03.01.2025
1309
Легированная сталь: технология производства, классификация, маркировка
О чем речь? Легированная сталь — сплав железа и других элементов, улучшающих свойства и задающих определенные характеристики металлу. Для ее производства чаще всего используют хром, никель, вольфрам, кремний, молибден.
Какая бывает? Легированная сталь классифицируется по множеству признаков: применимости, содержанию углерода, легирующих элементов. Также различают по качеству, структуре, форме кристаллической решетки.
В статье рассказывается:
Понятие легированной стали
Сталь — это сплав, в котором содержание железа составляет не менее 45 %. Наиболее простой ее разновидностью является углеродистая сталь. Основным элементом в ее составе, помимо железа, выступает углерод (от 0,02 % до 2,14 %). В химической структуре углеродистой стали также неизбежно присутствуют и другие примеси (марганец, сера, фосфор, кремний, кислород и азот).
А чем же отличается легированная сталь? В ее состав целенаправленно вводятся легирующие присадки. Эти легирующие элементы существенно изменяют характеристики сплава, что делает его незаменимым в условиях современного производства.
Добавки оказывают значительное влияние на физические, химические и механические характеристики стали. Это необходимо для того, чтобы материал соответствовал требованиям современных технологий, где оборудование и инструменты должны выдерживать экстремальные нагрузки, воздействие агрессивных сред и высокие температуры.
Благодаря своей универсальности легированная сталь остается одним из основных материалов современной индустрии, не имея достойных альтернатив. Формула легированной стали может включать в себя широкий спектр добавок:
- марганца;
- хрома;
- никеля;
- кремния;
- вольфрама;
Фото: designwizard2002/ Freepik
- молибдена;
- меди;
- алюминия;
- азота;
- селена;
- кобальта;
- циркония;
- титана;
- бора;
- бериллия;
- ванадия;
- ниобия;
- редкоземельных элементов.
Принципиальное отличие примесей от легирующих элементов стали заключается в их концентрации и происхождении.
Добавки присутствуют в сплаве изначально и обычно составляют лишь доли процента, тогда как присадки для легирования стали вводятся в процессе производства в заметных количествах — от нескольких единиц до десятков процентов. Именно их комбинация, пропорции и технологические особенности изготовления обеспечивают материалу уникальные характеристики.
Технология производства легированной стали
Процесс изготовления легированной стали включает в себя несколько последовательных этапов:
- Подготовка исходных материалов: основным сырьем для легированной стали служит железо, получаемое из железной руды или металлолома.
Важно подготовить легирующие элементы стали (хром, никель или молибден), которые будут вводиться в виде присадок в будущий сплав и улучшать его характеристики.
При этом особое внимание уделяется удалению вредных примесей, таких как сера и фосфор, которые могут снизить прочность материала.
Если их концентрация превышает допустимые нормы, риск повреждения стали значительно возрастает.
- Плавление сырья: процесс осуществляется в специализированных печах, например, электродуговых или конвертерах. На этом этапе состав разогревается до высокой температуры, пока не достигнет необходимой консистенции для последующей обработки.
- Введение легирующих добавок: присадки добавляются в процессе плавки или сразу после ее завершения. Они могут быть внесены в форме порошков, гранул либо готовых соединений, что обеспечивает равномерное распределение их в материале.
- Очистка и удаление нежелательных компонентов: используются фильтрационные методы и технология вакуумной дегазации, направленные на минимизацию содержания таких вредных элементов, как фосфор и сера, что значительно повышает степень чистоты материала и его эксплуатационные характеристики.
- Формование и литье: расплавленный металл разливается по специальным формам, где он затвердевает, приобретая необходимую форму и размеры. Это могут быть слитки, трубы, заготовки или другие виды продукции, используемые в дальнейшем производстве.
Фото: EyeEm/ Freepik
- Термическая обработка: после литья сталь подвергается термическому воздействию для достижения требуемых механических свойств. Это может быть процесс закалки, нормализации или отпуска, в ходе которого регулируются твердость, прочность и устойчивость к износу.
- Финальная обработка: поверхность металла обрабатывается для повышения ее устойчивости к внешним воздействиям и улучшения внешнего вида изделия. Используются методы полировки, нанесения защитных покрытий, гальванизации и другие технологии.
Производство легированной стали требует высокой точности и соблюдения строгих технологических параметров на каждом этапе. Хотя отдельные компании могут внедрять свои уникальные методы, общий процесс остается неизменным. Внимание к деталям и качественный контроль на всех стадиях гарантируют создание материала, соответствующего самым строгим стандартам.
Классификация легированных сталей
Основные легированные стали могут быть сгруппированы по различным параметрам: содержанию углерода, доле легирующих элементов, структуре, качеству и назначению.
Рассмотрим эти классификации.
По наличию углерода стали делятся так:
- низкоуглеродистые — не более 0,25 %;
- среднеуглеродистые — от 0,25 % до 0,65 %;
- высокоуглеродистые — свыше 0,65 %.
По количеству легирующих элементов стали бывают:
- низколегированные — менее 2,5 %;
- среднелегированные — от 2,5 % до 10 %;
- высоколегированные — до 50 %.
По микроструктуре классификация сталей следующая:
- доэвтектоидные: имеют в своей структуре избыточный феррит;
- эвтектоидные: характеризуются наличием перлита;
- заэвтектоидные: содержат вторичные карбиды;
- ледебуритные: содержат первичные карбиды.
По качеству стали делятся на:
- Обыкновенные (рядовые): с углеродистым содержанием до 0,6 %. Эти сплавы часто содержат пузырьки газа (марки Ст0, Ст3сп, Ст5кп).
- Качественные: данный тип стали может быть представлен спокойными, полуспокойными или кипящими разновидностями.
Это указывает на присутствие в структуре газов, таких как кислород, азот и водород.
Эти газовые включения способны оказывать влияние на физические свойства материала, что зависит от его состава.
Примеры таких сталей: углеродистые и легированные сплавы марок Ст08кп, Ст10пс, Ст20, 7ХФ и 8ХФ.
- Высококачественные: имеют низкое содержание серы и фосфора (до 0,03 %), что позволяет улучшить их механические характеристики (марки 6ХВ2С, 6Х3ФС).
- Особо высококачественные: содержат минимальное количество примесей, таких как сера и фосфор (до 0,01 % и 0,025 % соответственно), и обладают высочайшей чистотой от оксидов, сульфидов, неметаллических включений (марка 30ХГС3-Ш).
По назначению легированные стали могут быть:
- Конструкционные легированные стали: предназначены для создания различных деталей и конструкций, которые используются в машиностроении и строительстве. Обладают определенными физическими, механическими и химическими характеристиками.
- Инструментальные легированные стали: производятся для изготовления режущих инструментов и штампов и не предназначены для сварки.
Читайте также
«Лучшая марка стали: какую и для чего выбрать»Легированные стали с особыми свойствами:
- термостойкие: выдерживают температуры до 1000 °C;
- устойчивые к коррозии: применяются в условиях высокой влажности и в агрессивных химических средах;
- жароустойчивые и окалиностойкие: обладают исключительной стойкостью к распаду и окислению при высоких температурах.
По типу кристаллической решетки стали разделяются на:
- Ферритные: обладают магнитными свойствами и изменчивой кристаллической решеткой. При нагреве или охлаждении их структура трансформируется, переходя в перлит, сорбит или тростит. К этому типу относят низколегированные и углеродистые стали.
Фото: rorozoa/ Freepik
- Аустенитные: включают сплавы с высоким содержанием хрома, никеля и марганца. Они отличаются жаростойкостью, пластичностью и не подвергаются коррозии. Типичный пример — хромоникелевые нержавеющие стали.
- Мартенситные: при охлаждении после закалки у этих сталей формируется структура с игольчатыми или реечными кристаллами. Такая трансформация обусловлена образованием кубической ячейки в процессе мартенситного превращения.
По области применения легированные стали классифицируются:
- Стали для машиностроения: широко используются для изготовления деталей механизмов, корпусов и других конструкций.
Важной особенностью является их термообработка, что значительно улучшает эксплуатационные свойства.
Основные категории:
- термостойкие легированные стали;
- обрабатываемые стали (со средним содержанием углерода);
- цементуемые стали (низкоуглеродистые сплавы).
- Легированные стали для строительства: используются преимущественно для сварных металлоконструкций.
Обладают устойчивостью к агрессивным средам и способны выдерживать значительное давление.
Читайте также
«Виды и марки стали листового проката»Основные типы и область применения строительных легированных сталей:
- Массовые сплавы: низколегированные стали для производства листового проката, труб и фасонных изделий.
- Мостовые стали: для строительства автомобильных и железнодорожных мостов.
- Судостроительные сплавы: хладостойкие, нормальной и повышенной прочности. Используются при создании кораблей и других морских конструкций.
- Судостроительные сплавы: хладостойкие высокой прочности. Используются при строительстве кораблей и других морских конструкций.
- Теплостойкие стали: выдерживают температуры до 600 °C и подходят для трубопроводов горячей воды и пара.
- Высокопрочные низкоопущенные авиационные сплавы: используются в авиастроении благодаря их способности выдерживать концентрацию напряжений.
Фото: prakashchavda/ Freepik
- Сплавы повышенной прочности: улучшаются путем карбонитритной обработки.
- Сплавы высокой прочности: с применением карбонитритного упрочнения.
- Прокатные сплавы: получают повышенные эксплуатационные свойства при термической обработке на этапе прокатки при температуре от 700 до 850 °C.
Маркировка легированных сталей
Обозначения марок легированных сталей позволяют классифицировать материал в зависимости от его химического состава и физических свойств.
Эти данные информируют о содержании легирующих элементов, процентной доле углерода и других характеристиках.
Для конструкционных легированных сталей первые две цифры маркировки отражают долю углерода в процентах, при этом буква для обозначения углерода не используется. Далее следуют буквы, обозначающие легирующие компоненты, и числа, указывающие их среднее содержание в составе.
Иногда маркировка дополнена литерами, описывающими назначение или особенности стали. Конструкционная сталь востребована при производстве различных механизмов, деталей и конструкций.
Обозначения в российских стандартах
Буквы указывают на следующие марки легированной стали:
- Ж, Х, Е — стали, легированные хромом с его высоким содержанием, обладающие магнитными свойствами и устойчивостью к коррозии.
- Я — нержавеющие стали, легированные никелем и хромом.
Читайте также
«Быстрорежущая сталь: виды, применение, маркировка»- Ш — стали для производства шарикоподшипников.
- Р — режущие сплавы.
- А, Ш — марки высококачественных сталей с низким содержанием примесей.
Легирующие элементы стали имеют свои буквенные обозначения: хром — Х, никель — Н, вольфрам — В, молибден — М, ванадий — Ф, титан — Т, алюминий — Ю, медь — Д, марганец — Г, кремний — С, кобальт — К, цирконий — Ц, бор — Р, ниобий — Б.
За буквой следует цифра, отражающая процентное содержание элемента. Если цифры нет, содержание компонента составляет менее 1 %. Литера «А» на конце маркировки указывает на высокое качество легированной стали, а ее присутствие внутри обозначает наличие азота.
Примеры марок легированных сталей с расшифровкой:
- 35Х3Н5: конструкционная сталь отличается уровнем углерода около 0,35 %, хрома — 3 % и никеля — 5 %. Основной компонент сплава — железо;
- 03Х13АГ19: данный сплав содержит всего 0,03 % углерода, 13 % хрома, до 1 % азота и 19 % марганца;
- 18ХГТ: в составе присутствует углерод (0,18 %), а также хром, титан и марганец в количестве до 1 %.
Эти примеры маркировки показывают, как химический состав и свойства легированных сталей отражаются в обозначениях.
В России разработано несколько ГОСТов легированных сталей, регламентирующих производство:
- теплоустойчивые сплавы: регулируются ГОСТ 20072–74;
- конструкционные стали: соответствуют ГОСТ 4543–71;
- низколегированные сплавы: выпускаются по ГОСТ 19281–89;
Читайте также
«Коррозионностойкая сталь, ее качества и марки»- стали для изготовления шарикоподшипников: регламентируются ГОСТ 801–79;
- пружинные стали: указаны в ГОСТ 14959–79;
- нержавеющие сплавы для судостроения: соответствуют ГОСТ 5521–86;
- жаропрочные и коррозионностойкие стали: указаны в ГОСТ 5632–2014.
Европейская система стандартов
В Европе действует единый стандарт EN 10027, регулирующий правила обозначения сталей. Легированные материалы маркируются следующим образом: нумерация сплавов находится в пределах 1.20ХХ – 1.89ХХ, где первая цифра обозначает принадлежность к сталям, вторая и третья цифры указывают группу сталей и последние две цифры — порядковый номер сплава в этой группе.
Американские стандарты
В США применяются стандарты ASTM/ASME и AISI, которые считаются одними из самых детализированных в мировом масштабе.
Маркировка по стандарту ASTM включает в себя информацию о химическом составе, механических характеристиках и типе проката. В системе AISI используется четырехзначная кодировка, где первые две цифры определяют группу стали, а последние две — содержание углерода в процентах.
Дополнительные символы в маркировке указывают на присутствие легирующих компонентов.
Часто задаваемые вопросы о легированной стали
Чем легированная сталь отличается от углеродистой?
Легированная сталь имеет в своем составе дополнительные элементы, которые в значительной степени улучшают ее эксплуатационные характеристики.
Фото: HSN-CLICKS/ Freepik
Различия между углеродистой и легированной сталями — в их химическом составе:
- Легированные сплавы, кроме железа и углерода, содержат различные добавки (хром, никель, ванадий и др.), что позволяет достигать высокой прочности, коррозионной стойкости и износоустойчивости.
- В углеродистой стали, где основными компонентами являются углерод и железо, могут быть случайные примеси, которые не способны существенно изменить качественные параметры сплава.
К примеру, углерод повышает твердость материала, но в то же время может сделать его более хрупким. Однако при добавлении таких элементов, как хром или никель, металл становится более гибким и долговечным, что значительно расширяет область его применения.
Где используется легированная сталь?
Легированная сталь часто применяется в случаях, когда обычная углеродистая не способна удовлетворить требования по прочности, долговечности и устойчивости к экстремальным условиям эксплуатации.
Из-за высокой стоимости она используется для производства особо важных деталей и конструкций, требующих повышенной надежности.
Среди продукции, где находит свое применение легированная сталь, можно выделить:
- медицинские инструменты, включая хирургические ножи и другие острые предметы (инструментальная сталь);
- лезвия для обработки материалов или в бытовых приборах;
- элементы автоматизированных систем;
- подшипники, части конструкций, которые подвергаются высоким нагрузкам;
- инструменты для металлообработки: фрезы, долбяки, резцы, сверла и др.;
- корпусные детали для приборов и техники;
- посуда из нержавеющей стали, включая ведра и кастрюли;
- компоненты для автомобильной промышленности;
- механизмы, такие как шестерни, пружины, подвески и другие детали, использующиеся в различных измерительных приборах.
Чем обрабатывать легированную сталь?
Для обработки легированных сталей применяются инструменты, способные выдерживать интенсивные нагрузки и воздействие высоких температур. Наиболее эффективными считаются быстрорежущие стали, которые славятся своей высокой стойкостью к износу. Среди наиболее популярных вариантов выделяются сплавы HSS, HSS-Tin, HSS-G и HSS-R, каждый из которых обладает особыми характеристиками, подходящими для выполнения сложных задач.
В процессе работы с легированными сплавами выделяется значительное количество тепла, что может повредить инструмент. В этом случае применяют специальные жидкие составы, которые охлаждают рабочую зону и облегчают скольжение приспособлений, повышая точность обработки.
Множество различных качеств легированных сталей формируется благодаря сочетанию основных компонентов и специфике их использования. Каждый дополнительный элемент в сплаве воздействует на механические, химические и физические свойства материала, улучшая его в зависимости от требований определенной области применения.
Важно отметить, что независимо от конкретных добавок легированная сталь всегда будет отличаться от обычных сплавов, благодаря чему есть возможность выбрать идеальную легированную сталь для решения специфических задач.
Изображение в шапке статьи: tarasov_vl/ Freepik
Читайте также
