Что такое легированная сталь?

Для создания режущих инструментов, промышленного оборудования, нагружаемых строительных металлоконструкций и иных важных целей рекомендован выбор легированных, а не «обычных» углеродистых сталей. Прочитайте статью, чтобы узнать виды и характеристики стальных сплавов, прошедших легирование. А также их назначение и отличие от углеродистых марок металла.

Изображение сгенерировано ИИ

Легирование: особенности процедуры

Легирование стали — процесс добавления в металл специальных веществ (легирующих элементов), способных изменить износостойкость, жаропрочность, прочие качества базового сплава. 

Легирующие элементы — химические вещества, которые вводят в сырье целенаправленно и в определенных количествах. В отличие от случайных примесей их добавляют намеренно и дозировано.

К легированным сталям относят железоуглеродистые металлы, в которых есть дополнительные компоненты. Доля добавок всегда превышает объем соответствующих веществ в «простых» углеродистых сплавах. Для сравнения: никель выступает одним из главных веществ, которым обогащают стали. В составе технически чистого металла, отвечающего стандарту 380-2005, никеля чаще нет или его объем не более 0.30%. В углеродистых сталях присутствуют, например, сера, фосфор, кремний и марганец. Но это неизбежные примеси, которые в сырье не добавляют специально. До 0.8% марганца, 0.4% кремния переходит в состав при выплавке (на этапе раскисления). 

Базовый металл обогащают для создания материала с теми качествами, которых у начального сырья любых марок нет. Каждая добавка изменяет рабочие показатели, структуру стального сплава. Для ввода веществ в железоуглеродистый состав выполняют:

1. Поверхностное обогащение. Дополнительные элементы напыляют на поверхности. Глубина их проникновения в материал незначительная (1-2 мм). Для напыления используют микродуговой, лазерный, диффузионный метод.
2. Объёмное легирование. Добавки вводят в шихту или расплав, позволяя им проникать вглубь структуры сырья.

Водород и, допустим, сера, которые также присутствуют в легированных металлах, не вводятся целенаправленно. Из-за этого они являются примесями, даже если улучшают рабочие качества начального сплава. Пример: фосфор относится к примесям, но повышает режущие свойства, устойчивость к атмосферной коррозии.

Некоторые особые показатели обогащенных материалов не проявляются без термообработки. Для повышения прочности, достижения баланса между пластичностью и твердостью, сырье подвергают отжигу, состариванию, отпуску, закалке, иным технологическим процедурам с нагревом и остужением.

Изображение сгенерировано ИИ

Расшифровка маркировки сырья

Маркировку стали выполняют по ГОСТ 4543-2016. Литерами указывают намеренно добавленные компоненты, стоящими перед ними цифрами — усредненную долю углерода. Пример: в 40Х присутствует хром (Х) и 0.36-0.44% углерода.  

Если после литеры также идет число, объем соответствующей добавки превышает 1.5%. Если цифр (-ы) нет, компонентов меньше. Пример: в инструментальном сплаве Х12МФ насчитывается 11-12.5% хрома, менее 1.5% молибдена (М — 0.4-0.6%), ванадия (Ф — 0.15-0.30%).

Из-за того, что названия веществ в сырье предусмотрены не на русском языке, их первая буква может не соответствовать первой литере в русскоязычном наименовании. Например:

• Алюминий — Ю;
• Кремний — С;
• Бор — Р;
• Медь — Д;
• Марганец — Г. 

Другие символы маркировки рассказывают о разных особенностях материалов. Если сырье особо чистое, созданное методом вакуумно-дуговой или электрошлаковой переплавки, его маркируют ВД и Ш соответственно. Если металл предназначен для выпуска отливок Л, если он шарикоподшипниковый ШХ, быстрорежущий Р.

Цели легирования сталей

Легированием можно изменить большинство свойств сырья. Например, магнитную проницаемость, электропроводность, стойкость к конкретным химическим реагентам. Но наиболее часто добавки используют для улучшения или придания базовому металлу следующих качеств:

1. Износостойкость. При сохранении пластичной сердцевины, вольфрам, хром, иные компоненты увеличивают твердость поверхностных слоев. Металлоизделия из износостойких сплавов применяют для создания узлов, подверженных абразивным нагрузкам, трению.
2. Жаростойкость, жаропрочность. После добавления ванадия, молибдена, ниобия и, допустим, вольфрама, материалы не утрачивают прочность при долгом нагреве до +600-800°C и более. Их используют для выпуска деталей металлургических печей, теплообменников, трубопроводов ГВС, другого оборудования и металлоконструкций, служащих под повышенными температурами.
3. Коррозионная стойкость. Естественные противокоррозионные качества (способность к формированию защитной пленки) обеспечивают молибден, никель, хром. Металлопрокат из коррозионностойкого сырья работает на открытых площадках, при постоянно повышенной влажности. Марки 15ХСНД, 10ХСНД, обогащенные медью (0.2-0.4%), применяют в судостроении. Их не разрушает постоянный контакт с соленой водой.
4. Механическая прочность. После добавления кремния, марганца, прочих компонентов, и термообработки (нормализация, отпуск, закалка), прочностные показатели сырья возрастают в 2-3 раза. Высокопрочную металлопродукцию используют в гражданском, промышленном строительстве. С ней создают элементы мостов, высотных зданий, прочие механически нагружаемые детали.
5. Хладостойкость. Обогащение состава марганцем, никелем, позволяет сталям работать при сверхнизких температурах−196°C, не утрачивая прочность, пластичность. Материалы используют для изготовления частей криогенной техники, морозильного оборудования, сетей перемещения, добычи, хранения сжиженных газов.

Добавление компонентов не ведет к суммированию их рабочих качеств. Элементы формируют карбиды, интерметаллические соединения, иные структуры, взаимодействуя с базовым металлом и между собой. Из-за этого, легирование может улучшать одни характеристики и одновременно ухудшать иные параметры материала.

Пример: в сырье ХВГ содержится 0.9-1.2% хрома (менее 1.5%, поэтому числа до Х нет), 1.2-1.6% вольфрама, 0.8-1.1% марганца. Инструментальный металл применяют для создания измерительных, режущих инструментов. Благодаря добавкам, он сохраняет твердость при температуре до +200-250°C, имеет высокую прокаливаемость, механическую прочность, износостойкость. Но оба вещества (марганец при объеме от 0.8%) негативно сказываются на свариваемости сырья. Использовать материал для сварных металлоконструкций не следует. Сварные соединения не справятся с механическими нагрузками.

Изображение сгенерировано ИИ

Классификация легированных металлов

В зависимости от рабочих параметров, обеспеченных легированием, выделяют жаропрочные, жаростойкие (окалиностойкие), коррозионностойкие и, например, криогенные сплавы. Также классификацию сталей осуществляют по доле легирующих компонентов. Выделяют:

• Высоколегированные марки — от 10% веществ. Примеры: 12Х18Н10Т, 20Х17Н2, 95Х18;
• Среднелегированные марки — 2.5-10%. Примеры: 40ХН, 30ХГСА, 38ХА;
• Низколегированные марки — до 2.5%. Примеры: 15ХСНД, 09Г2С, 10ХСНД.

Классифицировать обогащенные металлы можно по назначению. В некоторых категориях сырья есть подкатегории. Пример: к инструментальным составам, предназначенным для создания инструментов, относят штамповую и быстрорежущую сталь. Штамповую сталь используют для валков, пресс-форм, штампов, прочей оснастки для обработки материалов давлением. Из быстрорежущего металла производят резцы, сверла, прочие металлоизделия, сохраняющие режущие качества, твердость при нагреве до +600°C и более.  

Отличия легированных и углеродистых сплавов

Цены на углеродистые металлы ниже, чем на легированные составы. Но сравнивать материалы следует с учетом их назначения и требуемых характеристик.

Подытоживая: для сложных условий службы нужны металлы, прошедшие легирование. Для стандартных задач подойдут «простые» составы на базе железа и углерода.

Изображение сгенерировано ИИ

Часто задаваемые вопросы

Что такое легированная сталь?

Категория стальных сплавов, в которых, помимо железа с углеродом, присутствует от 1% добавок. Легирующие элементы вводят в сырье для улучшения химических, механических, прочих качеств базового металла.

Чем легированные стали отличаются от углеродистых сплавов?

Ключевое отличие в химическом составе. В углеродистой стали содержится 0.02-2.1% углерода, 97-99.5% железа и примеси. Объем иных компонентов минимальный или их нет. В легированных металлах минимум 1-50% добавок и от 45% железа.

Чем легируют инструментальные стали?

Основные добавки: ниобий с титаном (до 0.1-0.2%), улучшающие механические свойства, кобальт, повышающий твердость, никель и кремний, увеличивающие упругость и ударную вязкость. Для прокаливаемости используют марганец, тугоплавкости — молибден и вольфрам, износостойкости — ванадий. 

Чем отличается легированная сталь от нержавеющих сплавов?

Разница в составе. В нержавеющей стали AISI 304, AISI 316, прочих марок минимум 10.5%. хрома, формирующего на поверхностях металлоизделий противокоррозионную оксидную пленку. В углеродистых сплавах доля компонента может быть малой. Например, 0.30% в 09Г2С и 0.8-1.1% в 30ХГСА.