Легированная сталь — что это такое и с чем ее «плавят»

Что такое легированная сталь

Это углеродистая сталь для улучшения технологических свойств которой введены специальные легирующие элементы. Процент добавок в составе невелик, но даже при незначительной концентрации, физические свойства металла улучшаются в несколько раз.

В зависимости от вида используемых добавок при производстве стали металл приобретает следующие свойства:

• неподверженность коррозии;
• упругость;
• тугоплавкость;
• прочность.

Для придания перечисленных качеств в состав добавляют следующие металлы:

• хром;
• никель;
• молибден;
• вольфрам;
• медь.

Зачастую в углеродистую сталь достаточно добавить 1 — 3% легирующих элементов для придания ей необходимых свойств и качеств.

Видео:

Химический состав легированной стали

Есть постоянные компоненты – это те, которые есть в любом сплаве данной категории, есть также необязательные, легирующие ингредиенты. Сперва перечислим те, которые образуют классический материал:

• Железо. Это очень ковкий сам по себе металл, который добывается из руды. Особенность в том, что его довольно много находится в недрах земли, по добываемости он на втором месте после алюминия. Он хорошо вступает в реакции, именно по этой причине его можно сплавлять различными образами. В процентном соотношении его может быть от 45 до 97-99 процентов. Точное количество частей мы называть не будем, поскольку существует очень много марок сталей, состав которых разнится.
• Углерод. Это один из неотъемлемых компонентов. При совокупности данных веществ увеличиваются природные качества железа. В среднем его добавляют от 0,1% до 1,4% к общей массе. Чем больше его содержание, тем выше прочность. Все стальные изделия делят на углеродистые и низкоуглеродистые.
• Марганец. Интересный ингредиент, который также является легирующим. Хотя если его меньше, чем 1%, то особенных свойств он не придает. Сам по себе это очень красивый серебристый металл, именно от него слитки приобретают свой характерный перелив. Но основная заслуга марганца в том, что он является раскислителем, то есть способствует удалению из сплава кислорода, который, в свою очередь, негативно влияет на особенности. Есть интересные соединения (имени Гадфильда – создателя), которые содержат около 11 – 14 процентов. В таком случае сталь теряет свои магнитные качества, а также становится очень ударопрочной и износостойкой, поскольку при ударах упрочняется.
• Кремний – обязательный элемент, который при большом содержании (более 0,8%) имеет легирующие свойства. Он тоже является раскислителем, а также увеличивает стойкость, предел упругости. Некоторые другие особенности.

Кроме того, в составе обычно есть вредные и скрытые примеси. От них пытаются избавиться, но, к сожалению, полностью убрать не получается. Поэтому в крайне малых дозах в образцах есть:

• Сера, из-за которой увеличивается красноломкость – появляются трещины на разогретой заготовке.
• Фосфор, он приводит к увеличению хладноломкости, то есть хрупкости.
• Кислород, азот и водород – «разрыхляют» структуру.
• Окислы и нитриды – могут привести к надрывам.

Третья группа компонентов – это случайные. Они попадают в емкость вместе с шихтами, то есть со смесью исходных материалов, и не несут положительного влияния. Бывают безвредными или не очень полезными, но из-за малой доли содержания практически не важны. К ним относят:

• медь;
• цинк;
• свинец;
• хром;
• никель и пр.

И, наконец, четвертая группа – это специальные легирующие добавки. Эти элементы вводятся дополнительно для повышения определенных характеристик. Именно они делают из классического сплава упрочненный. Более подробно мы перечислим компоненты в соответствующем разделе статьи.

Виды легированных сталей

Основная классификация разделяет все марки на три подвида по количеству полезных примесей. Представим процентное соотношение в таблице:

Название	Процент добавок
Низколегированная	Около 2,5%. Положительные качества прибавились, но при этом ковкость и прочие характеристики для металлообработки не сильно поменялись.
Среднелегированная	От 2,5% до 10%. Используется такое соединение чаще всего.
Высоколегированная	От 10% до 50%. Максимальная прочность и дороговизна – отличительные черты таких изделий.

Помимо этого, все распространенные легированные стали различаются по маркам. Об этом более подробно расскажем в разделе про маркировку.

Классификация

Вне зависимости от того, какое процентное содержание легирующих веществ в сплаве, он также может быть разделен на три подвида:

• Конструкционный – применяется для изготовления разных деталей, механизмов и конструкций в машиностроении, станкостроении, прочих сферах промышленности и в строительстве. Это очень прочный материал, который может выдерживать большие статические и динамические нагрузки. Именно из таких марок изготавливаются двигатели и запчасти для автомобилей.
• Инструментальный – очень жаропрочный, который предназначен для создания инструментов – как ручных, так и станочных. Большинство фрез, резцов, сверл изготовлены именно из такой стали.
• С особыми свойствами. Если предыдущие два сорта скорее брали прочностью и надежностью, то данный подвид отличается химической или термической устойчивостью.

Последнюю категорию ряд исследователей даже классифицирует отдельно, утверждая, что ее можно поделить на:

• Жаропрочные – они выдерживают температуры вплоть до 1000 градусов.
• Устойчивые к коррозии металла, поэтому их можно применять в изделиях и конструкциях, которые предназначены для эксплуатации в условиях повышенной влажности.
• Жароустойчивые и окалиностойкие – характеристики отмечают их невосприимчивость к распаду.

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.

Применение легированной стали

Сфер использования настолько много, что их сложно перечислить. Скажем только о некоторых производствах:

• Инструменты для медицины, в том числе острые режущие предметы.
• Лезвия.
• Подшипники и прочие детали с высокой радиальной и опорной нагрузкой.
• Резцы, фрезы, сверла и прочая оснастка для станков по металлообработке.
• Корпуса для техники и приборов.
• Нержавеющая посуда – ведра, тазы и пр.
• Делали для автомобилестроения.

Это и многое другое можно изготавливать из данного вещества. Любые задачи, которые требуют превосходных прочностных качеств, могут рассчитывать на легированную сталь.

Свойства

В зависимости от легирующих компонентов они могут быть различными, но в целом улучшаются следующие характеристики:

• Коррозийная устойчивость. Иногда достаточно только обработать верхний слой защитным составом, но как быть с деталями, которые постоянно соприкасаются с влагой и кислородом? Ответ простой – легировать.
• Прочность.
• Твердость.
• Отсутствие хрупкости.
• Стойкость к нагрузкам на растяжение и сжатие.
• Нужный уровень вязкости и предела текучести.
• Уменьшение намагниченности.

Производство

Основной способ – металлургический. В ходе него в расплавленный металл добавляют нужное количество примесей. Затем задаются дополнительные условия, в которых диффузия или иные реакции проходятся с более высокой скоростью.

Второй вариант легирования – нанесение поверхностного слоя таким образом, что вещества начинают взаимное проникновение друг в друга.

Что означают добавки легированной стали и их влияние на свойства

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

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.

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:

Заключение

Применение легированных сплавов при изготовлении металлических деталей и конструкций позволяет придать ним необходимые физические качества. При работе с такими металлами обозначение легирующих элементов в стали помогает подобрать заготовку с нужными параметрами, из которой затем будет изготовлена конструкция.

При использовании таких сплавов необходимо не только знать их состав, но и способы соединения при помощи сварки. Поэтому если следовать рекомендациям изложенным в данной статье, то можно получить высококачественное изделия с заданными параметрами.

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.

После того, как ознакомитесь со статьей, можете прочитать про наши товары. Компания «Рокта» уже 15 лет на российском рынке. За это время мы охватили практически все города страны.

Источники: https://www.rocta.ru/info/legirovannaya-stal-chto-ehto-takoe-marki-sostav-vidy-i-primenenie/, http://lkmprom.ru/clauses/materialy/legirovannaya-stal-i-ee-osnovnye-svoystva/, https://metallsmaster.ru/legirovannaya-stal/, https://plavitmetall.ru/obrabotka/legirovannaya-stal-primenenie.html

27.10.2020