Легирование стали

Что такое легированная сталь?

Физические свойства, такие как прочность, пластичность, хрупкость, могут быть увеличены или уменьшены в несколько раз. Изменение кристаллической решетки материалов активно применяют в металлургии, а также при производстве многочисленных деталей и корпусов для автомобильного, машинного, станочного и прочего производства, а также для создания строительных конструкций и инструментов. Сфера применения настолько велика, что сплав начали изготавливать большими партиями, он постепенно вытесняет долю изготавливаемого железа и обычных стальных веществ.

Исходя из приведенной информации, легирование стали – это металлургический процесс выплавки, в ходе которого в состав добавляются материалы примесей. При этом есть два вида операции:

• Объемный – когда компоненты попадают в глубинную структуру. В расплав или шихту внедряются хром, никель и пр.
• Поверхностный – в ходе него происходит диффузионное или иное напыление, то есть покрывается только верхний слой.

Процесс начал использоваться относительно недавно. Впервые эксперименты начали проводить в 1882 году. И с первого же образца исследователи обнаружили, что вместе с улучшением физических свойств значительно снижается степень обрабатываемости. Простыми словами, с материалом просто стало сложно работать. Безусловно, к настоящему времени все дополнительные эффекты легирования изучены, поэтому составлены специальные ГОСТы для разных способов металлообработки.

Маркировка легированных сталей

В России и СНГ действует система обозначения марок, состоящая из букв и цифр.

Обозначения конструкционных легированных сплавов

Маркировка такой стали состоит из цифр и букв. Буквы – это основные легирующие добавки, цифры после каждой из букв показывают содержание обозначенного элемента, округлённого до целого числа (если содержание легирующего компонента – до 1,5%, то цифра за буквой не пишется). Содержание углерода в процентах, умноженное на 100, пишется в начале наименования стали.

Маркировка основных легирующих компонентов:

Элемент	Обозначение
Никель	Н
Кобальт	К
Молибден	М
Хром	Х
Марганец	Г
Бор	Р
Медь	Д
Цирконий	Ц
Фосфор	П
Кремний	С
Ниобий	Б
Вольфрам	В
Титан	Т
Азот	А (в середине наименования)
Ванадий	Ф
Алюминий	Ю
Редкоземельные металлы	Ч

Если сталь с ограничением содержанием серы S и фосфора P &lt,0,03% и является высококачественной, в конце маркировки указывают «А». Высококачественные стали, полученные электрошлаковым переплавом, имеют маркировку в конце наименования с буквой «Ш» через тире, например, 18ХГ-Ш.

Обозначения автоматных

В начале названия указывается буква «А». Если в качестве легирующей добавки идёт свинец, то маркировка будет начинаться с «АС». Для отображения других элементов, действует тот же порядок, что и для конструкционных легированных сталей.

Маркировка подшипниковых

Маркировка у них, как у легированных, только с «Ш» в начале. У стали, полученной электрошлаковым переплавом, добавляют «Ш» в окончании названия через тире. Например, ШХ8-Ш.

Обозначения инструментальных легированных

Маркируются аналогично конструкционным легированным сталям. Процентное содержание углерода указывается в начале маркировки, но отличается тем, что умножается не на 100, а на 10. Если содержание углерода менее 1%, то цифру в начале названия марки стали не указывают.

Маркировка быстрорежущих

Они маркируются в начале наименования буквой «Р» и цифрой, указывающей на содержание вольфрама в стали, затем следуют буквы и цифры других легирующих элементов.

Маркировка коррозионно-стойких

Коррозионно-стойкие (нержавеющие), жаростойкие и жаропрочные имеют в обозначении цифры и записываются так же, как маркировка конструкционных легированных сталей. У литейных добавляется «Л».

Легированные стали классификация и маркировка

Базовая сортировка низкоуглеродистого железа позволяет разделить его на две разновидности. Фактически, основная классификация легированных сталей ведется по способу их использования:

1. Конструкционные. Сталь, используемая при изготовлении деталей, узлов и конструкций.
2. Инструментальная. Металл характеризуется содержанием углерода на уровне 0.9 – 1.4%. Дополнительные легирующие элементы в сталях инструментальных: хром, ванадий, вольфрам, кремний, марганец и прочие. Суммарная концентрация примесей, исключая углерод, не превышает 5%. Используются в производстве инструмента ударного и режущего воздействия.

Классификация легированных сталей по назначению

Первый вопрос общего плана что значит легированная сталь? Уже получил ответ выше. Это разновидность низкоуглеродистого железа, имеющая внедрения других металлов для улучшения определенных параметров. Этот термин дает ответ и на следующий вопрос: для чего в сталь вводятся легирующие элементы? Таким образом, разобравшись, что такое легированная и нелегированная сталь можно перейти к рассмотрению двух базовых разновидностей этого металла.

Маркировка легированных сталей

Цементация в газовом карбюризаторе

Этот процесс осуществляют в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твёрдом карбюризаторе, поэтому её широко применяют на заводах, изготовляющих детали массовыми партиями.

В случае с газовой цементацией можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненных малотеплопроводным карбюризатором; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процессов, и значительно упрощается последующая термическая обработка деталей, так как закалку можно проводить непосредственно из цементационной печи.

Это интересно: Борирование стали — диффузионное и жидкостное, технологии, достоинства и недостатки

Инструментальные легированные стали

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.

Легированная сталь и изменение ее свойств

Легированная сталь, марки которой содержат в своей маркировке буквенные обозначения вводимых принудительно элементов, меняет свои свойства не только от этих сторонних веществ, но и также от их взаимного действия между собой.

Если рассматривать конкретно углерод, то по взаимодействию с ним легирующие элементы можно условно разделить на две большие группы:

• Элементы, которые формируют с углеродом химическое соединение (карбид) – молибден, хром, ванадий, вольфрам, марганец.
• Элементы, не создающие карбидов – кремний, алюминий, никель.

Стоит заметить, что стали, которые легируются карбидобразующими веществами, имеют очень высокую твёрдость и повышенное сопротивление износу.

Низколегированная сталь (марки: 20ХГС2, 09Г2, 12Г2СМФ, 12ХГН2МФБАЮ и другие). Особое место занимает сплав 13Х, который достаточно тверд для изготовления из него хирургического, гравировального, ювелирного оборудования, бритв.

Разница между легированием и примесями

Обычные легирующие добавки — это компоненты, которые вводят в металл в значительных количествах — более 0,10%. Они вызывают изменение кристаллической решётки железа, образуя растворы внедрения, повышают прочностные и других свойства железа (матрицы).

В качестве металлов для легирования используют:

• хром Cr,
• марганец Mn,
• никель Ni,
• алюминий Al,
• молибден Mo,
• кобальт Co,
• титан Ti,
• цирконий Zr,
• медь Cu и другие.

Их внедряют в сталь в разных количествах и сочетаниях.

Примеси

Существует деление вредных примесей на обычные и остаточные. К обычным вредным примесям относят те, содержание которых в металле можно уменьшить во время плавки – это фосфор, сера, кислород, азот, углерод, т. е., неметаллы.

Под остаточными вредными примесями принято понимать такие, содержание которых невозможно снизить во время плавки ни при окислительном рафинировании, ни при обычном легировании. Это характерно для химических элементов, имеющих растворимость в жидком железе. В производственной практике обычно встречающимися вредными остаточными примесями являются:

• медь,
• никель,
• олово,
• сурьма,
• мышьяк.

Инструментальные виды

Легированная инструментальная сталь предназначается для производства металлорежущего инструмента, эксплуатируемого при режимах с высокой скоростью резания и для изготовления штампового инструмента.

Быстрорежущие стали способны сохранять высокую твёрдость и износостойкость режущей кромки инструмента. В такую сталь добавляют молибден, ванадий, вольфрам, хром и кобальт.

Штамповые стали для холодной деформации с содержанием 1,0–2,0% углерода обладают износостойкостью и ударной вязкостью. Их легируют хромом до 12%, ванадием, вольфрамом, молибденом.

Штамповые стали для горячей деформации содержат углерод в пределах 0,3–0,5%, обладают высокой теплостойкостью, ударной вязкостью, сопротивлением термической усталости. В качестве добавок вводят вольфрам, молибден, ванадий.

Конструкционные легированные стали

Толстостенные трубы из конструкционной стали

Классификация этого вида низкоуглеродистого железа достаточно обширна. Среди параметров, определяющих сортировку конструкционной стали присутствуют:

форма и габариты;

процентная масса легирующих элементов;

химический состав и базовая примесь;

качество металла, его поверхности (две различные категории);

вид обработки.

В частности, различают такие виды проката конструкционной легированной стали: круглый (марка 40х), квадратный, шестигранный, профильный под косые шайбы и полосы. Также, согласно ГОСТ 1113-88, конструкционная сталь производится в виде кованых прутков квадратного и круглого сечения. Обособленная разновидность этого вида легированного черного метала – сталь со специальной отделкой поверхности (ГОСТ 14955).

Разобраться какие стали называются легированными (конструкционный металл) поможет ГОСТ 4543-71. Соответственно этому документу изготовляется конструкционное низкоуглеродистое железо. Таким образом, вопрос “дайте определение легированных сталей”, сводится к ассортименту добавок, вводимых в металл для улучшения его характеристик.  Это: азот, хром, кремний, бор, тугоплавкие металлы. Дополняют ряд никель, медь, алюминий и прочие цветные металлы.

Рассматривая конструкционные легирующие стали, следует обратить внимание на такой критерий, как общее содержание примесей. Он сортирует металл на три класса:. высоколегированный – доля добавок более 10%;

высоколегированный – доля добавок более 10%;

умеренный от 2.5 до 10%;

низкое содержание примесей – менее 2,5%.

Во всех случаях указывается массовый процент легирующей добавки.

Химический состав – еще один фактор классификации. Классификация конструкционной легированной стали, разделяющий ее на качественную, высококачественную, маркируемую литерой «А» и металл электрошлакового переплава – особо высококачественная разновидность с ведущей «Ш» в маркировке.

Аналогично качеству химического состава, различают три категории легированной конструкционной стали, соответственно качеству обработки поверхности. Дополнительный критерий сортировки в этом случае – вид обработки. Это, во-первых, кованый или горячекатаный прокат, калиброванный металл, а также сталь со специальной отделкой поверхности.

Уровень термической обработки отражает маркировка легированных сталей. В частности, литера «Т» говорит о термически обработанном металле, «Н» – нагартованном. Обозначение легирующих элементов в стали указывается после содержания углерода (первая пара цифр).

Нагартованный металл

Нагартовка – это упрочнение металлов и сплавов вследствие изменения их структуры и фазового состава в процессе пластической деформации при температуре ниже температуры рекристаллизации (определение из Википедии)

Дополнительные обозначения легированных сталей указывают на следующие особенности:

1. По степени раскисления. Параметр напрямую зависит от процентного вхождения кремния. Стали содержащие не более 0.07% называют кипящими, свыше 0.12% – спокойными. Интервал 0.07 – 0.12% соответствует полуспокойным маркам металла.
2. Непосредственно маркировка. Формируется из нескольких элементов. Первый – буквенное обозначение Б или В (группа А не обозначается) с последующим «Ст». Например, Ст1кп2; БСт2пс; ВСт6сп3. Второй – цифра, соответствующая номеру ГОСТ. Третий символ: буква «Г», присутствие которой указывает на повышенно содержание марганца. Далее идут степень раскисления металла и номер категории стали.
3. Применение. Параметр, указывающий, где используют легированные конструкционные стали. Маркировки Ст1, Ст2 отводятся под проволоку и изделия из прутков: гвозди или заклепки. Крепежные детали обозначаются Ст3, Ст4 а осевые элементы или валы под слабой нагрузкой – Ст5, Ст6.

Альтернативная классификация конструкционных сталей по сфере использования, разделяет металл на подшипниковый, рессорно-пружинный и теплоустойчивый. В первых двух случаях наименования говорят сами за себя, тогда как последний вариант соответствует металлу, сектор применения которого – энергетическое машиностроение. Подобные конструкционные стали используются в производстве котлов, паронагревателей или сосудов.

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.

Химический состав

Качество такого материала целиком зависит от количества углерода в ней, так как это один из главных компонентов ее состава. Также обязательно включение в его состав железа. Никель, хром, медь, ванадий и прочие компоненты добавляют с целью улучшить другие свойства сырья.

Теперь рассмотрим, как влияют легирующие элементы на свойства получаемой сырья:

• Хром, как и никель, несет ответственность за придание стойкости к ржавлению. С его помощью получают всем известную нержавейку, металл делается тверже и прочнее.
• Никель добавляет не только прочности, но и пластичности.
• Медь, помимо устойчивости к коррозии, способствует сопротивлению различным кислотам.
• Ванадий уплотняет структуру, делает мелкозернистой.
• Марганец несет ответственность за износостойкость.
• Вольфрам сохраняет твердость материала при воздействии высоких температур.
• Кремний придает металлу упругость, а также делает его магнитным.
• Присутствие алюминия добавляет полученному материалу жаростойкости.

Как изменяется структура при добавлении различных примесей? В результате их введения кристаллическая решетка разрушается по причине отличий в форме электронов и атомных величин. Поэтому характеристики легированной стали могут колебаться из-за изменения процентного соотношения элементов в ее составе. Твердость, прочность и пластичность сплав получает после термообработки.

Внешний вид легированной стали

По химическому составу такой металл обычно отличается. Поэтому классификация будет следующей:

1. Низколегированный – процент легированных добавок не более 2,5.
2. Среднелегированный – примеси составляют не более 2,5-10 %.
3. Высоколегированный – примесей может быть больше 10% и расти до 50.

По классификации деление идет на: коррозионно-устойчивую сталь и жаростойкую (выдерживает выше 1000 градусов).

Согласно химическому распаду выделяются:

• окалиноустойчивая (при 550 градусах);
• жароустойчивая.

Известны два основных типа: легированные и углеродистые. Посмотрим, какие у них отличия.

Углеродистая сталь – сплав, содержащий совместно с железом и углеродом еще кремний и марганец. Сера и фосфор, тоже имеющиеся в ее составе, относятся к негативно влияющим добавкам, ведь из-за них ухудшаются ее механические свойства.

Углеродистая сталь – сплав железа с углеродом до 2%. В него также добавляют кремний, серу и фосфор. Однако, главным компонентом все же является углерод. Количество в процентах этих элементов приблизительно такое: железа до 99,0%, марганца – 03-0,8, серы до 0,06 и кремния до 0,15-0,35.

Главные минусы углеродистой стали:

• если у нее хорошая прочность и твердость, то недостает пластичности;
• утрачивается твердость и режущая способность при нагреве до 200 градусов, а при более высоких температурах теряется и прочность;
• невысокая устойчивость от ржавления при погружении в электролит, в агрессивных средах и т. д.;
• повышенный коэффициент теплового расширения;
• утяжеление готовой продукции;
• возрастание стоимости конечного продукта;
• трудности при проектировании из-за низкой прочности такой стали.

Легированная – сталь, которая наряду с обычными добавками содержит легированные элементы, значительно повышающие ее качества. Это вольфрам, молибден, никель и др. И еще марганец и кремний в значительных количествах. Примеси добавляются во время плавления. Такой металл отличается своими ценными качествами, которые отсутствуют у углеродистой стали, и лишен ее недостатков.

Разница между легированием и примесями

Обычные легирующие добавки — это компоненты, которые вводят в металл в значительных количествах — более 0,10%. Они вызывают изменение кристаллической решётки железа, образуя растворы внедрения, повышают прочностные и других свойства железа (матрицы).

В качестве металлов для легирования используют:

• хром Cr;
• марганец Mn;
• никель Ni;
• алюминий Al;
• молибден Mo;
• кобальт Co;
• титан Ti;
• цирконий Zr;
• медь Cu и другие.

Их внедряют в сталь в разных количествах и сочетаниях.

Примеси

Существует деление вредных примесей на обычные и остаточные. К обычным вредным примесям относят те, содержание которых в металле можно уменьшить во время плавки – это фосфор, сера, кислород, азот, углерод, т. е., неметаллы.

Под остаточными вредными примесями принято понимать такие, содержание которых невозможно снизить во время плавки ни при окислительном рафинировании, ни при обычном легировании. Это характерно для химических элементов, имеющих растворимость в жидком железе. В производственной практике обычно встречающимися вредными остаточными примесями являются:

• медь;
• никель;
• олово;
• сурьма;
• мышьяк.