Обычные углеродистые стали характеризуются доступностью, а также широким ассортиментом марок и профилей. Однако в тяжёлых условиях эксплуатации долговечность и надёжность изготовленных из них изделий оказывается неудовлетворительной. К числу основных физических факторов риска относятся длительное воздействие коррозии, экстремально высокие температуры, химически агрессивные среды. В таких отраслях хозяйственной деятельности как энергетическое машиностроение, производство летательных аппаратов, архитектура внешних поверхностей многоэтажных общественных зданий и т.п. использование углеродистых сталей себя не оправдывает. Существующие же приёмы улучшения коррозионной стойкости путём внедрения поверхностных покрытий не всегда возможны и целесообразны.
Выход из создавшихся трудностей – применить специальные марки сплавов, которые (помимо обязательных для любой стали компонентов - железа, углерода, марганца, кремния) включали бы и другие химические элементы, повышающие стойкость и прочность. Такие материалы называют легированными сталями (термин происходит от латинского слова ligare, означающего «связывать»).
Чем и как легируют стали
Легированными называют стали, в составе которых дополнительные элементы, добавляемые с целью повышения прочности, твёрдости, износостойкости и вязкости металла. Чаще всего в химическом составе легированных сталей имеются молибден, никель, хром, ванадий, титан, бор и др. Процентное содержание легирующих элементов может варьироваться от 1 до 50%. При меньшем количестве компонента он перестаёт быть легирующим, а его наличие в материале объясняется особенностями технологии выплавки. При дальнейшем увеличении объёма такие стали переходят в категорию сплавов на основе железа, никеля или иного металла, процентное содержание которого в составе является наибольшим.
Роль легирующих компонентов
По определению, сталь – это сочетание железа и углерода. Сталь легируется различными элементами для улучшения физических свойств и получения специальных характеристик, таких как устойчивость к коррозии или нагреву. Свойства легированных сталей определяются эффектами от добавления элементов, описываемых далее:
- Углерод (C). Важнейшая составляющая стали. Он повышает прочность на разрыв, твёрдость и устойчивость к износу и истиранию. Одновременно углерод снижает пластичность, ударную вязкость и обрабатываемость.
- Хром (Cr). Повышает прочность на разрыв, твёрдость, прокаливаемость, ударную вязкость, стойкость к износу и истиранию, устойчивость к коррозии и образованию накипи при повышенных температурах.
- Кобальт (Cо). Повышает прочность и твёрдость, позволяет повысить температуру закалки и увеличивает так называемую «красную» твердость (т.е., твёрдость при повышенных температурах) быстрорежущей стали. Он также усиливает некоторые эффекты других основных элементов сталях более сложного состава.
- Ниобий (Nb). Используется в качестве стабилизирующего элемента в нержавеющих сталях. Обладает высоким сродством к углероду и образует карбиды, которые равномерно диспергируются по всему объёму. Таким образом, предотвращается локализованное осаждение карбидов на границах зёрен.
- Медь (Cu). Не всегда считается легирующим элементом, поскольку в значительных количествах наносит вред горячей обработке сталей. Медь негативно сказывается на качестве кузнечной сварки, но не оказывает серьёзного влияния на дуговую или кислородно-ацетиленовую сварку. Медь может нанести вред качеству поверхности. В то же время полезна для повышения устойчивости к атмосферной коррозии, когда присутствует в количествах более 0,20%.
- Марганец (Mn). Является раскислителем и дегазатором, вступая в реакцию с серой для улучшения ковкости. Он увеличивает прочность на разрыв, твёрдость, прокаливаемость и износостойкость. Это снижает склонность к изменению формы и размеров готового слитка искажениям, увеличивает скорость проникновения углерода при цементации.
- Молибден (Mo). Увеличивает прочность, твёрдость, прокаливаемость и ударную вязкость, а также сопротивление ползучести и прочность при повышенных температурах. Молибден улучшает обрабатываемость и устойчивость к коррозии, а также усиливает действие сопутствующих легирующих элементов. В сталях горячей обработки и быстрорежущих сталях он повышает свойства «красной» твёрдости.
- Никель (Ni). Увеличивает прочность и твёрдость без ущерба для пластичности и ударной вязкости. Он также повышает устойчивость к коррозии и образованию накипи при введении в подходящих количествах в высокохромистые (нержавеющие) стали.
- Кобальт (Со). Повышает твёрдость и стойкость против износа, сопровождающегося повышенными температурами. Улучшается коррозионная стойкость деталей и конструкций, которые эксплуатируются в химически активных средах.
- Фосфор (P). Строго говоря, легирующим элементом не является, считается примесью и появляется в сталях из-за металлургических особенностей процесса плавки. Повышает прочность и твёрдость, а также улучшает обрабатываемость, но одновременно придаёт стали заметную хрупкость.
- Кремний (Si). Раскислитель и дегазатор, увеличивает прочность на растяжение и предел текучести, твёрдость, деформируемость и магнитную проницаемость.
- Сера (S). Улучшает обрабатываемость сталей при механическом резании, но без достаточного количества марганца при нагреве провоцирует хрупкость. Это негативно сказывается на показателях свариваемости, ударной вязкости и пластичности.
- Тантал (Та). Используется в качестве стабилизирующего элемента в нержавеющих сталях. Обладает высоким сродством к углероду и образует карбиды, которые равномерно диспергируются по всему объёму стали. Этим предотвращается локализованное осаждение карбидов на границах зёрен.
- Титан (TI). Как и тантал, используется в качестве стабилизирующего элемента в структуре нержавеющих сталей и выполняет те же функции.
- Вольфрам (W). Повышает прочность, износостойкость, твёрдость и ударную вязкость. Вольфрамовые стали обладают отличной деформируемостью в горячем состоянии и большей эффективностью резания при повышенных температурах.
- Ванадий (V). Повышает прочность, твёрдость, износостойкость и устойчивость к ударным воздействиям. Он замедляет рост зерна, обеспечивая более высокие температуры закалки. Ванадий также улучшает свойства «красной» твердости высокоскоростных металлорежущих инструментов.
- Бор (В). В процессе выплавки способствует удалению азота из кристаллической решётки основного компонента легированных сталей (железа), уменьшает интенсивность упрочнения, что положительно сказывается на ударной вязкости металла.
- Алюминий (Al). Является отличным раскислителем, способствуя удалению из расплава растворённого в нём азота и кислорода. Уменьшает размеры зёрен, что позитивно сказывается на пластичности материала.
Остальные добавки, которые требуется вводить в состав легированной стали, применяются сравнительно редко и реализуются в ограниченных масштабах.
Как осуществляется процесс легирования сталей
Почти все металлы используются в качестве сплавов, т. е. смесей нескольких элементов, поскольку они обладают свойствами, превосходящими чистые металлы. Легирование производится по многим причинам, но в первую очередь - для повышения прочности, увеличения коррозионной стойкости или снижения затрат.
В большинстве применяемых технологий легирующие добавки смешивают с исходным металлом, содержание которого составляют лишь железо, углерод и неизбежные металлургические примеси. Легче всего смешивание происходит в жидком состоянии, поэтому большинство легированных сталей получают путем плавления основного металла с последующим добавлением легирующих веществ.
Необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать загрязнения, поэтому смешивание ведут одновременно с очисткой расплава. Очистка заключается в:
- Десульфуризации жидкого доменного чугуна в ковше;
- Обезуглероживании чугуна при его превращении в сталь;
- Удалении кислорода из жидкой стали в вакуум-дегазаторе.
Только после этого в расплав добавляют необходимое количество легирующих компонентов.
Некоторый объём сплавов плавится на воздухе, при этом шлак используется для защиты металла от окисления. Но основное количество плавится и заливается в вакуумной камере. Это позволяет тщательно контролировать состав и сводит к минимуму окисление. Большая часть необходимых легирующих элементов помещается в исходную загрузку, а плавка производится либо дуговым, либо индукционным нагревом. Индукционная плавка проводится в тигле, в то время как при дуговой плавке расплавленные капли подвергаются водяныму охлаждению и сразу же затвердевают.
Иногда (например, для получения инструментальных легированных сталей) требуется неоднородная композитная структура, состоящая в основном из цементированного карбида вольфрама. В таких случаях сталь не плавится, а изготавливается методами порошковой металлургии.
Цели легирования
Причиной легирования является улучшение характеристик легированной стали, в первую очередь прочности металла. Для этого необходимо, чтобы барьеры для скольжения были равномерно распределены по кристаллическим зёрнам. В самом мелком масштабе это делается путём растворения легирующих агентов в металлической матрице (процедура, известная как твердое упрочнение). Атомы легирующих металлов могут замещать атомы матрицы на регулярных участках (в этом случае их называют элементами замещения). Если они заметно меньше атомов матрицы, они могут занимать места между регулярными участками и получают название межузловых элементов.
Следующим, более грубым типом барьера, который необходимо преодолеть, является мелкий, богатый растворёнными веществами осадок с размерами всего в десятки или сотни атомных диаметров. Эти частицы образуются в результате термической обработки. Металл нагревают до температуры, при которой богатая растворёнными веществами фаза полностью растворяется. Затем металл быстро охлаждают, чтобы избежать выпадения осадков. Следующим шагом является образование мелкодисперсного осадка по всему образцу путем старения при повышенной температуре, которая значительно ниже температуры, используемой для первоначального растворения.
В металлах, которые при нагревании претерпевают превращения из одной кристаллической структуры в другую (например, в железе или титане), часто используется разница в растворимости растворённого вещества между высоко- и низкотемпературными фазами. Например, в низколегированных сталях, используемых для изготовления инструментов и зубчатых колёс, углерод образует упрочняющий осадок. Углерод гораздо лучше растворяется в высокотемпературном гамма-железе (аустените), чем в низкотемпературном альфа-железе (феррите).
Некоторые добавляемые легирующие добавки (хром, никель, молибден) при охлаждении замедляют аустенитное превращение, поэтому изменение типа кристаллической решётки происходит при низкой температуре путем внезапного сдвигового процесса. Это не даёт времени на осаждение углерода, поэтому сталь становится более твёрдой.
Кроме повышения прочности, легирование способствует:
- Повышению стойкости к высокотемпературному окислению; чаще всего для этих целей используют хром и алюминий, ибо оба металла образуют на поверхности адгезивную пленку стабильного оксида, защищающую металл;
- Снижению эксплуатационных затрат, что связано к повышением стойкости деталей, инструментов и конструкций;
- Снижению температуры плавления металла, что уменьшает энергозатраты при его обработке.
Указанные преимущества оправдывают себя только при достаточно больших масштабах использования легированных сталей.
Классификация, состав и свойства легированных сталей
Технические требования к легированным сталям отечественного производства регламентируют ряд стандартов. Виды легированных сталей рассматриваются в ГОСТ 5632-2014 (нержавеющие стали), ГОСТ 4543-2016 (конструкционные стали). ГОСТ 5950-2000 (инструментальные стали), ГОСТ 801-2022 (подшипниковые стали), ГОСТ 14959-79 (рессорно-пружинные стали) и ГОСТ 19265-73 (быстрорежущие стали). Для сталей ограниченного применения действуют отраслевые стандарты и ТУ.
Общие классификационные принципы
Первичными признаками классификации легированных сталей на группы являются общее содержание легирующих элементов и технологическое назначение. В соответствии с первым сплавы подразделяют на низко- и высоколегированные, а со вторым – на стали конструкционные, инструментальные и специальные.
Принято, что к низколегированным относят стали, содержащие в сумме не более 5% легирующих элементов. Судовые транспорты, мосты, железнодорожные колёса, паровые котлы и газовые баллоны — всё это изготавливается из низколегированной стали.
Дальнейшая классификация делит низколегированную сталь на три типа в зависимости от её состава. Это:
- Сталь обычной прочности (не рассчитана на использование в условиях повышенных температур);
- Жаростойкая (сохраняет свои характеристики при кратковременном воздействии высоких температур);
- Жаропрочная (сохраняет свои характеристики при длительном воздействии высоких температур).
Сталь обычной прочности характеризуется значениями предела прочности на разрыв 379…620 МПа и отличается хорошей свариваемостью (поскольку в её составе содержится не более 0,2% С). В химсоставе таких сплавов обычно содержится около 1 % марганца и до 0,5 % меди и кремния, которые образовывают твёрдый раствор в ферритной матрице (из-за чего такие стали часто именуют сталями ферритного класса). В этих сталях часто имеется до 0,2 % Nb, Ti, V, N – элементов, способных подавлять рост зерна при горячей прокатке, а также Al и Si, способствующих раскислению. При увеличении процента углерода до 0,6 % и выше стали этого типа пригодны для производства пружин.
Высоколегированная сталь содержит более 5 % легирующих элементов. Примерами таких материалов являются нержавеющие, инструментальные (в том числе – быстрорежущие), подшипниковые стали.
Нержавеющие стали
Имеют хрома от 11% и выше, подразделяются на 4 типа - ферритные, аустенитные, мартенситные и дуплексные.
Ферритная сталь содержит основные легирующие элементы (Fe и Cr), магнитна, имеет микроструктуру феррита, не поддаётся термической обработке, может закаляться и упрочняться холодной обработкой. Эта сталь используется в различных областях, включая стеклянные формы, высокотемпературные клапаны камеры сгорания и др.
Основными легирующими элементами в аустенитной стали являются Fe, Cr, Ni (причём Cr>16%, а Ni>3,5%, вместе с Mn). Микроструктура полностью состоит из аустенитной фазы. Эта сталь не поддаётся термической обработке, но может быть закалена и упрочнена путем холодной обработки. Аустенитные стали немагнитны, обладают более высокой коррозионной стойкостью и являются наиболее востребованными. Используются для производства криогенного оборудования стали, а также технологических систем пищевой и химической промышленности.
Мартенситная нержавеющая сталь магнитна, имеет основными легирующими элементами Fe и Cr и мартенситную фазу в микроструктуре, которая может быть упрочнена термической обработкой. Используется в различных областях, включая изготовление подшипников и хирургических инструментов.
В составе дуплексных (или, иначе – дисперсионно упрочнённых) нержавеющих сталей обязательно присутствуют Fe, Cr, Ni, Al и Mn. Микроструктура состоит из смешанной фазы (феррит + мартенсит или феррит + аустенит). Фазовое превращение из аустенита во вторую фазу приводит к закалке стали. Используются при изготовлении ответственных пружин и сосудов, работающих под давлением.
Прочие легированные стали
Инструментальные стали используются для изготовления высокостойкого режущего, штампового и мерительного инструмента. Материал обязательно проходит термообработку. Эти стали подразделяются на несколько групп в зависимости от типа термической обработки - закалки в масло или в воду, либо охлаждения на спокойном воздухе. Отдельную группу образуют быстрорежущие стали, содержащие повышенный процент вольфрама и кобальта.
Среди легированных сталей стоит выделить высокомарганцовистую сталь или сталь Гадфильда. Она содержит свыше 13% марганца и более 1% углерода. При комнатной температуре эта сталь имеет аустенитную микроструктуру, обладает высокой твёрдостью и механической прочностью. При деформации сталь Гадфильда упрочняется, потому что в ходе обработки аустенит превращается в мартенсит. Эта сталь используется для производства изделий, которым требуется высокая износостойкость и стойкость от истирания (пример – рабочие органы землеройной техники).
Маркировка легированных сталей
Маркировка легированных сталей отечественного производства содержит информацию о наличии и концентрации легирующих элементов, процентном содержании углерода и качестве стали.
Наличие углерода указывается в сотых долях процента: эти данные сообщаются в начале условного обозначения. Если материал содержит около 1% С, цифра не ставится.
Легирующие компоненты перечисляются в порядке возрастания их процентного содержания, приняты условные обозначения элементов в виде следующих заглавных букв русского алфавита:
Б – бериллий;
В – вольфрам;
Г – марганец;
Д – медь;
К – кобальт;
Н – никель;
М – молибден;
Р – бор;
Ф – ванадий;
Х – хром;
Ц – цирконий;
Ю - алюминий
Железо, сера, азот в марках легированной стали не указываются. Их процентное содержание при необходимости отмечается в сопроводительном сертификате на продукцию.
После буквенного обозначения в марке стали приводится число, указывающее среднее содержание соответствующего легирующего компонента. В конце всех обозначений может находиться заглавная буква А. Её наличие в марке стали, указывает на то, что материал – высокого/повышенного качества (более точные допуски, меньший диапазон изменения физико-механических характеристик и ряд иных дополнительных эксплуатационных параметров).
Для подшипниковых сталей первой буквой всегда является Ш, а далее идёт обычная расшифровка в описанной выше последовательности.
Если реализуемая сталь относится к классу экспериментальных, то маркировка меняется. В начале условного обозначения указываются одна или две буквы (первая из ни – обязательно Э), а далее, через тире – число, сообщающее номер плавки продукта.
Прочую информацию о легированной стали маркировка не содержит; такие данные передаются потребителю в сопроводительном сертификате.
Примеры условных обозначений марок легированных сталей приведены в табл. 1
Таблица 1
|
Марка стали |
ГОСТ или ТУ |
Группа |
Тип |
Примечание |
|
12ГС |
ГОСТ 19281-89 |
Конструкционная |
Низколегированная |
Для получения сварных соединений |
|
45ХН |
ГОСТ 4543-2016 |
Конструкционная |
Среднелегированная |
Для изготовления тяжелонагруженных зубчатых передач |
|
38ХМЮА |
ГОСТ 4543-2018 |
Конструкционная |
Высоколегированная, повышенного качества |
Для производства азотируемых деталей |
|
12Х18Н10Т |
ГОСТ 5632-2014 |
Нержавеющая |
Жаропрочная и жаростойкая сталь аустенитного класса |
Для изготовления деталей и конструкций, действующих в агрессивных средах |
|
ШХ15 |
ГОСТ 801-2022 |
Подшипниковая |
Высоколегированная |
Для производства шарикоподшипников и штампового инструмента |
|
Р6М5 |
ГОСТ 19265-73 |
Быстрорежущая инструментальная |
Высоколегированная сталь |
Для изготовления штампового и режущего инструмента |
|
ЭП-766 |
ТУ 14-1-2700-79 |
Нержавеющая |
Коррозионно стойкая сталь мартенситного класса |
Для изготовления деталей энергосиловых установок |
Применение легированной стали
Широкий сортамент и технологические возможности позволяют производить и предлагать потребителям следующие прокатные профили, производимые из легированных сталей (см. табл.2):
Таблица 2
|
Вид прокатного профиля |
Назначение |
|
Производство толстолистовых ограждающих конструкций, эксплуатация которых происходит при повышенных/высоких температурах и давлениях |
|
|
Изготовление несущих конструкций пролётов на участках и отделениях производств, занимающихся переработкой и получением химически агрессивных веществ |
|
|
Прокладка наземных и подземных коммуникаций для транспортирования (в том числе, и при повышенных давлениях и температурах) химически агрессивных рабочих сред |
|
|
Изготовление баков, резервуаров и прочих ёмкостей для длительного хранения химически активных жидкостей или газов |
|
|
Производство сварных и сварно-сборных металлоконструкций, работающих в коррозионно активных средах |
Иные возможности применения рассматриваются с учётом данных, приведенных в каталоге.
Компания ЗАО «ТФД "Брок-Инвест-Сервис и К"» всегда имеет предложения для заказчиков, которым требуются высококачественные профили легированного проката. Ассортимент марок и профилей постоянно обновляется с учётом конкретных потребностей потребителя. Выбрав нашу компанию в качестве постоянного поставщика металлопродукции, клиенты получают стабильные гарантии своевременного выполнения заказов.