Що називають легованою сталлю

Що таке легована сталь - простими словами

У статті докладно розберемо леговані сталі: їх класифікацію, види та маркування. Розглянемо сфери та приклади застосування таких сплавів.

Що таке леговані сталі

Легуванням називають процедуру додавання домішок у метал чи шихту, що змінюють якості стали. Добавками є різноманітні хімічні елементи.

Легована сталь – це сплав заліза, вуглецю та легуючих компонентів, що надають матеріалу певні властивості. Люди обробляють метал багато тисячоліть, але перші вдалі експерименти з легуючими добавками датуються початком 1850-х років. У 1882 р. з появою сталі Гатфільда починається нова епоха у металургії. З того часу з'явився цілий напрямок у фізиці металів.

Класифікація

Розглянемо маркування та способи класифікації легованих сталей.

За кількістю добавок

За ступенем легування розрізняють такі стали:

Низьколегована - менше 2,5% домішок у сплаві.
Середньолегована – 2,5 – 10%.
Високолегована сталь – від 10% добавок, у окремих сортах цифра сягає 45 – 50%.

За призначенням

Суднобудівна холодностійка - протистоїть зносу, руйнуванню при негативній температурі.
Будівельна – для будівництва різноманітних конструкцій: будівлі, мости.
Рейкова – полотна залізниць.
Масова – металопрокат.
Стали для гарячих рідин.
Сорти з підвищеною міцністю, де карбонітритне зміцнення сприяє формуванню дрібнозернистої структури.
Низьковідпущені сорти підвищеної міцності авіаційна.
Зміцнена проката при 700 – 850 °C.

За структурою

Залежно від структури, що вийшла внаслідок додавання сторонніх компонентів, сталь буває:

Аустенітна – у неї висока стійкість до корозії, хімічної дії.
Мартенситна – тверда, міцна.
Феритно-мартенситний - відмінно витягується, має підвищене деформаційне зміцнення.
Ферритна – корозійна стійкість, низька розтріскуваність.

За якістю

Залежно від сфери застосування та технологічного процесу леговані сталі поділяють за якістю:

Звичайні – характеризуються наявністю небажаних домішок, часто це сірка, азот, фосфор.
Якісні – підвищеного очищення, у маркуванні з'являється літера А.
Високоякісні, одержані шляхом переплавлення електрошлаковим методом (Ш).
Високоякісні, виготовлені за допомогою вакуумно-дугового переплавлення (ВД).
Спеціального призначення (Е).

У 2-ї та 3-ї груп менший відсоток шкідливих елементів: сірка, азот, фосфор – погіршують механічні властивості матеріалу, після їх видалення підвищується ударна в'язкість, пластичність сталі.

Хімічний склад

Найпоширеніші метали для легування сталі та вплив елементів на властивості матеріалу наведені нижче:

Алюміній – протистояння появі окалін.
Ванадій – плинність, дрібнозерниста структура.
Вольфрам – твердість при нагріванні, зниження ламкості після термічної обробки.
Кобальт - жаростійкість, стійкість до ударних навантажень.
Мідь – в'язкість.
Молібден, вольфрам – міцність при термообробці, корозійна стійкість.
Нікель – пластичність, в'язкість, обробку матеріалу різанням.
Ніобій – кислотостійкість.
Титан – зниження зернистості – стійкість до розтріскування.
Хром – твердість, опір ударним навантаженням, захист від корозії.

Леговану сталь отримують шляхом впровадження в метал неметалевих легуючих компонентів:

Бор - прожарювання.
Кремній – в'язкість, магнітна проникність.
Марганець – захист від окиснення.
Селен – обробка різанням.
Фосфор - добавка підвищує плинність, в'язкість.
Вуглець – покращує механічні властивості із зростанням концентрації до ~2%. Її збільшення в діапазоні 1,2% - ~2% підвищує міцність, пружність, твердість сталі, але погіршує її оброблюваність куванням і різанням, вона гірше зварюється, втрачає пластичність. Сплав, куди включено від 2% вуглецю, відрізняється втратою міцності, при концентрації 2,14% виходить чавун. Порошкові сталі можуть містити до 3% карбону (C).

Марки легованої сталі

Низько-, високо-і середньолеговані сталі мають маркування, що дає уявлення про склад матеріалу. Для цього застосовують літери із цифрами. Позначення наведено нижче.

Таблиця 1 – Відповідність марок сплавів типів CM та FЕ за стандартами ІСО

Таблиця 2 – Позначення легуючих елементів у сталях

Радянський ГОСТ для маркування легованих сталей діє нині.

Перша цифра – обсяг вуглецю (соті частки відсотка), літери описують легуючі елементи, цифри – їх маса % від загальної. При вмісті компонента ~1% число іноді опускають. А, Ш, ВД наприкінці визначають якість матеріалу. Перед назвою можуть використовувати такі літери:

Л – отримана способом лиття;
Р – швидкоріз;
Ш – шарикопідшипникова, наприклад ШХ;
Е – електротехнічна.

«А» серед маркування символізує наявність азоту, АА наприкінці свідчить про додаткову очищення металу від сірки, фосфору.

У шарикопідшипникових сортах після ШХ йде цифра, що вказує на вміст хрому: ШХ15 - 1,5% Cr.
Швидкорізальна – після Р вказується відсоток вольфраму: Р6, Р18.

Вуглецю в швидкорізальної та шарикопідшипникової сталі по 1%.

Розглянемо з прикладу:

Р6М5 - швидкорізальна сталь з наступним складом: 6% вольфрам, 5% - молібден.
18ХГТ - 0,18% вуглець, 1% - хром, 1% марганцю, менше 1% (зазвичай 0,1%) титану.

Відмінності легованої сталі від вуглецевої

Розрізняють два сорти сталі – вуглецеві та леговані. До складу перших включено залізо, вуглець (до 0,025), частки відсотка неминучих домішок. Сталь легована – вуглецева сталь з додаванням легуючої добавки (кілька).

Легування сталі здійснюють двома методами:

Об'ємний – хімічний елемент потрапляє до структури матеріалу у його рідкій фазі.
Поверхневий - дифузне використання або напилення - покриття верхнього шару матеріалу.

Наведені цифри не вказують на точне відсоткове співвідношення відповідних домішок. ГОСТ допускає їхнє коливання в певних межах. Для розуміння візьмемо конструкційну сталь 40ХА. Допустима норма:

"А" - вказівка на належність до якісних сортів.

Види

Види легованих сталей поділяють на категорії.

Інструментальні

Сировина для інструментів, їх компонентів: ріжучі, швидкорізальні, штампи, ковадла, ударний інструмент. Поділяються на п'ять великих груп із власними вимогами: твердість, червоностійкість, схильність до ударних навантажень, утримання заточування.

Для штампів, що застосовуються при формуванні деталей і заготовок методом кування, важливими є зносостійкість, стійкість до відпустки, сталість розмірів при температурі, що змінюється, фізичних навантаженнях (ударних).

Конструкційні

Найбільш поширена група сплавів. Застосовують для основ для станин, машин, металопрокату. Високоміцна сталь із значними пластичністю, в'язкістю, хорошими оброблюваністю та зварюваністю.Вони жароміцні, стійкі до розтріскування, деформацій, ерозії.

Приклади: 2Х18Н9, 12Х2Н.

Чорний металопрокат, кольорові метали та сплави, зварювальні матеріали, трубопроводи та запірна арматура в Санкт-Петербурзі - https://spb.specstali.ru/. НВК «СПЕЦІАЛЬНА МЕТАЛУРГІЯ» не залишимось без імпортних матеріалів.

Конструкційні цементовані

Поширені у будівництві – цементуюсь. Мають достатню швидкість дифузії вуглецю з цементу в сталь. Навуглерожений шар повинен поглинати необхідну кількість вуглецю для одержання структури мартенситу. Цементована легована сталь добре ріжеться, піддається деформаціям в нормалізованому або відпаленому стані, адже в будівництві потрібні деталі нестандартної форми. Вона володіє мінімальним коробленням при загартуванні, високими міцністю втоми, зносо-, стійкістю до корозії, в'язкому руйнуванню.

Жаростійкі та теплостійкі

Основа для виробництва комплектуючих, що експлуатуються за високої температури. Теплостійкі сорти зберігають властивості за +550 °C; жароміцним властиво сталість параметрів, корозійна стійкість, низька плинність.

Марки жаротривких сталей: Х18Н25С2, 1Х14Н14А2М.

Приклади теплостійких сталей: 20ХМЛ, 15Х1М1Ф, 12Х1МФ.

Корозійні (нержавіючі, кислотостійкі)

Сталь легована корозійна - сировина для лиття основ для машин, що експлуатуються в агресивних умовах. Нержавіючі марки йдуть на виробництво посуду, інструментів, які не піддаються корозії, окисленню.

Нержавіюча сталь якісно протистоїть корозії в робочому середовищі. До її складу додають титан, мідь, селен, алюміній, хром, марганець.

Приклади: 12Х18Н9, Х25Н18, 08Х22Н6Т.

Кислотостійкі стали стійкі до кислотного середовища.Вони практично не піддаються міжкристалічній корозії внаслідок дії фосфорної та сірчаної кислот протягом певного часу. Стійкість сортам надає хром, що утворює на поверхні матеріалу міцний захисний шар. Включення нікелю роблять структуру матеріалу одноріднішим, а титан із молібденом покращують механічні характеристики сплаву.

Кислотостійкі нержавіючі сталі: 12Х18Н10Т, 06ХН28МДТ.

Стійкі до дії водню, сірководню

Сировина для виготовлення апаратури, труб для синтезу метанолу, аміаку, сировини для одержання штучного каучуку. Вони виробляють буровугільний бензин, проводять гидрогенизацию алдола, транспортують нафтопродукти.

Стійкі до дії водню стали ударостійкими, стійкими до крихких ушкоджень при негативних температурах, якщо цього вимагають умови експлуатації. Рівень фосфору у яких вбирається у 0,015%, сірки – 0,008%. Кальцієва обробка покращує корозійну стійкість. Сорти мають переважно мартенситову структуру, розробляються переважно під вимоги замовника.

Приклади: 09ГСНБЦ, 03Х21Н32М3Б.

Високоміцні низьколеговані сталі (HSLA)

Основні вимоги – міцність упродовж багатьох років, зниження ваги металоконструкцій. Вимоги до таких сортів легованої сталі залежать від застосування. Це: ударна в'язкість, межа міцності, пластичність. Потрібних характеристик досягають шляхом додавання до п'яти – дев'яти легуючих добавок, серед яких: хром, ванадій, цирконій, мідь.

Зварювання сплавів

Леговані сталі мають масу особливостей при зварюванні через різну поведінку при нагріванні і хімічних реакцій, що протікають. Типи зварювання та електроди для більшості випадків підбирають індивідуально, дотримуючись вимог технічної документації.

Низьколегованих

Добре зварюються, але шви нерідко ушкоджуються при сильних навантаженнях. Якщо поверхні, що зварюються, попередньо не прогріти і різко остудити, велика ймовірність виникнення холодних тріщин, зниження опірності крихким руйнуванням. Для зварювання працюють електродами з низьководневим фтористо-кальцієвим покриттям, полярність зворотна. Шов зварюється за один прохід, широкі шви обробляють за два – три проходи.

Середньолегованих

Середньолеговані сорти зварюють електродами, з такою як у сталі або більшою концентрацією добавок, що легують, адже частина компонентів під час зварювання вигоряє. Легування шва підвищує його властивості. При широких і глибоких швах потрібні електроди з матеріалами, що мають підвищену деформаційну здатність. Застосовують спеціальні електроди, що відповідають хімічному складу сталі. Їх бажано піддати загартування. Тонкі шви отримують аргонодуговим зварюванням і електродами, що не плавляться.

Високолегованих

Високолеговані сталі мають індивідуальні вимоги до умов зварювання. Через невисокі коефіцієнти теплопровідності та розширення матеріалу збільшується глибина прогріву деталі, нагрівання сильно змінює її геометрію. ГОСТ регламентує застосування електродів, покритих фтористокальцієвим складом. Кислотостойкие сорти зварюють серед аргону плавящимися чи неплавящимися електродами. Товсті деталі зварюють ручним дуговим зварюванням.

Багато виробників електродів вказують, для яких видів металів та їх сплавів призначена та чи інша продукція.

Сфери застосування

За півтора століття легована сталь знайшла застосування у сотнях галузей.Інструментальні – сировина для штампів холодного та високотемпературного деформування (кування) металу, різального інструменту: розгортки, свердла, мітчики, фрези З конструкційних сортів виробляють деталі та вузли верстатів, різних механізмів.

Жаро-і теплостійкі леговані сталі - сировина для виготовлення механізмів, що працюють при високій температурі: свічки запалювання, труби, термопари. прилади, посуд, інструменти, сантехніка, деталі двигунів.

Тепер ви знаєте, що таке легована сталь. Її основна відмінність - додавання металів або неметалевих вкраплень.

Легування сталі - елементи, класифікація, застосування, марки

Звичайна сталь – це з'єднання заліза вуглецю та низки домішок.

Як правило, додаються такі елементи періодичної таблиці Менделєєва, без яких важко обійтися залежно від конкретної ситуації:

Нікель - Н (Ni).
Мідь - М (Cu).
Ніобій - Б (Nb).
Хром - Х (Cr).
Марганець - Р (Mn).
Кремній – С(Si).
Ванадій - Ф (V).
Вольфрам - В (W).
Молібден - М (Mo).
Титан - Т (Ti).
Алюміній – А (Al).
Цирконій – Ц(Zr).
Кобальт - К (Co).

Але, крім них, знаходять застосування молібден з алюмінієм. При цьому кожен із цих елементів додається з певною метою. І їхня кількість безпосередньо впливає на отримання необхідних якостей. Тепер уже стає зрозуміло, що таке легована сталь.

Історичний шлях

Фундамент у розвиток легування було закладено обгрунтуванням тигельного способу плавлення сталі у Європі XVIII столітті. У примітивнішому варіанті тиглі використовувалися ще в давні часи, у тому числі для виплавки булатної і дамаської сталі. На початку 18 століття ця технологія отримала вдосконалення у промислових масштабах та дозволяла коригувати склад та якість вихідного матеріалу.

Одночасне відкриття нових і нових хімічних елементів, підштовхувало дослідників на експериментальні досліди виплавки.
Встановлено негативний вплив міді на якість сталі.
Відкрито латунь, що містить 6% заліза.

Проводилися досліди з погляду якісного та кількісного впливу на сталевий сплав вольфраму, марганцю, титану, молібдену, кобальту, хрому, платини, нікелю, алюмінію та інших.

Перше промислове виробництво сталі, легованої марганцем, налагоджено на початку ХІХ століття. Воно ж набуло розвитку з 1856 року у рамках безсемерівського процесу виплавки.

Легування та домішки – чи є різниця?

З формальної точки зору деякі хімічні елементи, що містяться у звичайних сталях, як конструкційних, так і звичайної якості, теж можна називати легуючими. До таких можна віднести, наприклад, мідь (до 02%), кремній (до 037%) і т.д.

Постійними супутниками будь-якої сталі є фосфор та сірка.Тим не менш, металознавці відносять їх здебільшого не до легуючих добавок, а до домішок, хоча іноді відсотковий вміст іншого легуючого елемента може бути навіть меншим.

Причина полягає в тому, що будь-яка домішка є наслідком чи чистоти вихідної руди (марганець), чи специфіки металургійних процесів плавки (сірка, фосфор). Теоретично виплавлена без міді, фосфору і сірки сталь мала б такі ж механічні властивості. Легування має своєю кінцевою метою саме підвищення певних технічних характеристик сталі. У цьому фосфор і сірка однозначно ставляться до шкідливим, але неминучих домішок. Наявність міді збільшує пластичність, проте сприяє налипання поверхні металу, що має надлишкову (більше 0,3%) концентрацію міді на поверхню суміжної деталі. При роботі конструкції в умовах інтенсивного тертя це є великим недоліком.

Наявність хімічного елемента з концентрацією більше 1% дає підстави вводити його умовну позначку в марку сталі. Крім вищезгаданої сталі 65Г, подібної честі удостоюється також і алюміній (присутній, зокрема, у сталі О8Ю). В даному випадку алюміній вводиться у звичайну конструкційну сталь О8 з метою її розкислення, а те, що при цьому дещо підвищуються показники її пластичності, є лише вдалою супутньою обставиною. Борірування сталі забезпечує їй підвищену подальшу деформованість, тому навіть мікродобавки бору в хімічний склад сталі відзначаються відповідно до зміненої її маркуванням (наприклад, в сталі 20Р присутній всього 0,001 ... 0,005% бору).

Стали, що містять лише один, навмисно вводиться до складу елемент;
Сталі, у складі яких є інші, крім вуглецю та марганцю, хімічні елементи у кількості не більше 1%

Якщо у складі сплаву, що виплавляється, процентний вміст заліза не перевищує 55%, то такий матеріал вже не може називатися легованою сталлю.

Особливості легування

Сучасні можливості дозволяють виплавляти леговані метали будь-якого складу. Основні принципи розглянутої технології:

Компоненти вважаються легуючими лише у тому випадку, якщо вони вводяться цілеспрямовано та зміст кожного перевищує 1 %.
Сірка, водень, фосфор є домішками. Як неметалеві включення використовуються бор, азот, кремній, рідко - фосфор.
Об'ємне легування – це запровадження компонентів у розплавлену субстанцію у межах металургійного виробництва. Поверхневе є спосіб дифузійного насичення поверхневого шару необхідними хімічними елементами під дією високих температур.
У процесі процесу добавки змінюють кристалічну структуру «дочірнього» матеріалу. Вони можуть створювати розчини проникнення або виключення, а також розміщуватись на межах металевої та неметалічної структур, створюючи механічну суміш зерен. Велику роль тут грає ступінь розчинності елементів один в одному.

Роль легуючих елементів у складі жароміцних сплавів

Малюнок 1. Зведена таблиця легуючих елементів.

Загальна класифікація легуючих елементів у сталях

Переважне становище у списку легуючих елементів мають метали. Виняток становлять кремній та бір.

Наявність легуючих елементів переважає вплив на вигляд діаграми стану системи «залізо-вуглець», і на наявність/відсутність хімічних сполук в кінцевому продукті (нітридів, карбідів і складніших за формулою компонентів).Останні, у свою чергу, істотно видозмінюють мікроструктуру сталі.

У зв'язку з цим легуючі сталь метали поділяються на дві групи:

Метали, які збільшують область твердих розчинів на основі γ-заліза (аустенітна область на діаграмі стану), що призводить до підвищення різноманітності кінцевої мікроструктури легованої сталі після зміцнення термообробки). До таких елементів відносяться нікель, марганець, кобальт, мідь та азот.
Метали та хімічні елементи, наявність яких звужує γ-область, зате підвищує міцність сталі. До них відносять хром, вольфрам. ванадій, молібден, титан.

У процесі отримання легованих сталей змінюються такі закономірності у її властивостях.

Як відомо, різні елементи мають різну кристалічну структуру (для металів це – гранецентрована і об'ємноцентрована). Саме ж залізо має об'ємноцентровану решітку.

При впровадженні в сталь металу зі подібним типом решітки сфера існування α-розчину (фериту) збільшується за рахунок відповідного зменшення аустенітної області. В результаті мікроструктури стабілізується, що допускає більш широкий вибір технологічних процесів подальшої термообробки.
Навпаки, за наявності сталі металу з іншим типом решітки аустенітна область звужується. Така сталь при своїй подальшій механічній обробці буде більш пластичною.
Легування стали деякими металами взагалі неможливе. Це відбувається, якщо різниця в атомних діаметрах елементів перевищує 15%.

Саме з цієї причини такий метал як цинк вводять як легуючу добавку тільки в кольорові метали і сплави.Обмежене застосування для цілей легування сталі знаходять також хімічні елементи, які не здатні утворювати при виплавці стійкі хімічні сполуки з вуглецем, залізом та азотом.

Залежність показників стали від насичення її певними хімічними елементами остаточно ще вивчено. Це пояснюється тим, що при комплексному легуванні кожен компонент може взаємодіяти по-різному з іншими, причому такі зміни закономірного пояснення часто не піддаються. Тому питання доцільності застосування тієї чи іншої легуючого елемента вирішуються експериментальним шляхом.

Доведеними вважаються такі положення:

Ефективність процесу підвищується зі збільшенням розчинності азоту і вуглецю в легуючій добавкі, і переважно залозі;
Стабільність остаточних властивостей сталі підвищується зі збільшенням розмірів аустенітної зони;
Якість сталі, легованої металами та елементами з меншим, ніж у заліза порядковим номером (у таблиці хімічних елементів Д. Менделєєва) гірше, ніж у протилежному випадку;
Більш тугоплавкі, порівняно із залізом, метали підвищують міцність сталі за будь-яких варіантів її подальшої термообробки.

Втім, вторинні взаємодії, які сильно залежать від способу виплавки сталі, можуть істотно коригувати ці положення. Тому на цьому етапі з упевненістю можна говорити лише про вплив конкретних легуючих елементів на властивості сталі.

Нікель

Нікель підвищує пластичність, в'язкість, теплоємність сплаву, збільшує його опірність до утворення тріщин та корозії, покращує можливості термообробки. У зв'язку з цим феронікель – один із найпоширеніших та затребуваних феросплавів глобальної металургійної галузі.Світові стандарти визначають п'ять марок феронікелю, що містить 20-70% нікелю плюс незначна кількість вуглецю (С), сірки (S), фосфору (Р), кремнію (Si), хрому (Cr), міді (Cu).

Леговані нікелем жароміцні сплави зазвичай містять 8-25% нікелю, а деякі до 35% і більше. Однак через те, що нікель знижує твердість сплаву, для легування його зазвичай використовують не в чистому вигляді, а в поєднанні із залізом, хромом, молібденом, титаном, ніобієм та іншими елементами. Як приклад можна навести сплави марок 12Х18Н9Т (Fe – близько 61%) та 10Х17Н13МЗТ (Fe – близько 67%) із вмістом нікелю 8-9,5% та 12-14% відповідно.

Молібден та вольфрам

На фізичні характеристики сталей і сплавів вольфрам і молібден мають схожий вплив, суттєво збільшуючи межу тривалої механічної міцності при температурах до 1800°C (у вакуумі). Достатньо ввести 0,3-0,5% цих елементів у сплав, щоб помітно посилити його опір повзучості, зміцнити міжатомні зв'язки кристалічних ґрат, підвищити температурну межу рекристалізації. Для сталеплавильної та ливарної промисловості виробляють легуючі феросплави з молібдену та вольфраму із залізом: феромолібден (55-60% Мо) та феровольфрам (65-85% W).

Для легування сплави зазвичай вводять відносно невелику кількість молібдену (близько 0,2-20%) і вольфраму (до 10-12%), оскільки надлишок цих елементів здатний підвищити крихкість сплаву при нагріванні. Як приклад сплаву, легованого молібденом і вольфрамом можна навести жароміцну низьколеговану сталь 12Х1МФ (Fe – близько 96%) із вмістом Мо 0,25-0,35 відсотка.У цьому ряду жароміцна релаксаційностійка сталь 20Х3МВФ (Fe - близько 93%) містить Мо 0,35-0,55% і W 0,3-0,5%, а також сплав на основі нікелю ХН57МТВЮ (Мо 8.5-10%, W 1.5-2.5%, Fe 8-10% тощо)

Ванадій

Для легування сплави зазвичай вводять відносно невелику кількість молібдену (близько 0,2-20%) і вольфраму (до 10-12%), оскільки надлишок цих елементів здатний підвищити крихкість сплаву при нагріванні. Прикладом сплаву, легованого молібденом і вольфрамом, є жароміцна низьколегована сталь 12Х1МФ (Fe - близько 96%) з вмістом Мо 0,25-0,35 відсотка. У цьому ряду жароміцна релаксаційностійка сталь 20Х3МВФ (Fe - близько 93%) містить Мо 0,35-0,55% і W 0,3-0,5%, а також сплав на основі нікелю ХН57МТВЮ (Мо 8.5-10%, W 1.5-2.5%, Fe 8-10% тощо)

З метою підвищення характеристик жароміцності, склад легуючих елементів ускладнюється, часто разом з ванадієм в сплав вводяться молібден, хром, нікель і т.п. Показовим прикладом такої технології легування може бути жароміцний сплав на основі заліза марки 12Х2МФСР (Fe – близько 95%) з вмістом V 0,2-0,35%, Мо 0,5-0,7%, Cr 1,6-1, 9%, Ni до 0,25% і т.д. Ще один приклад мультилегування сплаву із застосуванням ванадію – жароміцна сталь 15Х2М2ФБС, що включає V 0,25-0,4%, Мо 1,2-1,5 %, Cr 1,8-2,3%, Ni до 0, 3% і т.д.

Спеціальні феросплави

Всі феросплави, що використовуються в ливарному виробництві жароміцних сплавів, умовно діляться на дві групи: перша — феросплави масового застосування, друга — спеціальні феросплави. До другої групи належать сполуки заліза з титаном, кобальтом, ніобієм і рядом інших елементів.Спеціальні феросплави застосовують у невеликих пропорціях 4-6%, і не тільки для підвищення робочої температури жароміцних сплавів, але для надання їм особливих властивостей.

Наприклад, фероніобій застосовується для легування жароміцних хромонікелевих сталей, оскільки ніобій ефективно перешкоджає міжкристалітної корозії, що руйнує межі зерна і веде до втрати міцності матеріалу. У свою чергу, феротитан вводиться в жароміцні сплави для посилення загальних антикорозійних характеристик. Крім того, титан покращує зварюваність нержавіючих сталей. Легування жароміцних сплавів феррокобальтом позитивно позначається на їхній релаксаційній стійкості, особливо це стосується хромистих сталей.

Характеристика легованих сталей

Легована сталь є сталь, яка крім звичайних домішок оснащена ще й додатковими додатковими речовинами, які необхідні для того, щоб вона відповідала тим чи іншим хімічним і фізичним вимогам.

Звичайна сталь складається із заліза, вуглецю та домішок, без яких неможливо собі уявити даний матеріал. До легованої сталі додаються додаткові речовини, які отримали назву легуючих. Вони використовуються для того, щоб сталь стала володіти такими властивостями, які необхідні в тих чи інших ситуаціях.

У більшості випадків як легуючі елементи до заліза, домішок і вуглецю додаються: нікель, ніобій, хром, марганець, кремній, ванадій, вольфрам, азот, мідь, кобальт. Також не рідко у такому матеріалі відзначаються такі речовини, як молібден та алюміній. Для надання міцності матеріалу в більшості випадків додається титан.

Такий вид сталі має три основні категорії.Відношення легованої сталі до тієї чи іншої групи обумовлено тим, скільки в ній міститься сталі та домішок, а також легованих добавок.

Види легованої сталі

Є три основні види сталі з легуючими елементами:

Низьколегована сталь. Вона характеризується тим, що вона містить близько двох з половиною відсотків легуючих додаткових елементів.
Середньолегована сталь. Цей матеріал має у своєму складі від 2.5 до 10 відсотків легуючих додаткових речовин.
Високолегована сталь. До цього виду ставляться залізні матеріали, кількість легуючих добавок у яких перевищує десяти відсотків. Кількість цих компонентів у такій сталі може сягати п'ятдесяти відсотків.

Призначення легованої сталі

Леговану сталь широко застосовують у сучасній промисловості. Вона володіє високим рівнем міцності, що дозволяє виготовляти з неї обладнання для різання та рубання металевого прокату різних видів.

За призначенням сталі легованого типу можуть бути представлені великою кількістю груп.

Основними з них є:

конструкційна легована сталь,
інструментальна легована сталь,
легована сталь з особливими хімічними та фізичними властивостями.

Характеристики легованих сталей можуть бути різноманітними. Вони їх набувають завдяки співвідношенню основних елементів. Сталі такого типу є у будь-якому разі більш міцними та стійкими до утворення корозії.

Сталь низьколегована якісна конструкційна

Нормативний документ: якісна конструкційна низьколегована сталь виготовляється згідно з ГОСТ 19281-89.

Сталь Низьколегована - легована сталь із вмістом загальної маси легуючих елементів менше 2,5% від загальної маси сталі.

Марки стали низьколегованою

Марки стали: 09Г2, 09Г2С, 0ХСНД, 17Г1С, 16Г2АФ, 10ХНДП, 15ХНДП, 0ХСНД, 15ХСНД і т.д.

Сталь низьколегованих марок 10ХНДП, 15ХНДП, 0ХСНД, 15ХСНД є атмосферно корозійно-стійкою (АКС).

Замінники деяких марок стали:

Застосування стали низьколегованою

Низьколегована сталь застосовується для виготовлення корпусів вагонів залізничних, метро, трамвая, конструкцій, що несуть, локомотивів, сільськогосподарських та інших польових машин та інженерних споруд, що працюють в умовах змінних динамічних навантажень і сезонних і добових теплозмін.

Зварюваність: низьколегована сталь зварюється без обмежень.

Інструментальні леговані сталі

Даний вид низьковуглецевого заліза має інші пріоритетні параметри, зосередженими на високих показниках твердості та зносостійкості. Обидві характеристики покращуються із підвищенням концентрації вуглецю в металі.

Першочергово питання, що стосується легованих сталі - застосування цього виду металу. Область використання, як зазначалося раніше, відповідає назві категорії. Подібна сталь – це матеріал для виробництва трьох основних груп інструментів:

Перша категорія поєднує різці, фрези, долб'яки. До неї відноситься і клас швидкорізальної сталі, що відрізняється червоностійкістю, а також збереженням ріжучих характеристик при нагріванні до температури 700 0С. Інша відмінна риса швидкорізальної сталі - швидкість обробки металу, що перевищує аналогічний параметр звичайних інструментальних марок у п'ять разів. Маркування швидкорізальних марок провадиться літерою «Р», де наступні цифри вказують відсоткове входження вольфраму.

Документ, що описує інструментальні леговані сталі - ГОСТ 5950 - 73. Цей різновид має покращену теплостійкість, діапазон значень даного параметра переноситься в інтервал 250 - 300 0С. Збільшення цієї властивості позначається швидкості різання, підвищуючи її значення на 20 – 40%.

Розглядаючи, як впливають легуючі елементи на властивості сталі, зупинимося на кількох елементах.

Кремній, марка – 9ХС. Введення елемента до складу інструментальної сталі підвищує її прожарювання до 40 мм. Додатковий ефект пов'язаний із покращенням стійкості мартенситу при відпустці. Втім, елемент приносить і негативні нюанси в метал, що легується. Сталі, що містять кремній, погано піддаються різанню.

Вироби з легованої конструкційної сталі

Марганець, марки - ХВГ, 9ХВСГ. Легування цим металом призводить до зниження деформації інструменту у процесі загартування. Найбільш ефективний даний тип легування для протяжок – інструментів, що мають велике співвідношення довжини до діаметра поперечного перерізу.

Легований металобрухт

Огляд ринку легованого брухту стосується не тільки сталі, а й чавуну. Дійсно, частка оголошень купимо легований брухт чавуну, не надто поступається попиту на вторинне низьковуглецеве залізо. Прийом легованого брухту здійснюється практично всіма пунктами, що працюють з чорним металом, проте за значно вищою вартістю.

Варто розуміти: для пунктів прийому металобрухту такого поділу по легованих сталях немає (як у довіднику) – для них є чорний брухт, брухт нержавіючої сталі та брухт швидкорізів.Якщо з нержавійкою та швидкорізом все зрозуміло, то в чорний брухт можуть включатися такі сталі, як: 09Г2с та інші марки, які потрібні в даному конкретному регіоні. Деякі підприємства спеціалізовано закуповують брухт сталі з 09г2с.

Природно, враховуючи специфіку легованих відходів та брухту легованої сталі, ціна такого брухту за кілограм визначаються входженням певних металів – легуючих елементів. Наприклад, вторинна сталь, з вмістом нікелю більше 9.3%, може прийматися до 60 рублів за кг, тоді як нижча концентрація Ni прирівнює відходи до звичайного чорного сталевого брухту - 11000 за тонну.

Особливу цінність представляють швидкорізальні марки, цінність яких навіть у вигляді металобрухту суттєво вища. Проте самі собою відходи швидкорізів багато приймальників поділяють на дві категорії. До першої групи відносяться марки Р6М5, Р18, які застосовуються для обробки металів, тих же легованих конструкційних сталей. Друга – включає сорти Р9 та Р12, які використовуються для робіт з каменю та менш твердих матеріалів – див. статтю лом швидкорізальної сталі.

Таким чином, вартість брухту легованої сталі визначається в основному парою параметрів: вміст і тип добавки, а також якість самої сталі. З іншого боку, брухт швидкорізів, на відміну від інших сталевих відходів, може бути використаний як діловий. Багато інструментів, навіть відпрацювавши експлуатаційний ресурс, залишаються привабливими для подальшого використання. Сфера їх застосування може містити як побутовий сектор, і невеликі приватні підприємства.

Вуглецеві сталі

Вуглець, посилюючи твердість, одночасно робить метал більш крихким.Відсотковий вміст елемента відображається в маркуванні - по ньому можна визначити, який матеріал перед вами. недорога, легко зварюється. Якщо від 0,3 до 0,55 %, то сплав. Середньовуглецевий, такі активно застосовуються в машинобудуванні. Кількість елемента в діапазоні 0,6-2 %, показує, що матеріал високовуглецевий, тому зварюваність і рідкість його низька, але твердість висока.

Структура низьковуглецевих сплавів забезпечує пластичність, але відносно малу міцність матеріалу. Збільшення вмісту вуглецю призводить до втрати пластичності, але помітно посилює міцність. підшипників, пружини, штамповані деталі.

Навіщо маркувати?

Наприклад, вони можуть бути інструментальними (використовуються для виготовлення робочих частин різних інструментів), конструкційними (застосовуються для створення металоконструкцій, корпусів для автомобілів). які мають особливі фізичні властивості (магнітні, жароміцні, корозійностійкі).

Якість сплаву визначається за відсотковим вмістом добавок у складі. Наприклад, вміст фосфору, сірки має бути мінімальним.

Розшифровка

Сталь маркується за певними правилами. Перші цифри вказують на вміст вуглецю.Якщо цифри на початку немає, кількість вуглецю – до 1%.

Літери, які стоять за першими цифрами, вказують на назву додаткових компонентів.

Існують різні види сталей, що відрізняються технічними характеристиками, властивостями. Вони залежить від наявності додаткових домішок, які у складі. Щоб не плутатися у численних виробах із різних видів матеріалів, використовується спеціальне маркування.

Стандарти країн СНД

При позначенні легованої конструкційної сталі процентна величина масової частки вуглецю маркується першими двома цифрами без використання літерного позначення. Далі в порядку зменшення вказуються легуючі компоненти та їхня частка в сплаві в середньому еквіваленті. Літерні позначення хімічних елементів вказані в таблиці 1. Легуючі присадки, кількість яких менше 1,0% вказуються тільки в розшифрованій номенклатурі, так як позначення тоді набуло б дуже громіздкого вигляду.

Враховуючи великий сортамент, також марка сталі може включати додаткові симвноменклатури, так як позначення тоді б набуло дуже громіздкого вигляду. , Ш - шарикопідшипникові, Е - електротехнічні, Я - хромонікелеві. Також маркування може припускати винятки від загальних правил позначення. Так, залежно від хімічного складу, конструкційні сплави поділяють на якісні та високоякісні. Наприклад, наприкінці маркування літера «А» вказує, що сплав є особливо чистим у частині вмісту фосфору та сірки, а літера «Ш» відносить їх до високоякісних.

Маркування легованих сталей для річкового та морського суднобудування часто здійснюється відповідно до ГОСТ 5521-86 та вимог Міжнародної асоціації класифікаційних товариств. Це означає, що такі сплави класифікують на категорії A, B, D та Е з урахуванням межі плинності, показників міцності, крихкості та опору ударним навантаженням.

Європейські стандарти

EN 10027 визначає порядок позначення всіх сталей. Леговані сплави мають маркування 1.20ХХ – 1.89ХХ, де перша цифра визначає, що цей матеріал відноситься до сталей, друга та третя цифра визначають номер групи сталей та дві останні – порядковий номер сплаву у цій групі. Наприклад, категорія інструментальних сталей ідентифікується як 1.20ХХ – 1.28ХХ, а нержавіючих як 1.40ХХ – 1.45ХХ.

Північноамериканські стандарти ASTM/ASME та AISI

У США діє найбільша система маркування сталей. Наприклад, маркування ASTM передбачає позначення основних хімічних елементів, межу міцності та форму прокату. У системі AISI використовують 4 цифри, де перші дві вказують номер групи, дві наступні – відсоткова кількість вуглецю. Літерні символи демонструють наявність відповідних присадок.

приклади

Щоб навчитися розшифровувати позначення, необхідно розглянути кілька варіантів маркування:

У8ГА містить 0,8% вуглецю.
Ст3сп5 - конструкційний метал, який не є легованим. Часто застосовується виготовлення металоконструкцій.
30ХГСА містить до 0,3% вуглецю. Додаткові компоненти – кремній, марганець, хром. Літера А вказує на високу якість матеріалу.
Р6М5Ф2К8 - швидкорізальна сталь. У складі міститься близько 8% кобальту, 5% молібдену, 2% ванадію.
ХВГ складається з марганцю, хрому, вольфраму, кількість яких не перевищує 1%.

Зварювання легованих сталей: особливості

Леговані сплави мають гарну пластичність, тому з них можна виготовити складні конструкції методом зварювання. Через різний вміст добавок кожен тип легованих виробів має свої особливості.

Зварювання легованих сталей

Зварювання низьколегованих сталей

Особливість зварних з'єднань низьколегованих сталей полягає у високій опірності холодним тріщинам і тендітному руйнуванню. Але такі властивості сполучного шва можна досягти тільки при правильному зварюванні.

Якщо процес попереднього нагріву буде порушений або зварний шов піддасться занадто швидкому остиганню, метал може отримати в місцях з'єднання мікроскопічні пошкодження, які значно зменшать міцність всієї конструкції.

Низьколеговані сталі марки 10Г2СД, а також 14ХГС та 15ХСНД зварюються з використанням апарата постійного струму із зворотною полярністю. Електроди для зварювання повинні мати фтористо-кальцієве покриття.

Величина зварювального струму повинна точно відповідати типу електрода, товщині металу та типу сплаву.

Недотримання цієї вимоги також позначиться на якості зварного шва і, як наслідок, на міцності конструкції, що виготовляється.

Зварювання низьколегованої сталі повинне здійснюватися без перерви, щоб весь шов був виконаний без при температурі металу не менше 200 градусів. Середня швидкість зварювання становить 20 м/год, при напрузі 40 і силі струму 80 А.

Зварювання середньолегованих сталей

При виготовленні конструкцій із середньолегованих сталей необхідно використовувати зварювальні матеріали, в яких вміст легуючих елементів повинен бути меншим, ніж у матеріалі, що зварюється.

Тільки при використанні таких матеріалів можна досягти одержання шва з високою стійкістю до деформації. Якщо при виготовленні виробів із середньолегованих сталей товщина листа не перевищує 5 мм, то високої якості з'єднання можна досягти при використанні аргонодугового зварювання.

Якщо для з'єднання деталей використовується газове зварювання, то як джерело горіння слід застосовувати ацетилен у суміші з киснем.

Зварювання високолегованих сталей

Якщо для виробництва металевих деталей застосовується високолегована сталь, то в цьому випадку слід застосовувати зварювальне обладнання з мінімальним захватом матеріалу. Це необхідно для зниження ймовірності короблення металу під час зварювання через великий вміст у складі металу різних домішок.

Електричне зварювання високолегованих сплавів здійснюється з використанням електродів з фтористокальцієвим покриттям. У цьому випадку вдається досягти високих показників механічної та хімічної міцності зварного шва.

Застосування газового зварювання при виготовленні конструкцій із високолегованих сталей небажане. У виняткових випадках можливе використання газового зварювання для з'єднання жароміцного високолегованого сталевого листа завтовшки не більше 2 мм.

https://www.syl.ru/article/365687/chto-takoe-legirovannaya-stal—sostav-svoystva-marki-gost-naznachenie-obrabotka
https://FB.ru/article/275232/legirovanniee-metallyi-opisanie-spisok-i-osobennosti-primeneniya
http://www.m-deer.ru/tehnologiya/legirovanie-stalej.html
https://www.metotech.ru/art_garsplavy_2.htm
https://intehstroy-spb.ru/spravochnik/legirovannye-stali-klassifikaciya-i-markirovka.html
https://xlom.ru/spravochnik/legirovannyj-stali-vidy-xarakteristika-legirovannyj-metallolom
https://msmetall.ru/metalloobrabotka/klassifikaciya-legirovannyh-stalej.html
https://metalloy.ru/stal/markirovka-legirovannoy-stali
https://metinvest-smc.com/ru/articles/legirovannaya-stal-osobennosti-klassifikatsiya-i-kharakteristiki/
https://plavitmetall.ru/obrabotka/legirovannaya-stal-primenenie.html
https://regionvtormet.ru/stanki-i-oborudovanie/harakternye-osobennosti-legirovannoj-stali-i-sfera-ee-primeneniya.html