Легированные стали

1 По каким принципам классифицируют легированные сплавы?

Есть несколько систем, по которым производится разделение описываемых сталей на разные классы и категории. Их классифицируют по:

• эксплуатационному назначению;
• структуре после естественного охлаждения и в состоянии равновесия;
• качеству;
• виду и содержанию легирующих добавок.

В равновесном состоянии легированные стали (ЛС) могут быть эвтектоидными, доэвтектоидными и заэвтектоидными. А вот композиции, прошедшие нормализацию (нагрев стали до 900° и ее охлаждение), подразделяют на 5 групп:

1. Мартенситные.
2. Перлитные.
3. Ферритные.
4. Аустенитные.
5. Карбидные.

Химэлементы, добавляемые в ЛС, изменяют структуру последних по двум механизмам: расширяют альфа- и сужают гамма-зону; сужают альфа- и расширяют гамма-область. Легированная сталь по сферам применения делится на: инструментальную; конструкционную; специального назначения

Обратите внимание! Все сплавы с легирующими компонентами считаются качественными. Кроме того, существуют особо высококачественные и высококачественные ЛС

Легированная сталь

По процентному включению (суммарному) добавок легированные стали причисляют к одной из далее указанных категорий:

• среднелегированные (добавок – не более 10 %);
• низколегированные (до 5 %);
• высоколегированные (свыше 10 %).

Важный момент! Легированные металлургические композиции обязательно проходят термическую обработку. Она значительно улучшает их форму и структуру. Выплавлять ЛС без термообработки не имеет смысла. Легированные сплавы выпускаются по нескольким Государственным стандартам:

• теплоустойчивые – ГОСТ 20072–74;
• конструкционные – ГОСТ 4543–71;
• низколегированные – ГОСТ 19281–89;
• шарикоподшипниковые – ГОСТ 801–79;
• пружинные – ГОСТ 14959–79.

Нержавейка: что такое легированная сталь?

Нержавеющая сталь, в простонародье называемая «нержавейкой», устойчива к коррозии и в её состав входят легирующие элементы. Термин «легированная» означает включение в сплав железоуглеродистого для улучшения свойств металла легирующих элементов. В зависимости от этих добавок нержавейка получает определенные физические, химические или механические свойства.

Нержавеющая сталь имеет большую ценность на производстве. Украина занимает достойные позиции на мировом рынке нержавеющей стали. Украинский металлопрокат выпускает метал для определённых областей, что снижает его себестоимость, но при этом, не наносит вреда качеству.

Компания https://steelservice.com.ua/ предлагает своим партнёрам нержавеющий металлопрокат лучших мировых и украинских производителей. Клиентам представлен широкий ассортимент продукции. Квалифицированная консультация по выбору состава и формы выпуска проката и конкурентная цена нержавейки при полном соответствие всем стандартам качества, поможет вам найти все необходимое в нашей фирме.

Хром – является основным легирующим, в сплаве его содержание может варьироваться от 12 до 20%. Структурное состояние стали зависит от его процентного содержания. А ее стойкость к коррозии оценивается в первую очередь.

Во взаимодействии с кислородом, хром образует невидимый тонкий и плотный слой на поверхности металла, который называется оксидной плёнкой. Именно он защищает металл от непосредственного воздействия внешней среды и защищает ее от химического воздействия. Минимально допустимое количество хрома, которое придаёт нержавейке коррозийную стойкость к атмосферному воздействию и большинству промышленных средств, в высоколегированных сталях составляет 12%. 17% и более процентов хрома позволяют металлу быть устойчивым к воздействию щелочей, солей, кислот, морской воды и почвы.

Стоит отметить, что добавление в структуру нержавеющей стали других металлов, делает её менее однородной, но при этом улучшает некоторые качественные характеристики. Кроме хрома, в состав стали могут добавляться титан, никель, медь, молибден и др. Так, например, титан увеличивает окалиностойкость стали — сопротивление окислению при высоких температурах. Никель делает сталь пластичнее, твёрже и увеличивает её механическую прочность. Сплав с высоким содержанием никеля можно отполировать до зеркального блеска. Добавление меди и молибдена придают металлу упругость и прочность при растяжении. Повысить жаростойкость нержавейки можно, добавив в неё алюминий и кремний. Твёрдой и прочной её делает кобальт, а легирование вольфрамом придает стали отличные режущие свойства и повышает ее износостойкость.

Благодаря этому элементы, узлы, детали, трубы изготовленные из нержавеющей стали могут использоваться десятки лет в условиях при которых другие материалы становятся не только эстетически непривлекательными, но и перестают соответствовать санитарным требованиям.

Сварка высоколегированных сталей

Сварка высоколегированных сталей отличается от сварки обычных сортов стали. Дело все в том, что большинство высоколегированные сплавы обладают повышенной теплопроводностью и увеличенным линейным расширением металла, что вынуждает вносить в процедуру сварки ряд важных изменений:

Повышенная теплопроводность приводит к тому, что на поверхности металла собирается лишнее тепло, которое значительно легче проплавяет сталь в глубину. Поэтому при проведении сварки нужно снизить величину сварочного тока на 15-25%, чтобы избежать повреждения детали. Из-за увеличенного коэффициента расширения металла при нагреве также происходит более серьезная деформация металла. В случае работы с объемными жесткими объемными конструкциями также увеличивается риск образования трещин

Поэтому при осуществлении сварки нужно соблюдать повышенную осторожность

Советы

Помимо этого существует и масса других особенностей сварки высоколегированных сталей. При работе со сплавами, которые не содержат титан или ниобий, нужно помнить о температуре нагрева сварочной дуги. При нагреве металла до температуры выше 500 градусов такие сплавы теряют свои антикоррозийные свойства.

Если же во время сварки вы по какой-либо причине довели фрагмент металла до температуры выше 500 градусов, то в таком случае необходимо выполнить закалку либо нагреть фрагмент до температуры 850 градусов. В таком случае легирующие скопления растворяются и равномерно распределятся по всему сплаву.

Из-за наличия легирующих добавок значительно повышается риск растрескивания стали во время сварки. Чтобы этого избежать, нужно использовать электроды с покрытием на основе молибдена, марганца или вольфрама. В случае применения таких инструментов место шва приобретает мелкозернистую структуру, которая препятствует образованию трещин.

Также снижает риск растрескивания шва предварительный нагрев стали до температуры 100-300 градусов по Цельсию. В таком случае тепло будет равномерно распределяться по всей толщине металла и препятствовать образованию трещин.

Стальные сплавы с содержанием углерода в концентрации менее 0,12% перед сваркой нужно обязательно нагревать.  Если этого не сделать, то с большой долей вероятности после сварки на месте шва образуются трещины и коррозионные наросты.

Сварка легированных сталей: особенности

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

Сварка низколегированных сталей

Особенность сварных соединений низколегированных сталей заключается в высокой сопротивляемости холодным трещинам и хрупкому разрушению. Но, такие свойства соединительного шва можно достичь только при правильном сваривании.

Если процесс предварительного нагрева будет нарушен либо сварной шов подвергнется слишком быстрому остыванию металл может получить в местах соединения микроскопические повреждения, которые значительно уменьшат прочность всей конструкции.

Низколегированные стали марки 10Г2СД, а также 14ХГС и 15ХСНД свариваются с использованием аппарата постоянного тока с обратной полярностью. Электроды для сваривания должны иметь фтористо-кальциевое покрытие. Величина сварочного тока должна точно соответствовать типу электрода, толщине металла и типу сплава. Несоблюдение этого требования также отразится на качестве сварного шва и, как следствие, на прочности изготавливаемой конструкции.

Сварка низколегированной стали должна осуществляться без перерыва, чтобы весь шов был выполнен без при температуре металла не менее 200 градусов. Средняя скорость сварки составляет 20 м/ч, при напряжении 40 В и силе тока 80 А.

Видео:

Сварка среднелегированных сталей

При изготовлении конструкций из среднелегированных сталей необходимо использовать сварочные материалы, в которых содержание легирующих элементов должно быть меньше, чем в свариваемом материале.

Только при использовании таких материалов можно добиться получения шва с высокой устойчивостью к деформации. Если при изготовлении изделий из среднелегированных сталей толщина листа не превышает 5 мм, то высокого качества соединения можно достичь при использовании аргонодуговой сварки.

Если для соединения деталей используется газовая сварка, то в качестве источника горения следует применять ацетилен в смеси с кислородом.

Сварка высоколегированных сталей

Если для производства металлических деталей применяется высоколегированная сталь, то в этом случае следует применять сварочное оборудование с минимальным тепловым захватом материала. Это необходимо для снижения вероятности коробления металла во время сварки, по причине большого содержания в составе металла различных примесей.

Электрическая сварка высоколегированных сплавов осуществляется с использованием электродов с фтористокальциевым покрытием. В этом случае удаётся добиться высоких показателей механической и химической прочности сварного шва.

Применение газовой сварки при изготовлении конструкций из высоколегированных сталей нежелательно. В исключительных случаях возможно использование газовой сварки для соединения жаропрочного высоколегированного стального листа толщиной не более 2 мм.

Видео:

Что означают добавки легированной стали и их влияние на свойства

Мы уже упоминали, что некоторые компоненты могут быть как обязательными, так и специальными примесями – в зависимости от их количества. Различные марки могут содержать:

Элемент
Влияние
Хром
Значительно защищает от коррозии, способствует повышению твердости, а также ударопрочности

Показательно то, что много хрома добавляют в нержавейку.
Никель
С добавлением данного вещества сплав становится более вязкий и пластичный, уменьшается его хрупкость, что очень важно, например, перед обработкой давлением – прессованием или штамповкой.
Титан
Снижает зернистость, делает структуру более однородной, а значит, менее подверженной появлению трещин и расколов. Дополнительно улучшается восприимчивость к металлообработке и устойчивость к ржавлению.
Ванадий
Как и после внедрения титана, можно заметить менее зернистую форму

Также характерно увеличение текучести и порога прочности на разрыв.
Молибден
После него намного эффективнее процесс закалки, а также снижается хрупкость, появляется большая выносливость к ржавлению.
Вольфрам
Кроме повышения твердости, он еще и помогает при термообработке – зернистость не увеличивается при нагреве, а при отпуске не сильно страдает ломкость.
Кремний
Его задача – одновременное увеличение прочности и сохранение уровня вязкости. Но если его будет более 15%, то можно наблюдать за повышением магнитной проницаемости и сопротивляемости электричеству. однако нужно быть осторожным, поскольку сталь становится более хрупкой.
Кобальт
Хорошо защищает от быстрого разрушения под воздействием высоких температур; делает выше ударопрочность
Алюминий
Добавляет окалиностойкость, то есть при большом жаре не происходит быстрого окисления.

Мы перечислили основные добавки, которые применяются при легировании. Также сделаем отдельную таблицу для примесей, которые невозможно полностью убрать из состава.

Элемент	Влияние
Углерод	Очень сильно повышает прочность, твердость, ударостойкость, предел текучести. Но есть строгие ограничения по его добавлению. проще говоря, если его будет более 1,2 – 1,4 процента, то все перечисленные характеристики, напротив, пойдут на спад вместе с пластичностью.
Марганец	Выше мы представили его значимость в качестве раскислителя. Но вещество защищает не только от кислорода, но и от серы, а зачем защищать, читаем ниже.
Сера	Высоким называется уже ее содержание, превышающее 0,6%. Примесь в такой концентрации приводит к плохой свариваемости, сниженной прочности, пластичности и коррозионной устойчивости. в общем, этот ингредиент не приносит никакой пользы, только вред.
Фосфор	Его наличие может привести к завышенному показателю хрупкости и текучести, а также к понижению вязкости и пластичности.
Азот, водород и кислород	Газы способствуют разрыхлению структуры, из-за чего сплав становится хрупким, менее выносливым к нагрузкам и недостаточно вязким.

Классификация легированных сталей

Исходя из процента легирующих элементов в составе, нержавеющая сталь подразделяется на следующие классы:

• Низколегированная сталь (менее 2,5 %)
• Среднелегированная сталь (2,5 – 10%)
• Высоколегированная сталь (более 10%)

В качестве вспомогательных компонентов для низколегированных сталей обычно используется никель, молибден и хром. Одни из самых распространенных марок стали этой группы: 13Х (используется для изготовления ювелирного, гравировального и хирургического оборудования), жаропрочная конструкционная низколегированная сталь 12Х1МФ (применяется в производстве трубопроводов, фланцев, деталей цилиндров и др.) Свойства низколегированных сталей позволяют снизить вес конструкций, сэкономить металл за счет высокого предела текучести, повысить эксплуатационные характеристики конечного изделия.

В состав среднелегированной стали может входить никель, вольфрам, молибден, ванадий. Термическая и механическая обработка позволяет достичь оптимального соотношения прочности, вязкости и пластичности. Среднелегированная сталь незаменима в машиностроении, судостроении, для изготовления различных деталей (сверла, развертки и т.д.) Например, такие популярные марки как 9Х5ВФ, 8Х4ВЗМЗФ2 прокаливаются при более высоких температурах, чем низколегированные стали, они более долговечные и прочные.

Основные добавочные элементы высоколегированных сталей – хром и никель. Благодаря их высокому содержанию металл получает такие уникальные свойства как: резистентность к экстремальным температурам, коррозионная стойкость, жаропрочность. Высоколегированная нержавеющая сталь обязана своими исключительными характеристиками не только химическому составу, но и последующей обработке. Например, сталь марки 12Х18Н10Т, устойчивая к азотной кислоте и другим агрессивным воздействиям, идеально подходит для сварных конструкций; сталь 08Х14МФ используется для производства нержавеющих труб, оборудования пищевой промышленности.

Помимо классификации по содержанию легирующих элементов, легированная сталь различается по структуре (перлитная, мартенситная, аустенитная, ферритная, карбидная), по назначению (особого назначения, конструкционные, инструментальные) и по другим параметрам.

Порядок расшифровки

Позиции в обозначении, слева направо.

• 1-я – содержание C (углерода), выраженное сотыми долями процента.
• 2-я – химический элемент, обеспечивающий легирование.

Алюминий	Al, Ю	Медь	Cu, М	Ванадий	V, Ф
Хром	Х	Азот	N, А	Вольфрам	W, В
Ниобий	Nb, Б	Бор	В, Р	Кремний	Si, С
Цирконий	Zr, Ц	Кобальт	Co, К	Тантал	Та
Селен	Se, Е	Железо	Fe, Ж	Титан	Ti, Т
Никель	Ni, Н	Молибден	Мо, М	Марганец	Mn, Г

3-я – процентное содержание в стали легирующей добавки. Если оно равно или менее 1, то цифра не проставляется.

Примеры маркировки сталей высоколегированных

8Х18Н10Т – углерода (0, 08), хрома (18), никеля (10), титана (1).

38Х12МЮА – углерода (0,38); хрома (12); молибдена и алюминия – по 1%. Последняя буква (А) свидетельствует о высоком качестве стали.

Как уже отмечено, разделение высоколегированных сталей на группы (аустенитные, мартенситные и так далее), специфика из применения (инструментальные, конструкционные) описаны в ГОСТ и напрямую к теме статьи не относятся. А как правильно «прочитать» маркировку, автор уже подробно объяснил.

Какие свойства придают стали элементы легирования

Многие из добавок по своему воздействию на материал схожи. Например, повышают его прочность, устойчивость к коррозии. Поэтому отметим лишь те характеристики стали, на которые конкретная присадка оказывает максимальное влияние. То есть, существенно их улучшает.

• Титан – жаропрочность; также способствует уплотнению структуры за счет выведения излишков азота.
• Кобальт – механическая прочность.
• Ванадий, вольфрам, молибден – препятствуют росту зерен, способствуют неизменности структуры высоколегированной стали. Повышается ее режущая способность. Кроме того, Мо положительно влияет на жаростойкость материала.
• Никель – повышает упругость и устойчивость к ржавлению.
• Хром – придает множество свойств. Кроме перечисленных выше, обеспечивает неподверженность стали истиранию и качественное ее прокаливание.
• Марганец – твердость. Однако при повышении температуры зерно увеличивается в размерах. Это негативно сказывается на ударной прочности.
• Кремний – придает стали упругость.

Одна из особенностей обработки высоколегированных сталей – в технологии их закалки. Она производится не в воде, а в масле.

Сварка сплавов

Мы отмечали, что после добавления компонентов металлообработка, в том числе с помощью сварочного аппарата, затрудняется. Посмотрим, в чем особенности.

Низколегированных

Рекомендации:

• Нельзя допускать быстрого остывания шва – тогда могут появиться микротрещины.
• Аппарат должен быть с обратной полярностью и постоянным напряжением.
• Нужно использовать электроды с фтористо-кальциевым покрытием.
• Процесс – без перерыва, плавно со средней скоростью в 20 м/ч.
• Напряжение – 40 В и сила тока – 80 А.

Среднелегированных

Особенности:

• В электродах должно быть меньше легирующих веществ, чем в сплаве.
• Если лист шире, чем 5 мм, применяйте аргоновую сварку.
• При газовом аппарате используйте смесь из ацетилена и кислорода.

Высоколегированных

• Тепловой захват материала – минимальный.
• Электроды с фтористо-кальциевым покрытием.
• Не стоит применять газовую сварку.

В статье мы рассказали все про легированную сталь: что это значит, особенности получения, свойства и состав. Надеемся, что информация была для вас познавательной.