Легированная сталь: виды, марки и назначение

• Отличия легированной стали от углеродистой
• Методы легирования
• Добавление в расплав
• Термомеханическое легирование
• Поверхностное легирование
• Легирование при помощи лазера и электронных пучков
• Легирующие добавки
• Виды
• Маркировка
• Примеры маркировки
• Сферы применения

Легированная сталь - это универсальный материал, широко применяемый в современной промышленности благодаря своим уникальным свойствам. Содержащие дополнительные элементы помимо железа и углерода, этот тип стали отличается повышенной прочностью, коррозийной стойкостью и другими важными характеристиками.

Изучение видов легированных сталей, их марок и назначения открывает перед инженерами и конструкторами новые возможности для реализации сложнейших проектов.

Отличия легированной стали от углеродистой

Основное различие между легированной и углеродистой сталью заключается в их химическом составе и, как следствие, в физических и механических свойствах. Углеродистая сталь содержит углерод в количестве от 0,2% до 2,14%, что обеспечивает ей основные механические характеристики. В легированной стали, кроме углерода, присутствуют дополнительные элементы (как правило, более 1% в сумме), которые значительно расширяют её возможности и улучшают характеристики.

Устойчивость к коррозии:

• Углеродистая. Склонна к коррозии, особенно во влажных условиях.
• Легированная. Добавление хрома (минимум 12%) превращает её в нержавеющую, значительно увеличивая сопротивление коррозии.

Прочность:

• Углеродистая. Предел прочности варьируется от 400 МПа для мягкой до 850 МПа для сталей с высоким содержанием углерода.
• Легированная. Прочность может быть увеличена до 1400 МПа и выше благодаря добавлению таких элементов, как молибден, никель и ванадий.

Температурная стойкость:

• Углеродистая. Теряет прочность при температурах выше 250°C.
• Легированная. Некоторые марки, такие как жаропрочные стали с добавлением вольфрама, могут сохранять свои свойства до температур 600°C и выше.

Износостойкость:

• Углеродистая. Имеет ограниченную износостойкость, которая может быть улучшена только термической обработкой.
• Легированная. Высокое содержание таких элементов, как хром и никель, увеличивает сопротивление износу, что критически важно для деталей, подверженных интенсивному трению.

Применение:

• Углеродистая. Широко используется в строительстве, производстве автомобилей и изготовлении менее критичных компонентов.
• Легированная. Незаменима в аэрокосмической промышленности, производстве инструментов, энергетических установках и других областях, где требуются особые свойства материалов.

Методы легирования

Легирование — это ключевой процесс в металлургии, позволяющий значительно улучшить её свойства за счёт добавления различных элементов. Этот процесс можно осуществлять разными методами, каждый из которых имеет свои особенности, преимущества и ограничения.

Добавление в расплав

Этот метод является наиболее распространённым и включает введение легирующих элементов непосредственно в расплавленную сталь во время её выплавки. Добавки могут вводиться в виде чистых металлов, ферросплавов или лигатур. Например, для получения хромистой стали хром вносят в виде феррохрома, содержащего от 50% до 70% хрома.

Контроль за процентным содержанием добавок критичен и требует высокой точности, так как даже небольшое отклонение (в диапазоне 0.1%-1%) может значительно изменить характеристики готовой стали.

Термомеханическое легирование

Этот процесс включает в себя комбинацию термической обработки и пластической деформации, что позволяет достичь изменения структуры и свойств стали на микроуровне. Процесс может проводиться при различных температурах и степенях деформации, что позволяет улучшить такие характеристики, как прочность, вязкость и усталостная стойкость.

Этот метод особенно эффективен для микролегированной стали, где добавление крайне малых количеств легирующих элементов (менее 0.1%) приводит к значительному улучшению свойств.

Поверхностное легирование

Поверхностное легирование позволяет улучшить характеристики только внешнего слоя стали, сохраняя основные свойства основного материала. Среди наиболее распространённых методов — цементация (насыщение поверхности углеродом), нитридация (насыщение азотом), борирование и алитирование.

Например, при цементации поверхность стальных деталей насыщается углеродом при температуре около 900°C в углеродсодержащей среде, что увеличивает твердость и износостойкость поверхности. Глубина легированного слоя может варьироваться от нескольких микрометров до 1-2 мм в зависимости от времени и температуры процесса.

Легирование при помощи лазера и электронных пучков

Это высокотехнологичные методы, позволяющие локализованно изменять состав и свойства поверхностного слоя стали с высокой точностью. Легирующие элементы вносятся в поверхностный слой материала, после чего обрабатываются лазерным или электронным пучком, что приводит к их быстрому расплавлению и диффузии в основной материал.

Этот метод идеален для создания износостойких покрытий на режущих инструментах и деталях, работающих в условиях высоких нагрузок и температур.

Легирующие добавки

Ниже приведены данные о наиболее распространенных легирующих элементах и их влиянии на свойства стали.

Хром (Cr):

• Доля. Обычно 0.5% - 20%
• Основное влияние. Увеличение коррозионной стойкости, прочности, твердости и жаростойкости. Для нержавеющей стали требуется не менее 10.5% хрома.
• Примеры использования. Нержавеющая сталь (содержание Cr более 12%), инструментальная (содержание Cr около 1-5%).

Никель (Ni):

• Доля. 2% - 40%
• Основное влияние. Улучшение пластичности, устойчивости к коррозии в агрессивных средах и жаропрочности. Никель также способствует стабилизации аустенитной фазы в стали.
• Примеры использования. Аустенитные нержавеющие стали (8-10% Ni), высокопрочные низколегированные стали для криогенных приложений.

Молибден (Mo):

• Доля. 0.2% - 10%
• Основное влияние. Увеличение прочности и жаропрочности, повышение сопротивления ударным нагрузкам при низких температурах, улучшение коррозионной стойкости в серосодержащих средах.
• Примеры использования. Инструментальные стали, стали для труб большого диаметра, улучшаемые и пружинные стали (0.15-0.3% Mo).

Ванадий (V):

• Доля. 0.1% - 5%
• Основное влияние. Увеличение прочности и твердости за счет образования карбидов, улучшение усталостной прочности и сопротивления износу, уменьшение зерна, что повышает ударную вязкость.
• Примеры использования. Высокопрочные низколегированные стали (0.2% V для микролегирования), инструментальные стали.

Виды

Легированная сталь представляет собой широкий спектр металлических сплавов, модифицированных добавлением различных элементов для улучшения их свойств. Разнообразие видов легированной стали позволяет применять их во многих сферах инженерии и производства.

Конструкционные легированные, такие, как AISI 4140 и AISI 4340, содержат от 0.8% до 1.2% хрома и от 0.2% до 0.3% молибдена, что обеспечивает прочность материала до 700-900 МПа. Также могут быть добавлены никель и ванадий для дополнительного улучшения ударной вязкости и сопротивления усталости. Они находят своё применение в автомобильной промышленности для производства критически важных компонентов, таких как коленчатые валы, шатуны, и в аэрокосмической отрасли для элементов шасси и каркасов.

Инструментальные, например, D2 или A2, обладают высоким содержанием углерода (1.5% - 2.0%) и добавлением хрома (11% - 13% для D2), что придает им высокую износостойкость и способность сохранять остроту режущей кромки. Сталь H13, содержащая около 5% хрома и значительное количество вольфрама и молибдена, используется для горячей штамповки и экструзии, благодаря своей способности выдерживать высокие температуры без потери твердости.

Нержавеющие, 304 и 316, содержат минимум 16-18% хрома и 8-10% никеля (для 304), что обеспечивает отличную коррозионную стойкость. Марка 316 дополнительно включает 2-3% молибдена для улучшения стойкости к хлоридам.

Жаропрочные, ISI 310, содержат до 25% хрома и 20% никеля, что позволяет им выдерживать температуры до 1150°C, сохраняя при этом свои механические свойства.

Износостойкие, например, AR400 и AR500, обладают высокой твердостью (от 360 до 500 HB) благодаря уникальному сочетанию углерода (около 0.3% для AR400 и до 0.3% - 0.5% для AR500) и легирующих элементов, включая хром и молибден.

Маркировка

Система маркировки включает в себя буквенно-цифровые коды, где каждый элемент имеет свое значение:

• Буквы обычно обозначают присутствующие легирующие элементы.
• Цифры указывают на процентное содержание ключевых элементов или другие характеристики стали.

Примеры маркировки

Американская система (AISI/SAE):

• 4140. Это обозначение указывает на марку хром-молибденовой стали, где '41' обозначает серию хром-молибденовых сталей, а '40' означает содержание углерода в десятых долях процента (около 0.40% углерода).
• Инструментальная с высоким содержанием углерода (1.5-1.6%) и хрома (11-12%), что обеспечивает высокую износостойкость и способность держать остроту.

Европейская система (EN):

• X5CrNi18-10 (1.4301). Нержавеющая аустенитная, где 'X' указывает на сплав, '5' на содержание углерода в сотых долях процента (0.05% углерода), 'CrNi' на присутствие хрома и никеля, а '18-10' на их содержание (около 18% хрома и 10% никеля).

Российская система (ГОСТ):

• 40Х. Сталь с содержанием 0.4% углерода (40) и хрома (Х), используемая для производства высокопрочных деталей.

Особенности маркировки:

• Добавка 'A'. В некоторых системах перед числовым обозначением добавляется буква 'A', указывающая на азотированную сталь.
• Символы '+' или '-'. Могут указывать на модификации стандартной марки, такие как улучшенная свариваемость или повышенная коррозионная стойкость.
• Дополнительные буквы. 'L' обозначает низкое содержание какого-либо элемента (например, 'L' в маркировке указывает на низкое содержание углерода), 'H' обозначает высокопрочную сталь, 'T' указывает на добавление титана для связывания углерода и предотвращения коррозии.

Сферы применения

Легированная сталь стала незаменимым материалом там, где требуются особая прочность, устойчивость к экстремальным условиям и долговечность.

В современном строительстве используется для создания каркасов зданий, мостов и тоннелей. Её применение позволяет возводить сооружения с увеличенным пролетом и минимальным количеством опор, что особенно важно для сейсмически активных регионов. Например, марка А35 с добавлением марганца, кремния и ниобия обладает повышенной прочностью и устойчивостью к деформациям, что делает её идеальной для использования в качестве строительного материала.

В автомобильной промышленности применяются для изготовления критически важных деталей: двигателей, трансмиссий, элементов подвески и кузовов автомобилей. Они обеспечивают высокую прочность соединений, устойчивость к износу и коррозии. Марка стали 20ХГМ с добавлением хрома и молибдена используется для производства шестерен и валов благодаря своей высокой ударной вязкости и способности выдерживать циклические нагрузки.

В аэрокосмической отрасли применяются в конструкциях самолетов, ракет и спутников. Материалы для этой сферы должны сочетать в себе легкость и исключительную прочность. Сплавы на основе марганцево-никелевой стали, такие как 30ХГСА, используются для производства корпусов ракет и элементов шасси самолетов благодаря их высокой прочности и способности сопротивляться воздействию высоких и низких температур.

В энергетическом секторе важны для изготовления компонентов турбин, реакторов и теплообменников. Марки стали, такие как 12Х1МФ (содержащая хром, молибден и небольшое количество ванадия), обладают повышенной жаропрочностью и стойкостью к действию высоких температур и давления, что делает их незаменимыми для энергетических установок.

В медицинской отрасли используется для производства хирургических инструментов, имплантатов и протезов. Особенно ценятся такие качества, как биосовместимость, устойчивость к коррозии и способность стерилизации. Сталь 316L с добавлением молибдена идеально подходит для изготовления медицинских инструментов и имплантатов, обеспечивая их долговечность и безопасность для пациентов.