Легированная сталь

Легированная сталь — это сталь, в состав которой для придания ей определённых физических, химических или механических свойств специально вводятся легирующие элементы (хром, никель, молибден, ванадий, вольфрам, титан, марганец, кремний и другие). В отличие от углеродистой стали, свойства которой определяются главным образом содержанием углерода, легированная сталь получает улучшенные характеристики за счёт изменения структуры сплава на атомном и микроструктурном уровнях. Легирование позволяет повысить прочность, твёрдость, износостойкость, коррозионную стойкость, жаропрочность, хладостойкость и другие эксплуатационные качества, недостижимые для обычных углеродистых сталей.

История

Первые упоминания о легировании стали относятся к древним временам. В Индии и на Ближнем Востоке выплавляли булатную сталь, содержащую примеси ванадия и других элементов, что придавало ей уникальную твёрдость и узорчатую структуру. В Европе в XVIII—XIX веках предпринимались попытки улучшить свойства стали добавлением хрома и никеля, однако промышленное производство легированных сталей началось лишь во второй половине XIX века.

В 1868 году английский металлург Роберт Машетт (Robert Mushet) разработал первую быстрорежущую сталь, содержащую вольфрам и марганец, что позволило значительно увеличить скорость резания металлов. В 1912 году немецкие инженеры из компании Krupp (организация признана нежелательной в РФ) создали нержавеющую сталь, легированную хромом (12—14 %), которая обладала высокой коррозионной стойкостью. В XX веке, с развитием авиации, автомобилестроения, энергетики и военной промышленности, потребность в легированных сталях резко возросла. В СССР в 1930—1950-х годах были разработаны многочисленные марки конструкционных, инструментальных и специальных сталей, в том числе для танкостроения и ракетной техники.

Классификация

Легированные стали классифицируются по нескольким признакам: химическому составу, структуре, назначению и качеству.

По химическому составу

• Низколегированные стали — содержат до 2,5 % легирующих элементов (например, 09Г2С, 15ХСНД). Обладают повышенной прочностью и свариваемостью, применяются в строительстве и машиностроении.
• Среднелегированные стали — содержание легирующих элементов от 2,5 до 10 % (например, 40Х, 30ХГСА). Используются для изготовления деталей машин, работающих при высоких нагрузках.
• Высоколегированные стали — содержат более 10 % легирующих элементов (например, 12Х18Н10Т, Х12М). К ним относятся нержавеющие, жаропрочные, инструментальные и специальные сплавы.

По структуре

По структуре в отожжённом состоянии легированные стали делятся на:

• Доэвтектоидные — содержат феррит и перлит.
• Эвтектоидные — состоят из перлита.
• Заэвтектоидные — содержат перлит и вторичные карбиды.
• Ледебуритные — содержат ледебурит (эвтектику карбидов и аустенита), характерны для быстрорежущих сталей.
• Аустенитные — при комнатной температуре сохраняют аустенитную структуру (например, нержавеющие стали типа 12Х18Н10Т).
• Ферритные — состоят из феррита, обладают низкой прочностью, но высокой коррозионной стойкостью.
• Мартенситные — закаливаются на мартенсит, обеспечивая высокую твёрдость и износостойкость.

По назначению

• Конструкционные легированные стали — предназначены для изготовления деталей машин, механизмов, строительных конструкций. Примеры: 40Х, 30ХГСА, 12ХН3А.
• Инструментальные легированные стали — используются для производства режущего, штампового и измерительного инструмента. Примеры: Х12М, Р6М5, 9ХС.
• Стали с особыми свойствами:
• Нержавеющие (коррозионно-стойкие) — содержат не менее 12 % хрома, устойчивы к атмосферной и химической коррозии. Примеры: 12Х18Н10Т, 08Х18Н10.
• Жаропрочные — сохраняют прочность при высоких температурах (до 600—900 °C). Примеры: 15Х5М, 12Х1МФ.
• Жаростойкие — устойчивы к окислению при высоких температурах. Примеры: 20Х23Н18, 15Х28.
• Износостойкие — обладают высокой твёрдостью и сопротивлением абразивному износу. Примеры: 110Г13Л (сталь Гадфильда), Х12Ф1.
• Электротехнические — обладают определёнными магнитными или электрическими свойствами. Примеры: 2013, 3411.

По качеству

• Обыкновенного качества — с повышенным содержанием серы и фосфора (до 0,05 %).
• Качественные — с ограниченным содержанием серы и фосфора (до 0,035 %).
• Высококачественные — с содержанием серы и фосфора не более 0,025 %.
• Особовысококачественные — с содержанием серы и фосфора не более 0,015 %, выплавляются методами электрошлакового переплава или вакуумно-дуговой плавки.

Легирующие элементы и их влияние

Каждый легирующий элемент оказывает специфическое влияние на свойства стали:

• Хром (Cr) — повышает коррозионную стойкость, твёрдость, прочность, жаропрочность. При содержании более 12 % сталь становится нержавеющей.
• Никель (Ni) — увеличивает прочность, вязкость, коррозионную стойкость, способствует образованию аустенитной структуры.
• Марганец (Mn) — повышает прочность, износостойкость, улучшает прокаливаемость. При содержании более 12 % сталь становится аустенитной и износостойкой (сталь Гадфильда).
• Кремний (Si) — увеличивает упругость, прочность, жаростойкость, улучшает магнитные свойства.
• Молибден (Mo) — повышает жаропрочность, прокаливаемость, сопротивление ползучести, уменьшает отпускную хрупкость.
• Ванадий (V) — измельчает зерно, повышает прочность, твёрдость, износостойкость, улучшает прокаливаемость.
• Вольфрам (W) — повышает твёрдость, красностойкость (способность сохранять твёрдость при нагреве), жаропрочность. Используется в быстрорежущих и инструментальных сталях.
• Титан (Ti) — стабилизирует аустенитную структуру, предотвращает межкристаллитную коррозию в нержавеющих сталях.
• Алюминий (Al) — раскисляет сталь, измельчает зерно, повышает жаростойкость.
• Медь (Cu) — повышает коррозионную стойкость, прочность, улучшает обрабатываемость.

Производство

Легированные стали выплавляются в дуговых электрических печах, индукционных печах, конвертерах с использованием чистых шихтовых материалов (чугун, стальной лом, ферросплавы). Легирующие элементы вводятся в расплав в виде ферросплавов (феррохром, ферромолибден, феррованадий) или чистых металлов. Для получения высококачественных сталей применяются методы внепечной обработки (вакуумирование, продувка аргоном, обработка синтетическими шлаками) и специальные способы переплава (электрошлаковый переплав, вакуумно-дуговой переплав, плазменный переплав).

После разливки и кристаллизации слитки подвергаются ковке, прокатке или прессованию для получения заготовок и полуфабрикатов. Термическая обработка (отжиг, нормализация, закалка, отпуск) позволяет регулировать структуру и свойства готового металла.

Применение

Легированные стали широко используются во всех отраслях промышленности:

• Машиностроение — изготовление валов, шестерён, коленчатых валов, пружин, рессор, подшипников.
• Автомобилестроение — детали двигателей, трансмиссии, ходовой части, кузовные элементы.
• Авиастроение и ракетно-космическая техника — детали планера, двигателей, шасси, работающие при высоких температурах и нагрузках.
• Нефтегазовая промышленность — трубы для нефте- и газопроводов, оборудование для бурения, добычи и переработки.
• Энергетика — детали паровых и газовых турбин, котлов, реакторов атомных электростанций.
• Строительство — арматура, металлоконструкции, мосты, краны.
• Инструментальная промышленность — режущий, штамповый, измерительный инструмент.
• Химическая и пищевая промышленность — оборудование, работающее в агрессивных средах.
• Медицина — хирургические инструменты, имплантаты (нержавеющие стали).

Маркировка

В России маркировка легированных сталей регламентируется ГОСТ 4543-2016, ГОСТ 5632-2014 и другими стандартами. Обозначение состоит из букв и цифр:

• Первые цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента (для конструкционных сталей) или в десятых долях процента (для инструментальных).
• Буквы обозначают легирующие элементы: Х — хром, Н — никель, М — молибден, В — вольфрам, Ф — ванадий, Т — титан, Г — марганец, С — кремний, Ю — алюминий, Д — медь, К — кобальт, Р — бор, А — азот (в конце марки — высококачественная сталь).
• Цифры после букв указывают среднее содержание элемента в процентах (если цифра отсутствует, содержание элемента не превышает 1,5 %).

Примеры: 40Х — сталь с 0,40 % углерода и до 1,5 % хрома; 12Х18Н10Т — сталь с 0,12 % углерода, 18 % хрома, 10 % никеля и титана; Р6М5 — быстрорежущая сталь с 6 % вольфрама и 5 % молибдена.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Высокая прочность, твёрдость и износостойкость.
• Возможность получения широкого спектра свойств за счёт варьирования состава и термической обработки.
• Коррозионная стойкость, жаропрочность, хладостойкость.
• Долговечность и надёжность в эксплуатации.

Недостатки

• Более высокая стоимость по сравнению с углеродистыми сталями из-за дороговизны легирующих элементов и сложности производства.
• Пониженная свариваемость у некоторых марок (требуется предварительный подогрев и последующая термообработка).
• Склонность к отпускной хрупкости у некоторых легированных сталей (например, хромоникелевых).
• Трудности механической обработки из-за высокой твёрдости.

Интересные факты

• Сталь Гадфильда (110Г13Л), содержащая 13 % марганца, обладает уникальной способностью упрочняться при ударных нагрузках, что делает её незаменимой для изготовления траков гусеничных машин, ковшей экскаваторов и броневых плит.
• Нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, разработанная в СССР в 1930-х годах, до сих пор широко применяется в пищевой и химической промышленности благодаря своей коррозионной стойкости и технологичности.
• Быстрорежущие стали (например, Р6М5) способны сохранять твёрдость при нагреве до 600—650 °C, что позволяет использовать их для резания металлов на высоких скоростях.

Источники

• ГОСТ 4543-2016 «Прокат из конструкционной легированной стали. Технические условия».
• ГОСТ 5632-2014 «Стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки».
• Гуляев А. П. «Металловедение». — М.: Металлургия, 1986.
• Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. «Материаловедение». — М.: Машиностроение, 1990.
• Колачев Б. А., Ливанов В. А., Елагин В. И. «Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов». — М.: Металлургия, 1981.