативный документ: качественная конструкционная легированная сталь изготовляется согласно ГОСТ 4543-71.

Легированная сталь — сталь, в которую в процессе легирования в определенных количествах вводят специальные элементы, обеспечивающие требуемые свойства. Такие элементы называют легирующими. Они могут повышать прочность и коррозионную стойкость стали и снижать опасность ее хрупкого разрушения.

Для легирования стали используются следующие химические элементы: марганец (Mn) — Г; кремний (Si) — С; хром (Cr) — Х; никель (Ni) — Н; медь (Cu) — Д; азот (N) — А; ванадий (V) — Ф; ниобий (Nb) — Б; вольфрам (W) — В; селен (Se) — Е; кобальт (Co) — К; бериллий (Be) — Л; молибден (Mo) — М; бор (B) — Р; титан (Ti) — Т; алюминий (Al) — Ю.

Классификация конструкционной легированной стали

По отношения общей массы легирующих элементов к массе стали:

сталь высоколегированная — более 10%;
сталь среднелегированная — более 2,5-10%;
сталь низколегированная — до 2,5%.

В зависимости от основных легирующих элементов:

хромистая;
марганцовистая;
хромомарганцовая;
хромокремнистая;
хромомолибденовая;
хромомолибденованадиевая;
хромованадиевая;
никельмолибденовая;
хромоникелевая;
хромоникелевая с бором;
хромокремнемарганцовая;
хромокремнемарганцовоникелевая;
хромомарганцовоникелевая;
хромомарганцовоникелевая с титаном и бором;
хромоникельмолибденовая;
хромоникельмолибденованадиевая;
хромоникельванадиевая;
хромоалюминиевая;
хромоалюминиевая с молибденом;
хромомарганцовоникелевая с молибденом;
хромомарганцовоникелевая с молибденом и титаном.

В зависимости от хим. состава и свойств:

качественная;
высококачественная — А;
особо высококачественная (сталь электрошлакового переплава) — Ш.(например ШХ15)

По видам обработки:

прокат горячекатаный и кованый (в том числе с обточенной или ободранной поверхностью);
калиброванный;
со специальной отделкой поверхности.

По качеству поверхности:

1 группа;
2 группа;
3 группа.

По состоянию материала:

без термической обработки;
термически обработанный — Т;
нагартованный — Н.

Марки конструкционной легированной стали

Марки стали: 15Х, 20Х, 30Х, 35Х, 38ХА, 40Х, 45Х, 50Г, 12ХН, 20ХН, 40ХН, 14ХГН, 19ХГН, 20ХГНМ, 30ХМ.

Заменители некоторых марок стали:

20Х — 15Х, 20ХН, 12ХН2, 18ХГТ;
30ХГСА — 40ХФА, 35ХМ, 40ХН, 25ХГСА, 35ХГСА;
40Х — 45Х, 38ХА, 40ХН, 40ХС.

Обозначение марок конструкционной легированной стали: две первые цифры указывают содержание углерода в сотых долях процента, цифры после букв указывают содержание легирующего элемента в целых единицах.

Применение конструкционной легированной стали

Марка стали	Область применения
60С2(А)	Рессоры из полосовой стали толщиной 3-16мм и пружинной ленты толщиной 0,08-3мм; витые пружины из проволоки диаметром 3-16мм.
70СЗА	Тяжелонагруженные пружины ответственного назначения. Сталь склонна к графитизации.
50ХГ(А)	Рессоры из полосовой стали толщиной 3-18мм.
50ХФА(ХГФА)	Ответственные пружины и рессоры, работающие при повышенной температуре (до 300°С), или подвергаемые многократным переменным нагрузкам.
60C2XA	Большие высоконагруженные пружины и рессоры ответственного назначения.
60C2H2A(C2BA)	Ответственные высоконагруженные пружины и рессоры из калиброванной стали и пружинной ленты.
20Х	Кулачковые муфты, втулки, шпиндели, направляющие планки, плунжеры, оправки, копиры, шлицевые валики и др.
40Х	Зубчатые колеса, шпиндели и валы в подшипниках качения, червячные валы и др.
45Х, 50Х	Зубчатые колеса, шпиндели, валы в подшипниках качения, червячные и шлицевые валы, и др. детали, работающие на средних скоростях при небольшом давлении.
38ХА	Зубчатые колеса, работающие на средних скоростях при средних давлениях.
45Г2, 50Г2	Крупные малонагруженные детали: валы, зубчатые колеса тяжелых станков и т.п.
18ХГТ	Детали, работающие на больших скоростях при высоких давлениях и нагрузках.
20ХГР	Тяжелонагруженные детали, работающие при больших скоростях и нагрузках.
15ХФ	Некрупные детали, подвергаемые цементации и закалке с низким отпуском.
40ХС	Мелкие детали высокой прочности.
40ХФА	Ответственные высокопрочные детали, подвергаемые закалке и высокому отпуску; средние и мелкие детали сложной формы, работающих в условиях износа; ответственные сварные конструкции, работающие при знакопеременных нагрузках.
35ХМ	Валы, детали турбин и крепеж, работающие при повышенной температуре.

Свариваемость: cварка конструкционных легированных сталей несколько затруднена из-за склонности к закалке околошовной зоны и образованию в ней хрупких структур (требуется специальная технология сварки).

Инструментальные легированные стали

Данный вид низкоуглеродистого железа обладает иными приоритетным параметрами, сосредоточенными на высоких показателях твердости и износостойкости. Обе характеристики улучшаются с повышением концентрации углерода в металле.

Первоочередно вопрос, затрагивающий легированные стали – применение этого вида металла. Область использования, как указывалось ранее, соответствует названию категории. Подобная сталь – это материал для производства трех основных групп инструментов:

режущий;

измерительный;

штампы.

Первая категория объединяет резцы, фрезы, долбяки. К ней относится и класс быстрорежущей стали, отличающейся красностойкостью, а также сохранением режущих характеристик при нагреве до температуры 700 0С. Другая отличительная особенность быстрорежущей стали – скорость обработки металла, превышающая аналогичный параметр обычных инструментальных марок в пять раз. Маркировка быстрорежущих марок производится литерой «Р», где последующие цифры указывают процентное вхождение вольфрама.

Документ, описывающий инструментальные легированные стали – ГОСТ 5950 – 73. Данная разновидность обладает улучшенной теплостойкостью, диапазон значений данного параметра переносится в интервал 250 – 300 0С. Увеличение данной характеристики сказывается на скорости резания, повышая ее значение на 20 – 40%.

Рассматривая, как влияют легирующие элементы на свойства стали, остановимся на нескольких элементах.

Кремний, марка – 9ХС. Введение элемента в состав инструментальной стали повышает ее прокаливаемость до 40 мм. Дополнительный эффект связан с улучшением стойкости мартенсита при отпуске. Впрочем, элемент приносит и отрицательные нюансы в легируемый металл. Стали, содержащие кремний плохо поддаются резанию.

Изделия из легированной конструкционной стали

Марганец, марки – ХВГ, 9ХВСГ. Легирование этим металлом приводит к снижению деформации инструмента в процессе закалки. Наиболее эффективен данный тип легирования для протяжек – инструментов, обладающих большим соотношением длины к диаметру поперечного сечения.

Хром. Легирование элементом применяется для улучшения твердости стали после закалки.

Марки легированной стали

Марки легированной стали являются различными. Они представлены в большом многообразии. В зависимости от назначения стали определяется ее маркировка.

Сегодня имеется большое количество требований к маркировке легированной стали. Для данного процесса используются цифровые и буквенные обозначения. Сначала при маркировке используются цифры. Они являются показателями того, сколько содержится в том или ином виде легированной стали сотых долей углерода. После цифр стоят буквы, которые являются обозначением того, какие легирующие добавки были использованы при производстве того или иного легированного типа стали.

После букв могут стоять цифры, обозначающие количество легирующего вещества в составе стального материала. Если после обозначения какого-либо легирующего элемента не стоит цифровое обозначение, то его в составе имеется минимальное количество, не достигающее даже одного процента.

Таблица 2. Условные обозначения легирующих элементов в металлах и сплавах

Элемент	Символ	Обозначение элементов в марках металлов и сплавов	Элемент	Символ	Обозначение элементов в марках металлов и сплавов
черные	цветные	черные	цветные
Азот	N	А	—	Неодим	Nd	—	Нм
Алюминий	А1	Ю	А	Никель	Ni	—	Н
Барий	Ва	—	Бр	Ниобий	Nb	Б	Нп
Бериллии	Be	Л	Олово	Sn	—	О
Бор	В	р	—	Осмий	Os	—	Ос
Ванадии	V	ф	Вам	Палладий	Pd	—	Пд
висмут	Bi	Ви	Ви	Платина	Pt	—	Пл
Вольфрам	W	В	—	Празеодим	Pr	—	Пр
Гадолиний	Gd	—	Гн	Рений	Re	—	Ре
Галлий	Ga	Ги	Ги	Родий	Rh	—	Rg
Гафнии	Hf	—	Гф	Ртуть	Hg	—	Р
Германий	Ge	—	Г	Рутений	Ru	—	Pv
Гольмий	Но	—	ГОМ	Самарий	Sm	—	Сам
Диспрозий	Dv	—	ДИМ	Свинец	Pb	—	С
Европий	Eu	—	Ев	Селен	Se	К	СТ
Железо	Fe	—	Ж	Серебро	Ag	—	Ср
Золото	Au	—	Зл	Скандий	Sc	—	С км
Индий	In	—	Ин	Сурьма	Sb	—	Cv
Иридий	Ir	—	И	Таллий	Tl	—	Тл
Иттербий	Yb	—	ИТН	Тантал	Та	—	ТТ
Иттрий	Y	—	ИМ	Теллур	Те	—	Т
Кадмий	Cd	Кд	Кд	Тербий	Tb	—	Том
Кобальт	Co	К	К	Титан	Ti	Т	ТПД
Кремний	Si	С	Кр(К)	Т\’лий	Tm	—	ТУМ
Лантан	La	—	Ла	Углерод	С	У	—
Литий	Li	—	Лэ	Фосфор	P	п	Ф
Лютеций	Lu	—	Люн	Хром	Cr	х	Х(Хр)
Магний	Mg	Ш	Мг	Церий	Ce	—	Се
Марганец	Mn	Г	Мц(Мр)	Цинк	Zn	—	Ц
Медь	Cu	Д	М	Цирконий	Zr	Ц	ЦЭВ
Молибден	Mo	М	—	Эрбий	Er	—	Эрм

Виды

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.

Дополнительная классификация

Легированные конструкционные сплавы подходят для изготовления деталей машин и механизмов в машиностроительной отрасли – производят крупногабаритные детали, которые закаляют и подвергают высокому отпуску. Большая часть легирующих добавок в стали повышают прокаливаемость. Внедрение добавок должно быть достаточным, но не чрезмерным. Большая степень легирования может вызвать:

снижение пластических свойств;
развитие отпускной хрупкости;
снижение порога хладноломкости.

Исключение – никель, он смещает порог хладноломкости в область низких температур, поэтому для машин, работающих в условиях Севера, механизмы изготавливают из никельсодержащих сталей. Пружинная легированная сталь содержит 0,5–0,7% углерода, а в качестве добавок вводят хром, молибден и вольфрам. Такой состав должен обеспечивать высокое сопротивление малым пластическим деформациям и высокой усталостной стойкости.

Шарикоподшипниковые – относят к заэвтектоидным – углерод около 1% с дополнительным легированием металла хромом (1,3–1,65%). В теплостойких подшипниках хром увеличивают до 5%. К подшипниковым – предъявляют особые требования по металлургической чистоте. Применение рафинирующих переплавов, вакуумные способы переплавки, обработка синтетическими шлаками позволяют уменьшить долю и размер неметаллических включений, тем самым повышают сопротивление контактной усталости.

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

Классификация следующая:

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.

Назначение легирующих элементов

Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, W, V, Al, B, Ti и др.), а также Mn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.

Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром 15…20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых.

Основным легирующим элементом является хром (0,8…1,2)%.

Он повышает прокаливаемость, способствует получению высокой и равномерной твердости стали. Порог хладноломкости хромистых сталей —(0…-100)oС .

Дополнительные легирующие элементы.

Бор — 0.003%. Увеличивает прокаливаемость, а так же повышает порог хладноломкости (+20…-60)oС

Марганец – увеличивает прокаливаемость, однако содействует росту зерна, и повышает порог хладноломкости до (+40…-60)oС.

Титан (~0,1%)

вводят для измельчения зерна в хромомарганцевой стали.

Введение молибдена (0,15…0,46%)

в хромистые стали увеличивает прокаливаемость, снижает порог хладноломкости до–20…-120oС . Молибден увеличивает статическую, динамическую и усталостную прочность стали, устраняет склонность к внутреннему окислению. Кроме того, молибден снижает склонность к отпускной хрупкости сталей, содержащих никель.

Ванадий в количестве 0.1…0.3 %

в хромистых сталях измельчает зерно и повышает прочность и вязкость.

Введение в хромистые стали никеля, значительно повышает прочность и прокаливаемость, понижает порог хладноломкости, но при этом повышает склонность к отпускной хрупкости (этот недостаток компенсируется введением в сталь молибдена). Хромоникелевые стали, обладают наилучшим комплексом свойств. Однако никель является дефицитным, и применение таких сталей ограничено.

Значительное количество никеля можно заменить медью, это не приводит к снижению вязкости.

При легировании хромомарганцевых сталей кремнием получают, стали – хромансиль (20ХГС, 30ХГСА)

. Стали обладают хорошим сочетанием прочности и вязкости, хорошо свариваются, штампуются и обрабатываются резанием. Кремний повышает ударную вязкость и температурный запас вязкости.

Добавка свинца, кальция – улучшает обрабатываемость резанием. Применение упрочнения термической обработки улучшает комплекс механических свойств.

Легирующие элементы растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов (феррит, аустенит, цементит), или образуют специальные карбиды.

Растворение легирующих элементов в Feα

происходит в результате замещения атомов железа атомами этих элементов. Эти атомы создают в решетке напряжения, которые вызывают изменение ее периода.

Изменение размеров решетки вызывает изменение свойств феррита – прочность повышается, пластичность уменьшается. Хром, молибден и вольфрам упрочняют меньше, чем никель, кремний и марганец. Молибден и вольфрам, а также кремний и марганец в определенных количествах, снижают вязкость.

В сталях карбиды образуются металлами, расположенными в таблице Менделеева левее железа (хром, ванадий, титан), которые имеют менее достроенную d

– электронную оболочку. В процессе карбидообразования углерод отдает свои валентные электроны на заполнениеd – электронной оболочки атома металла, тогда как у металла валентные электроны образуют металлическую связь, обуславливающую металлические свойства карбидов.

При соотношении атомных радиусов углерода и металла более 0,59

образуются типичные химические соединения:Fe3C, Mn3C, Cr7C3, Fe3W3C – которые имеют сложную кристаллическую решетку и при нагреве растворяются в аустените.

При соотношении атомных радиусов углерода и металла менее 0,59

образуются фазы внедрения:Mo2C, WC, VC, TiC, TaC, W2C, которые имеют простую кристаллическую решетку и трудно растворяются в аустените.

Все карбиды обладают высокой твердостью и температурой плавления.

Зачем маркировать?

Сплавы маркируются по ГОСТу. Марка указывает на их предназначение, основу, наличие примесей. Например, они могут быть инструментальными (используются для изготовления рабочих частей разных инструментов), конструкционными (применяются для создания металлоконструкций, корпусов для автомобилей). Дополнительными буквами могут обозначаться материалы, которые имеют особые физические свойства (магнитные, жаропрочные, коррозионностойкие).

Качество сплава определяется по процентному содержанию добавок в составе. Например, содержание фосфора, серы должно быть минимальным. Составляющие обозначаются заглавными буквами элементов.

Процесс легирования

Основным способом легировать сталь является метод объёмного металлургического легирования. Заключается в сплавлении основного элемента с легирующими в печах разного вида (индукционные, вакуумно-дуговые, тигельные, конвертеры, дуговые, плазменные, и др.). При этом способе возможна существенная потеря активных веществ (марганца, хрома, молибдена, и др.).

Существуют также:

механическое легирование;
восстановление;
электролиз;
плазмохимическая реакция.

Механическое легирование выполняют в аттриторах – барабанах, в центре которых находится вал с кулачками. В них закладывают порошкообразные компоненты для получения нужного сплава. Во время вращения кулачки «ударяют» по смеси, и происходит «вбивание» легирующих добавок в основу.

При совместном восстановлении перемешивают оксиды элементов сплава с восстановителем, например, с гидридом кальция (СаН₂) и производят нагрев. Идёт реакция восстановления оксидов до металлов, синхронно происходит процесс диффузии, выравнивающий состав сплава. Полученный оксид кальция (СаО) промывают водой, а сплав (в виде порошка) идёт в следующую обработку. Металлотермическое восстановление подразумевает использование металлов (магния, кальция, алюминия и др.) в качестве восстановителей.

Маркировка: какие марки стали называются легированными

Нормативный документ, который регламентирует название каждого нового подвида, – это ГОСТ 4543-71. Потребность в наличии такой систематизации возникла из-за огромного количества разновидностей, которые только увеличиваются с каждым годом, потому что открываются новые соединения и пропорции. Каждый вид предназначен для отдельной сферы деятельности и уникален по-своему. Чтобы их отличать, используют специальные нанесения. Вот как она выглядит:

Или так, на английском языке:

В первом случае букв указано не было, значит это просто классический сплав с добавками. Но во втором мы видим спереди «Х» – ее наличие говорит, что перед нами хромистая сталь. Если в начале стояли другие, они бы свидетельствовали о следующем:

Ж – нержавеющая;
Е – магнитная;
Я – хромоникелевая нержавейка;
Ш – шарикоподшипниковая;
Р – быстрорежущая инструментальная.

Также аббревиатуры могут стоять справа. Например:

А – высококачественная;
Ш – особовысококачественная;
Н – полученная способом нагартованного проката;
ТО – использован термически обработанный прокат.

Теперь о цифрах и буквах внутри самой маркировки. Цифровое обозначение обычно показывает процентное соотношение вещества. Но так как нет возможности уточнять все до сотых частей, то принято округлять до целых. А если содержание не превышает 1%, то буквенный знак присутствует, а цифра не ставится. Сами элементы записываются либо по химическим формулам, либо по первым значениям. Посмотрим более полный перечень:

Если вы хотите исчерпывающие списки и перечни марок, следует заглянуть в вышеупомянутый ГОСТ.

Легирование чугуна

Чугуны отличаются от сталей значительным содержанием углерода (от 2,14 до 6,67 %), высокой твердостью и коррозионной стойкостью, однако незначительной прочностью. С целью расширения диапазона показательных свойств и сфер применения, его легируют хромом, марганцем, алюминием, силицием, никелем, медью, вольфрамом, ванадием.

В связи с особыми характеристиками данного железоуглеродистого материала, его легирование – более сложный процесс, чем для стали. Каждый из компонентов влияет на преобразование форм карбона в нем. Так марганец способствует формированию «правильного» графита, что повышает прочность. Введение других же имеет следствием переход углерода в свободное состояние, отбеливание чугуна и снижение его механических свойств.

Технология усложняется невысокой температурой плавления (в среднем, до 1000 ˚С), тогда как для большинства легирующих элементов она значительно превышает этот уровень.

Наиболее эффективно для чугунов комплексное легирование. Одновременно, следует учитывать повышение вероятности ликвации таких отливок, риска трещинообразования, дефектов литья. Осуществлять технологический процесс более рационально в электромагнитных и индукционных печах. Обязательным последовательным этапом является качественная термообработка.

Хромистые чугуны характеризуются высокой износостойкостью, прочностью, жаростойкостью, устойчивостью к старению и коррозии (ЧХ3, ЧХ16). Применяются в химическом машиностроении и в производстве металлургического оборудования.

Чугуны, легированные кремнием, отличаются высокой коррозионной стойкостью и устойчивостью к влиянию агрессивных химических соединений, хотя и удовлетворительными механическими свойствами (ЧС13, ЧС17). Формируют детали химической аппаратуры, трубопроводов и насосов.

Примером высокопродуктивного комплексного легирования являются жаропрочные чугуны. Они содержат в своем составе черные и легирующие металлы, такие как хром, марганец, никель. Для них характерна высокая стойкость к коррозии, износостойкость и устойчивость к высоким нагрузкам в условиях высокотемпературных воздействий – детали турбин, насосов, двигателей, аппаратуры химической промышленности (ЧН15Д3Ш, ЧН19Х3Ш).

Важным компонентом является медь, которая задействована в комплексе с другими металлами, при этом повышает литейные характеристики сплава.

Легирование стали