В металлургии термин "легирование" означает добавление в сталь различных элементов. Это делается не просто механическим смешиванием, а путём создания новых связей на молекулярном уровне. Такие связи позволяют получить сплав с заданными свойствами.
Люди давно использовали этот эффект, даже не понимая его сути. Встречающиеся в природе железные руды с примесями ванадия или молибдена служили для изготовления клинков с особыми свойствами. "Метеоритное железо" ценилось очень высоко. Однако научное понимание процесса легирования и возможность управлять им пришли только в конце XIX века.
- Основа сплава – железо (не менее 45%).
- Если в сплаве до 2,14% углерода, то это сталь. При большем содержании – чугун.
- Кремний и марганец – полезные примеси.
- Сера и фосфор – нежелательные.
Возможность влиять на свойства железоуглеродистой структуры путём добавления других элементов стала результатом развития химии. Эксперимент Р. Мюшета в 1858 году, создавшего сплав с вольфрамом и марганцем, стал прорывом. Позже он усовершенствовал технологию, и на заводе в Шеффилде началось производство стали. Из этой стали делали инструменты для обработки дерева и металла. Важно отметить, что такой способ производства положил начало эпохе массового производства сплавов с заранее заданными свойствами в промышленных масштабах.
Джулиус Баур провел первые эксперименты по хромированию, а Анри-Ами Брустляйн описал 12 хромовых составов. Параллельно Джеймс Райли начал производить никелевую сталь в Англии. Это привело к появлению новых материалов, которые позволяли решать задачи, недоступные для обычной стали.
Никелевая сталь использовалась в велосипедных цепях и автомобильных осях. Развитие автомобилестроения, с его быстрой сменой моделей, стало движущей силой для развития технологии легирования. Мосты (Манхэттенский и Куинсборо) стали первыми крупными объектами, где применили легированную сталь. С началом войн количество исследований в этой области выросло. В современном мире без легированных сталей трудно представить себе авиацию, космонавтику, атомную энергетику и многие другие отрасли.
Основные особенности легированных сталей
Углерод упрочняет сплав, но снижает пластичность. Это делает сталь более хрупкой и чувствительной к ударам, особенно при низких температурах. Железо химически активно и редко встречается в чистом виде. Даже в соединениях оно может вступать в реакции с другими веществами.
Легирование позволяет решать следующие задачи:
- Формирование однородной структуры.
- Защита от процессов окисления.
- Предотвращение водородной хрупкости.
- Повышение прочности и ударной вязкости.
- Придание дополнительных свойств.
Сегодня к материалам предъявляют высокие требования, включая стойкость к износу, экстремальным температурам и длительную работу в печах. В пищевой промышленности важна безопасность материалов. Сталь с добавками ванадия приобретает мелкозернистую структуру, что повышает её вязкость и прочность, а также улучшает свариваемость. Это особенно важно для конструкций, работающих в условиях переменных нагрузок и низких температур.
Получение легированного металла начинается с удаления примесей, снижения содержания углерода и удаления серы. Затем добавляют легирующие элементы. Часто после этого требуется дополнительная перекристаллизация. Очень важно контролировать процесс раскисления стали – удаление кислорода. Неправильное раскисление может привести к образованию неметаллических включений, ухудшающих характеристики стали.
Легирующие элементы формируют межметаллические включения и дисперсные частицы, укрепляющие структуру. Это позволяет создавать стали, способные выдерживать высокие температуры и давления. Примером является дисперсионное твердение, когда микроскопические частицы второй фазы препятствуют движению дислокаций, делая сталь намного прочнее.
Классификация легированных сталей по составу
Содержание углерода определяет характеристики стали. Если его от 0,25% до 2,14%, сталь считается углеродистой. Она делится на:
- Высокоуглеродистая (0,6-2%).
- Среднеуглеродистая (0,3-0,6%).
- Низкоуглеродистая (до 0,25%).
Для успешного легирования важно очистить сталь от нежелательных элементов. Это достигается снижением уровня вредных примесей и кислорода. Углерод удаляют сжиганием, отделением карбидных соединений и другими способами. Однако стоит помнить, что присадки требуют точного контроля, так как их избыток может привести к нежелательным последствиям, например, к снижению свариваемости или повышению хрупкости.
Классификация легированных сталей зависит от общего содержания легирующих элементов. При этом содержание углерода выражают в десятых долях процента.
- Низколегированные (до 2,5%).
- Среднелегированные (2,5-10%).
- Высоколегированные (более 10%).
Легирование ведет к рекристаллизации и формированию новой структуры. Стали классифицируют по типу кристаллической решетки:
- Ферриты обладают магнитными свойствами, но их структура непрочна и меняется при нагреве и охлаждении (превращаясь в перлит, сорбит или тростит). К этому классу относятся стали с низким содержанием легирующих элементов и углерода. Стабильные связи образуются при снижении содержания углерода до 0.15% и добавлении хрома.
- Аустенитные структуры формируются при высоком содержании никеля, хрома и марганца. Они устойчивы к высоким температурам, коррозии и обладают высокой пластичностью. К этому классу относятся нержавеющие хромоникелевые сплавы. Важно отметить, что аустенитные стали не подвержены фазовым превращениям при охлаждении, что обеспечивает стабильность их свойств в широком диапазоне температур.
- Мартенситы образуются при быстром охлаждении (закалке). В результате формируются игольчатые кристаллы. Этот процесс позволяет металлу "запомнить" форму. Это возможно для сталей с добавками хрома, молибдена, ванадия, вольфрама, ниобия и других элементов, повышающих термостойкость. Примером является эффект памяти формы, когда материал возвращается к исходной форме после деформации при нагреве.
Структура металла обычно включает несколько фаз. Часто встречаются сочетания аустенита и феррита. Регулируя количество добавок и термическую обработку, можно увеличить долю нужной фазы. Например, для повышения прочности стали часто используют методы термомеханической обработки, сочетающие деформацию и термическое воздействие, что позволяет получить структуру с высокой дисперсностью и прочностью.
Классификация легированных сталей по назначению
Процесс получения стали включает выплавку чугуна и его очистку от примесей (рафинирование). Кислород удаляют при помощи угля, марганца и шлака. При рафинировании также удаляются нежелательные газы, такие как азот и водород, что положительно влияет на пластичность и ударную вязкость стали.
Водород используется для дегазации. В результате карбиды сгорают с образованием монооксида углерода и шлака. Сейчас применяют газокислородную очистку. Вакуумная обработка стали также широко применяется для удаления газов и примесей, обеспечивая более высокие характеристики готового продукта.
Качество стали определяется результатами этих процедур.
- Самые дешевые – с содержанием углерода до 0,6% и воздушными пузырьками. (СтО, Ст3сп, Ст5кп).
- Высококачественные – содержат кислород, азот, водород (спокойные, полуспокойные и кипящие марки). Наибольшее содержание газов – в кипящих сплавах (Ст08кп, Ст10пс, Ст20, 7ХФ, 8ХФ).
- Высококачественные – выплавляют в электропечах без использования угля. Содержание серы и фосфора снижено до 0,03% (6ХВ2С, 6Х3ФС).
- Особовысококачественные – тщательно очищены от оксидов, сульфидов и неорганических примесей. Содержание серы не превышает 0,01%, а фосфора – 0,025% (30ХГС3-Ш).
Существует классификация легированных сталей по их назначению:
- Структурные – для строительных конструкций и нагруженных устройств.
- Инструментальные – для режущих и штамповых инструментов. Добавки повышают устойчивость и поддерживают однородность, металл подвергают термической обработке.
Основные группы легированных сталей
Предлагается рассмотреть следующие категории сталей, выделенные по их целевому назначению:
- Шарикоподшипниковые: используются в производстве подшипников качения, где важна высокая твердость и контактная выносливость.
- Пружинно-рессорные: применяются для изготовления пружин и рессор, требующих упругости и сопротивления усталости.
- Автоматные: разработаны для обработки на автоматических станках, характеризуются хорошей обрабатываемостью резанием.
- Быстрорежущие: предназначены для изготовления режущего инструмента, сохраняют твердость при высоких температурах резания.
- Жаростойкие/жаропрочные: используются в условиях высоких температур, сохраняют свои механические свойства и устойчивость к окислению. Жаростойкость обеспечивает сопротивление химическому разрушению, а жаропрочность – сохранение прочности при высоких температурах.
- Криогенные: применяются при очень низких температурах, сохраняют пластичность и сопротивление хрупкому разрушению.
Современные сплавы – это сложные легированные соединения с уникальным набором характеристик. К примеру, сплав 15Х2НМФА способен эксплуатироваться на протяжении длительного времени в реакторном оборудовании, подверженном воздействию радиации. А сплав 17ХНГТ нашел применение в производстве пружин специального назначения благодаря своим высоким упругим свойствам.
Как расшифровать маркировку легированной стали?
В странах СНГ для обозначения марок стали используется буквенно-цифровая система, регламентированная ГОСТ. В других странах, таких как США, государства Азии и Европы, применяются собственные стандарты маркировки.
Рассмотрим, как формируется маркировка легированной стали на примере 25Х2МФА:
- Число 25 указывает на среднее содержание углерода в сотых долях процента (в данном случае от 0,22% до 0,29%).
- Х2 означает содержание хрома в пределах от 2,5% до 3%. Цифра 2 говорит о том, что содержание хрома может не достигать максимального значения.
- Марганец присутствует в количестве от 0,3% до 0,6%. Если содержание элемента не превышает 1%, то его обозначение в маркировке обычно не указывается.
- Буква Ф обозначает ванадий, содержание которого составляет от 0,25% до 0,35%.
- Буква А в конце маркировки указывает на то, что сталь высокого качества, прошедшая тщательную очистку от примесей.
- Важно помнить, что если массовая доля элемента меньше 2%, цифра после буквы, обозначающей элемент, не ставится.
- Дополнительные буквы могут указывать на особенности стали: К – сталь высокого качества, А – особо высокого качества, Ш – электрошлакового переплава (особо чистая сталь), Л – литейная сталь.
- Буквы после дефиса могут обозначать назначение стали: С – строительная, Т – термостойкая, К – коррозионностойкая, Д – с повышенным содержанием меди.
Иногда в маркировке используются обозначения, связанные с патентами конкретных производителей, например, ЭИ417, ЭП767, ЗИ8. Впоследствии эти обозначения могут быть приведены к стандартным обозначениям ГОСТ.
Сварка легированных сталей: важные моменты
Легированные стали сохраняют свои свойства в различных температурных режимах, но чувствительны к воздействию тепла. Каждый легирующий элемент имеет свои особенности, в том числе температуру плавления и рекристаллизации. Поэтому сварку таких сталей следует доверять специалистам. Выбор метода сварки основывается на технических характеристиках стали и рекомендациях производителя.
При нагреве в процессе сварки происходят различные процессы, такие как раскисление карбидов, перераспределение примесей и окисление. Для предотвращения дефектов применяют защитные газы и контролируют температурный режим. Легирующие элементы снижают теплопроводность стали, что может привести к перегреву и разрушению структуры в зоне сварки, если не обеспечить достаточный отвод тепла.
Особенности сварки различных типов легированных сталей:
- Хромистые стали: Содержание углерода обычно составляет от 0,1% до 0,4%. Для защиты от выгорания хрома используют защитные покрытия или инертные газы, а также специальные хромистые электроды. Рекомендуется предварительный подогрев зоны сварки и последующая термообработка.
- Марганцовистые и марганцево-никелевые стали: Для предотвращения образования трещин необходимо сократить время нагрева и быстро охладить поверхность после сварки.
- Хромоникелевые стали: Могут иметь аустенитную или мартенситную структуру. Выбор режима сварки зависит от состава стали и назначения сварной конструкции.
Специфика сварки зависит от степени легирования:
- Низколегированные стали: Часто подвергаются закалке, хорошо свариваются, но сварные швы могут быть склонны к концентрации напряжений. Чтобы избежать холодных трещин, необходим предварительный подогрев и медленное охлаждение после сварки.
- Среднелегированные стали: Применяют электроды с аналогичным, но меньшим содержанием легирующих элементов. Часто добавляют молибден, ванадий и вольфрам. Важно защищать сварное соединение от воздействия водорода, окисления и перегрева.
- Высоколегированные стали: Содержат большое количество никеля, хрома и других элементов. Свойства сварного соединения подбирают с учетом условий эксплуатации готовой детали.
Основные легирующие элементы и их влияние на свойства стали
Анализ технической документации позволяет понять, какие методы сварки будут наиболее подходящими. Даже кратковременное использование стальных элементов в экстремальных условиях, например, в ракетостроении, требует тщательного подхода к выбору материалов и технологий сварки. В обычных условиях срок службы конструкций из стали исчисляется десятилетиями.
Автор статьи — инженер-технолог Сергей Кузнецов.
Для легированных сталей важно точное попадание в марку и корректная документация, поэтому в МК «УралСталь» поставляем прокат с подтверждением и помогаем выбрать вариант под обработку и условия работы детали. Можно заранее согласовать формат и объем поставки под ваш техпроцесс.