Що таке легована сталь — склад, властивості, марки, ДСТУ, призначення, обробка

Мабуть, немає в світі такої людини, яка б не чула про найпоширеніший сплав заліза на землі – сталь. Крім того, що матеріал має чимало різновидів, він використовується у виробництві практично будь-яких залізних конструкцій і предметів. Причому окремої уваги заслуговує леговані сплави, які володіють особливими властивостями. В сучасній промисловості складно знайти яку-небудь галузь, де не використовується легована сталь. Що таке і чим дана різновид відрізняється від всіх інших?

Що це за матеріал?

Звичайна сталь – це з’єднання заліза вуглецю та ряду домішок. Під визначенням «легована сталь» (ЛЗ) мається на увазі особливий сплав, який отримано шляхом впровадження певної кількості хімічних елементів. Це робиться з метою отримання необхідних фізичних і хімічних властивостей металу.

Як правило, додаються такі елементи періодичної таблиці Менделєєва, без яких важко обійтися в залежності від конкретної ситуації:

  • Нікель – Н (Ni).
  • Мідь – М (Cu).
  • Ніобій – Б (Nb).
  • Хром (Cr).
  • Марганець – Г (Mn).
  • Кремній – З (Si).
  • Ванадій – Ф (V).
  • Вольфрам – В (W).
  • Молібден – М (Mo).
  • Титан – Т (Ti).
  • Алюміній – А (Al).
  • Цирконій – Ц (Zr).
  • Кобальт – До (Co).

Але крім них знаходять застосування молібден з алюмінієм. При цьому кожен з цих елементів додається з певною метою. І їх кількість безпосередньо впливає на отримання необхідних якостей. Тепер вже стає трохи зрозуміло, що таке легована сталь.

Добавки

Деякі з них, підвищуючи якісь певні властивості матеріалу, занижують інші якості. Приміром, за допомогою марганцю можна суттєво підвищити міцність і твердість металу поряд з поліпшенням ріжучих якостей. В той же час це призводить до збільшення зерна, що знижує стійкість до ударних навантажень.

Додавання хрому, навпаки, може підвищити ці якості і одночасно з цим збільшити жароміцність. Завдяки нікелю сплав стає більш пружним, а якщо його кількість переважає, то метал набуває високі показники корозійної стійкості та жароміцності. Нержавіюча сталь, про яку знає кожен, це як раз сплав з останніх двох металів матеріал з вмістом хрому 27 %.

Кожного, хто знає, що собою являє легована сталь, що таке легування — розуміє не до кінця. Так ось, суть його полягає в додаванні цих елементів. Але повернемося до наших «домішок» – молібден з одного боку підвищує твердість, але з іншого — призводить до зменшення крихкості. За рахунок вольфраму можна підвищити не тільки твердість, але і міцність, а разом з цим і ріжучі якості металу. До того ж при нагріванні до високої температури (600-650 °С) ці властивості не втрачаються (червоностійкість).

Кремній дозволяє збільшити пружність матеріалу, а також стійкість до впливу кислот. Додавання ванадію сприяє збільшенню пластичних властивостей за рахунок зменшення зерна. Титан дозволяє отримати більш міцний матеріал.

Дивіться також:  Дисплей-порт - що це таке?

Домішки

Тепер точно зрозуміло, що таке легована сталь. Але разом з цим слід знати про наявність деяких домішок, які, незалежно від марки сталі, в ній завжди присутні. У більшості випадків це неметали:

  • Вуглець.
  • Сірка.
  • Фосфор.
  • Кисень і Азот.
  • Водень.

Вуглець найбільше впливає на властивості сталі. Якщо його міститься не більш як 1,2 %, то матеріал відрізняється високою твердістю і міцністю. Також збільшується межа плинності. Перевищення цієї норми призводить до зниження міцності і пластичності.

Великий вміст сірки теж не на користь. Більше 0,65 % – знижується ударна в’язкість, корозійна стійкість, пластичність. Але, крім цього, суттєво знижується зварюваність сталі.

З фосфором треба бути гранично уважним, оскільки його перевищення, навіть незначно, негативно позначається на металі. Знижується в’язкість і пластичність, в той же час крихкість і плинність зростають. Все це може відбитися на обробці легованих сталей.

Перевищення кисню і азоту призводить до зайвої крихкості матеріалу, а також знижують його в’язкість.

Високий вміст водню теж наділяє метал крихкістю, що небажано.

Різновиди ЛЗ

В залежності від кількості легуючих добавок сталь може поділятися на три види:

  • Низьколегована сталь – містить не більше 2,5 % добавок.
  • Середнєлегована сталь – кількість легуючих елементів варіюється від 2,5 до 10 %.
  • Високолегована сталь – тут мова йде про більшому вмісті 10 % і вище.

При цьому враховується саме сумарна кількість легуючих добавок.

Щоб отримати певні якості, леговані сталі проходять процес нормалізації. Це коли матеріал нагрівається до температури 900 °C, а після цього він охолоджується на повітрі.

Виходячи з цього, «маркування» легованих сталей може виглядати так:

  • Перлитная – вміст легуючих добавок у таких сталей коливається від 5 % до 7 %. Виходять наступні структури: перліт, сорбіт, тростит.
  • Мартенситна – тут легуючих елементів більше 7-15 %, вуглецю при цьому не більше 0,55 %.
  • Аустенітна – крім змісту легуючих елементів (більше 15 %), тут присутній нікель (8 %) і марганець (13 %). Зміст вуглецю тут не більше 0,2 %.
  • Феритної – у такої структури вуглецю також міститься не більше 0,2 %. У той час як хрому тут 17-30 %, кремнію 2,5 % (не менше). Такі сталі можна віднести до малоуглеродистым.
  • Карбідна (ледебуритная) – це вже високовуглецеві марки (0,7 % З). В основному містять вольфрам, ванадій, молібден і хром.

Отримання різної марки легованої сталі, точніше її структури, залежить не тільки від швидкості охолодження металу на повітрі, але і від кількості легуючих добавок і вуглецю.

Особливості маркування ЛЗ

На початку статті в списку легуючих елементів біля кожного з них стоять літери, що не випадково. Саме ними проводиться маркування таких металів, але крім них присутні ще цифри. Приклад наведено нижче.

Все це робиться згідно Гост 4543-71. Буквено-цифрове позначення прийнято невипадково, адже всі леговані сталі мають широкий асортимент. А в такому різноманітті нескладно заплутатися, і тому виникла необхідність в систематизації.

Дивіться також:  Грааль - що таке? Значення слова

При цьому кожна літера кирилиці (йде першою) в позначенні вказує на присутність того чи іншого елемента, а цифра (як правило, після літери) — вміст у відсотках. При цьому, якщо мова йде про кількості менше 0,99 %, то число зазвичай не ставиться.

Іноді в сплав можуть бути додані і рідкоземельні метали, такі як ітрій, лантан і ряд інших. У цьому випадку в позначенні сталі легованої за Гостом вказується лише одна літера – Ч. У маркуванні сталі є й інші особливості:

  • Перші дві цифри завжди вказують на процентний вміст вуглецю, який буквено ніколи не позначається.
  • Якщо це швидкорізальна сталь, то вміст вольфраму вказується в цілих частках відсотка. Хрому в таких сплавах зазвичай 4 %.
  • Для шарикопідшипникової сталі після букв ШХ слід позначення вміст хрому в десятих частках відсотка.
  • Присутність двох літер «А» вказує на особливо чисту леговану сталь.

Візьмемо для прикладу дві маркування:

  • 03Х13АГ19 – ЛЗ містить 0,03 % вуглецю, 13 % хрому, 1 % азоту і 19 % марганцю.
  • 18ХГТ – у цієї сталі вуглецю 0,18 %, а хрому, титану і марганцю на 1 %.
  • Крім цього, в самому початку будь-якого маркування легованих сталей може стояти літера, яка вказує на матеріал спеціального призначення:

    • Електротехнічна – Е.
    • Швидкорізальна Р.
    • Шарикоподшипниковая – Ш.
    • Автоматна – А.

    Леговані стали ще можуть належати категорії високоякісних або особливо високоякісних металів.

    У цьому випадку в кінці маркування буде стояти літера «А» або «Ш» відповідно.

    Переваги

    Всі леговані сталі володіють рядом цінних переваг, серед яких варто виділити:

    • підвищену стійкість до деформацій пластинчастого характеру;
    • високу твердість;
    • стійкість до хладоломкости і в’язкості;
    • технологічні якості на високому рівні.

    Крім цього, така сталь не схильна до викривлення або появи інших дефектів в ході процесу загартування.

    Недоліки

    При всіх очевидних перевагах, якими володіють леговані інструментальні сталі або інші недоліки теж присутні:

    • Для них характерна дендритная ізоляція, але, на щастя, цього можна уникнути проведенням дифузійного відпалу.
    • Високолеговані марки можуть містити залишковий аустеніт, з-за чого знижується опірність до втоми і твердості матеріалу.
    • Не виключається поява флокенов – так званих тріщин у структурі сталі. Цього дефекту можна уникнути шляхом уповільнення охолодження металу, а також зниження вмісту водню в ході виплавки.

    Залежно від різновиду термічної обробки дозволяють уникнути появи більшості дефектів. В результаті чого сталь набуває необхідні, часом унікальні якості.

    Виробництво ЛЗ

    Процес виробництва легованих інструментальних сталей чи інших проходить у декілька етапів з використанням електродугових печей:

    • Залізна руда очищається.
    • Плавлення металу.
    • Додавання легуючих елементів.

    В процесі очищення залізна руда позбавляється від небажаних домішок, таких як сірка і фосфор. Все це відбувається в плавильній печі відкритого типу. Також використовується технологія позапічної обробки сталі. Інший необхідний технологічний процес – це вакуумна плавка, в результаті якого видаляється миш’як і ряд домішок кольорових металів.

    Дивіться також:  Риторичне питання: визначення, приклади, роль.

    Для плавки металу вже використовується електродугова піч, для чого в ній сировина нагрівається до високої температури 400-600 °C. Тут залізо починає перетворюватися в чавун, для якого характерна нестійка кристалічна решітка. Але за допомогою стабілізації з нього виходить якась марка легованої сталі.

    Робиться це наступним чином. У робочу камеру надходить кисень, при згорянні якого атмосфера камери забезпечується вуглецем. Він починає змішуватися з залізом, що й веде до утворення стали.

    Потім вже в сировину починають додавати різні добавки залежно від необхідних властивостей металу. Кристалічна решітка стає більш щільною, і в результаті виходить легована продукція.

    Термообробка ЛЗ

    На виплавці виробництво ЛЗ не закінчується. Після цього необхідно загартувати її. Виплавлені зразки проходять процедуру загартовування при температурі 1100 °C. Після неї потрібен відпустку вуглецевих і легованих сталей, причому робиться він поступово, щоб уникнути появи тріщин.

    Цей процес необхідний для всіх загартованих деталей. Його головне завдання полягає в зняття внутрішніх напружень. При цьому знижується твердість, а пластичність збільшується. Для відпустки можуть використовуватися різні засоби:

    • Ванни:
      • масляні;
      • селітряні;
      • з розплавленої лугом.
    • Піч з примусовою циркуляцією повітряного.

    Що стосується температури відпустки, то вона залежить від марки ЛС і необхідної твердості матеріалу. Наприклад, для HRC 59-60 це 150-200 °C. Для швидкорізальних ЛЗ потрібний температурний режим трохи більше – 540-580 °C. Це ще називається як вторинне затвердіння, оскільки твердість деталі зростає.

    Як правило, після відпуску сталь охолоджується на відкритому повітрі. Але хромонікелеві вироби виняток – для них потрібна ванна з водою або маслом. Якщо охолодження затягнеться, це призведе до зайвої крихкості металу.

    Область застосування

    Що стосується призначення легованих сталей, то це практично будь-яка сфера людської життєдіяльності. Інструментальний метал іде на виробництво різців, фрез, штампів, вимірювальних пристроїв, шестерень, пружин, підвісок, розтяжок і багато чого іншого. Нержавіюча ЛЗ ідеальна для виготовлення посуду, корпусів побутової техніки.

    Зварювання ЛЗ

    Процес зварювання ЛЗ в повній мірі залежить від хімічного складу металу. Причому на відміну від легуючих елементів найбільше впливає вуглець. У той же час самі добавки по-різному впливають на зварювання. Наприклад, наявність хрому і марганцю в більшій мірі призводить до утворення тріщин, ніж нікель. А от титан на цей процес діє цілком сприятливим чином.

    З-за великої кількості сірки, фосфору і розчинених газів зварюваність стали в рази погіршується. Тому їх зміст не повинен бути більше 0,020-0,055 %, що жодним чином не позначиться на зварюванні легованих сталей.