Все о легированных сталях

Знать все о легированных сталях, о том, что это такое, и чем они отличаются от углеродистых сталей, крайне важно для любого толкового инженера и для организации производства, вообще. Внимание стоит уделить маркам и маркировке, влиянию легирующих элементов на свойства стали. А также надо разобраться с тем, какая при легировании стали появляется классификация.

Вводить в сплавы металлов различные добавки пытались уже в древности. Но только при должном развитии металлургии получилось то, что ныне называют легированными сталями. В зависимости от поступления отдельных компонентов продукция будет иметь различный уровень пластических характеристик, хрупкости и прочности. Их научились изменять в несколько раз, приспосабливая тем самым за счет влияния элементов на свойства конкретные марки сплавов к основным областям применения. Специальные компоненты при легировании добавляют двумя различными способами.

Поверхностное улучшение подразумевает, что легирующие вещества вводятся посредством диффузионного либо прочего напыления, и оказываются лишь в верхнем слое металла. Надо учитывать, что легированные сплавы, при всех своих достоинствах, обрабатываются механически гораздо хуже, чем обычная сталь. Эта проблема давно обнаружилась, основательно исследована материаловедами, и найдены уже оптимальные пути ее решения.

Доля железа в составе стали обычно составляет 97-99%. В ряде случаев она окажется меньше, но сокращение более чем до 45% не допускается. Доля углерода преимущественно составляет от 0,1 до 1,4%, редко больше или меньше.

При высоком содержании марганца можно получить даже сплав Гадфильда, который не имеет магнитных свойств, зато очень стоек к ударам и механическому износу. Кремния добавляют обычно 0,8% и больше, потому что этот компонент:

• помогает, опять же, раскислять сплав;

• наращивает его стойкость;

• увеличивает жаропрочность и ряд иных ценных свойств.

Необходимо учитывать, что сталь содержит не только те вещества, которые улучшают ее свойства. Так, из-за присутствия серы увеличивается риск растрескивания прогретых заготовок. Фосфор, обычно присутствующий вместе с серой, увеличивает хрупкость. Под влиянием азота, кислорода и водорода структура становится рыхлее. Из-за окислов и нитридов вероятно появление надрывов.

В отдельный разряд выделяют так называемые случайные примеси. Они обычно безвредны и проникают в сталь из шихт. Некоторые случайные примеси приносят вред, но их содержится настолько мало, что этим можно пренебречь. Речь идет про цинк, медь, свинец.

Хромистые стали отличаются высокой твердостью. Она же свойственна и марганцевым сплавам — при этом такая твердость достигается после грамотной обработки и без потери пластических свойств. Износоустойчивость марганцевых сталей давно подтверждена на практике. Встречаются также:

• хромоникелевые;

• хромомарганцевые;

• хромокремнистые;

• хромомолибденовые;

• хромованадиевые сплавы.

Углеродистые стали в отличие от легированных не содержат титана, молибдена, вольфрама. Они являются универсальным промышленным материалом и не предназначаются для узкоспециального применения. Технические и практические свойства у углеродистых сплавов хуже. Они проигрывают по стойкости к нагреву и по твердости. Однако эти материалы оказываются дешевле, и во второстепенных по требованиям сферах их использование более оправдано.

Речь идет о том, что все сплавы имеют суммарное количество улучшающих компонентов. По этому признаку выделяют:

• низколегированные металлы (максимум 2,5%);

• среднелегированные (до 10%);

• высоколегированные (разброс от 10% до половины всего состава).

Говоря про особенности видов стали по содержанию улучшающих компонентов, надо указать сразу, что низколегированный металл в основном отличается улучшенной прокаливаемостью. Это означает, что в дальнейшем путем термообработки проще будет добиться необходимых иных свойств. Среднелегированные сплавы выделяются прежде всего высокой механической выносливостью.

Высоколегированные стали имеют узкоспециальное применение. Некоторые из них могут отлично переносить воздействие агрессивной среды. Востребованы аустенитные соединения. Высоколегированный металл может быть рассчитан и на условия повышенной коррозионной активности. Значительное содержание специальных компонентов резко увеличивает сложности обработки, но дополнительные практические возможности того стоят.

По этому показателю также классифицируются любые виды сплавов. Доэвтектоидным считается металл, где есть избыток феррита. Он отличается повышенной пластичностью. Отмечают оптимальное соотношение прочности и способности переживать нагрузки. Влияя на дисперсность феррита, металлурги регулируют свойства готового продукта.

Перлитной структурой обладают эвтектоидные стали. Соответствующее превращение происходит при условии постоянной температуры и стабильном же составе фаз. Доля третичного цементита не превышает 0,3%, потому его можно не учитывать.

Ледебуритный тип стали подразумевает присутствие в структуре первичных карбидов. Это высокоуглеродистые высоколегированные соединения. Структурно стальной ледебурит неотличим от ледебурита в составе белого чугуна. Однако отличия по свойствам несомненны. Ковка довольно сильно затрудняется, но она вполне возможна.

Микроструктура и состав, а также обусловленные ими характеристики, прямо влияют на практическое применение металлургического продукта. Выделяют:

• машиностроительные;

• общестроительные;

• жаропрочные;

• мостостроительные;

• судостроительные;

• массовые;

• упрочняемые прокаткой;

• быстрорежущие и некоторые другие виды стали.

Основные марки и ключевые правила обозначения легированного металла заданы в ГОСТ 4543. Зная базовые принципы, легко произвести расшифровку любой маркировки.

Цифры после отдельных букв говорят о концентрации вещества, а если менее 1%, то цифровой элемент пропускают. Востребованностью пользуются:

• 50ХГ;

• 70С3А;

• 50ХФА;

• 60С2А;

• 20Х;

• 45Г2;

• 40ХФА;

• 35ХМ.

Если обозначение начинается с Х, Ж либо Е, это означает соответственно хромистую, жаропрочную или не склонную ржаветь сталь. Особо добротный металл в конце названия имеет не А, а Ш. Могут также встречаться буква Н, то есть нагартованный прокат, и ТО, что говорит о термообработке при прокатке. Не стоит путать ее с буквой Н, обозначающей никель. Другие индексы:

• Д — медь;

• П — фосфор;

• Р — бор;

• Ю — алюминий;

• Ф — ванадий;

• С — кремний;

• Б — ниобий;

• Г — марганец.

Обозначение прочих элементов — по первой букве русского названия. Таковы:

• кобальт;

• титан;

• азот;

• молибден;

• никель;

• цирконий;

• хром.

Высокие качества легированной стали и ее разнообразие позволяют говорить, что она используется в самых разных сферах. Такой металл хорош для производства промышленных установок и хирургических инструментов.

Дополнительные области использования:

• автомобилестроение;

• транспортное машиностроение;

• тяжелое машиностроение;

• получение различных труб;

• кулачковые муфты и плунжеры;

• поршневые пальцы и червячные валы;

• пружины для часовых механизмов и измерительной аппаратуры.

Температура плавления разных марок легированной стали варьируется от 1400 до 1800 градусов. Потому необходимо подбирать режим сваривания индивидуально. Низколегированный металл подвержен появлению холодных трещин. Недопустимо поэтому быстро остужать толстый металл, а также варить его там, где гуляет ветер. Повышенная пластичность легированных сплавов позволяет сравнительно быстро получать сложные конструкции при сварке.

Электроды для сваривания улучшенной стали должны иметь основное либо рутилово-основное покрытие. Величину тока подбирают под конкретный вид электродов. Учитывают также вид сплава и толщину обрабатываемой конструкции. Ошибки приведут к низкому качеству шва и потере прочности изделия.

Среднелегированные марки стали варят, применяя материалы с несколько меньшей концентрацией добавок. При толщине листов не более 0,5 см может практиковаться аргонодуговая сварка. Газосварочные работы ведут при помощи ацетилен-кислородного сочетания. Сложнее обстоит дело со сваркой высоколегированных сплавов. В этом случае надо добиваться как можно меньшего теплового захвата материала.

Такой момент связан с тем, что важно уменьшить опасность коробления материала. Для самой работы берут электроды, покрытые фтористокальциевой смесью. Подобный подход гарантирует механическую и химическую стабильность сварочного шва. Газосварочные работы по высоколегированной стали проводятся крайне редко.

Низколегированные сплавы рекомендуется варить с применением вертикальных, потолочных швов. Нецелесообразно применение сварочных стержней диаметром менее 0,4 см. Уменьшение темпа потери температуры достигается за счет бортовых либо стыковых швов. Заготовки толщиной до 0,6 см включительно варят в один проход. Максимально пластичный шов появляется при использовании электродов марки Э42А.

Если же в составе стали есть марганец, никель, то она должна проходить эти процедуры при той же температуре, что и углеродистый металл. Оценивать температуру надо с учетом особенностей роста аустенитных зерен. Время термообработки легированного материала больше, чем углеродистого продукта. Это связано с более низким уровнем теплопроводности, а также с необходимостью растворить легированные карбиды в аустените.

Термическая обработка легированных сталей также имеет особенности. Прогревать их надо медленнее, чем углеродистый металл. Максимальную осторожность стоит проявлять при наличии в составе сплава вольфрама. Температуру подбирают с учетом критических точек стали. Хромистые, ванадиевый, кремнистые и вольфрамовые стали нуждаются в повышенных температурах:

• отжига;

• нормализации;

• закаливания.

С практической точки зрения это означает, что подавляющее большинство легируемых металлов закаляют на мартенсит в масле. При высоком уровне оптимизирующих включений допускается иногда даже воздушное закаливание. Быстрорежущие стали закаляют практически при температуре плавления, чтобы полнее растворить карбиды в аустените. Избежать окисления и обезуглероживания помогает обработка в соляной ванне, а растрескивание исключают за счет предварительного нагрева до 900-950 градусов.

Такой подогрев ведут в камерных либо шахтных печах. Окончательный прогрев выполняют в электродной печи-ванне. Такую процедуру ведут при 1280-1310 градусах. Длительность выдержки при целевой температуре определяется сечением инструмента, но она не превышает долей минуты.

​​​​​Даже закаленный быстрорежущий металл может содержать десятки процентов остатка аустенита, потому он недостаточно тверд. Решение этой проблемы — или многократный отпуск, или разовое остужение заготовок до — 80 градусов с дальнейшим отпуском. Отпускают металл при 540-550 градусах, что связано с повышенной красностойкостью мартенсита и стойкостью аустенита. Сверла закаливают и подвергают низкому отпуску, наращивая твердость и сопротивляемость износу.