Легированная сталь — описание, маркировка, состав и где применяется

Что такое легированная сталь

Что же такое за чудо, эти легированные стали? В чем их отличие? Это углеродистые стали, для повышения характеристик которых используются легирующие компоненты. Степень легирования может быть разной, но даже при небольших добавлениях, качественные характеристики материала повышаются в разы.

Производство

Легирование стали осуществляется двумя способами по специальным правилам.

Главный метод – металлургический. При нем в расплавленные металлы добавляют определенное число добавок. После этого устанавливаются дополнительные параметры, после чего химические реакции проводится в ускоренном режиме.

Дополнительный вариант для легирования – добавки наносятся поверхностным слоем, чтобы началось взаимное проникновение элементов.

Химический состав

В составе легирующих элементов присутствуют постоянные добавки. Они есть в каждом сплаве. Кроме того, существуют и необязательные ингредиенты для легирования. К основным компонентам относятся:

• Железо. Главная черта этого ковкого металла – его присутствие в глубинах земли. По степени добычи он находится на втором месте вслед за алюминием. Он легко вступает в химические реакции, поэтому сплавлять его легко. Процент содержания железа может быть в диапазоне от 45 до 97-99 %., в зависимости от марки стали.
• Углерод. Считается одним из важнейших ингредиентов состава. Обычно элемент добавляют в размере от 0.1% до 1.4% от общей массы. Чем больше углерода, тем более прочен металл.
• Марганец. Полезный элемент, относящийся к основным. Если его количество меньше 1%, серьезный улучшений он не предаст. Внешне выглядит красиво – он серебристого цвета, поэтому металлические слитки от него имеют специфический оттенок. Главная польза в том, что он помогает удалять из материала кислород. В отдельных соединениях в соответствии с нормами гостов присутствует в количестве 11 – 14 % от общей массы. При этом сталь размагничивается, получается более ударопрочной и долго не изнашивается.
• Кремний – обязательный компонент состава, если в сплаве содержится свыше 0.8 %, обладает легирующими качествами. Как и марганец, он ликвидирует ненужный кислород. Повышает износоустойчивость, упругость, прочность материала при сильном нагревании.

Интересное: Виды и оборудование продольной резки металла

В числе добавок бывает и вредные компоненты. Специалисты стараются их вывести, но полностью убрать невозможно. К таковым относятся:

• Сера. Повышает вероятность появление трещин на нагретом металле.
• Фосфор. Увеличивает хрупкость материала.
• Кислород, азот и водород обладают свойствами «разрыхления» сплава.
• Окислы и нитриды увеличивают вероятность появления надрывов.

Еще одна группа элементов – случайные. Появляются в емкости с шихтами, то есть смесями изначальных компонентов, не обладают полезными качествами. Могут нести безвредный характер, но поскольку доля их содержания мала, практически не влияют на структуру. К таким относят:

• Медь;
• Цинк;
• Свинец;
• Хром;
• Никель.

К последней группе относят специальные элементы. Их применяют с целью улучшения некоторых свойств металла. Они придают сплаву упрочнение. Эти элементы вводятся дополнительно для повышения определенных характеристик. К ним относятся:

• Титан;
• Ванадий;
• Молибден;
• Вольфрам;
• Некоторые другие.

Свойства и характеристики

Свойства и характеристики легированных сталей очень разнообразны. Они зависят от добавок, применяющихся как легирующие при изготовлении некоторых типов стали.

В зависимости от количества примесей материал получает следующие свойства:

• Прочность. Эта характеристика повышается при добавлении в сплав хрома, титана, некоторых других компонентов.
• Неподверженность коррозии. Увеличивается после добавления хрома и молибдена.
• Твердость. Повышается после появления в составе металла марганца, хрома, иных компонентов.

Важно: Чтобы сплав стал прочнее и устойчивее к влияниям окружающей среды, в составе должен содержаться хром в количестве не меньше 12 %.

Сталь не должна менять характеристики при нагревании до 600 C°.

Примеры

Чтобы научиться расшифровывать обозначения, необходимо рассмотреть несколько вариантов маркировки:

1. У8ГА — содержит 0,8% углерода.
2. Ст3сп5 — конструкционный металл, который не является легированным. Часто применяется для изготовления металлоконструкций.
3. 30ХГСА — содержит до 0,3% углерода. Дополнительные компоненты — кремний, марганец, хром. Буква А указывает на высокое качество материала.
4. Р6М5Ф2К8 — быстрорежущая сталь. В составе содержится около 8% кобальта, 5% молибдена, 2% ванадия.
5. ХВГ — состоит из марганца, хрома, вольфрама, количество которых не превышает 1%.

Классификация легированных сталей

Выделяется следующая классификация типов легированных сталей.

По качеству

В зависимости от качества, легированные стали разделяются на виды:

• Конструкционные;
• Инструментальные;
• Имеющие особые физические свойства.

Полезно: Конструкционная и инструментальная легированная сталь применяется в сферах, требующих высокой прочности. Типы металла с особыми свойствами являются коррозионно-устойчивыми, они стойкие к экстремальным температурным значениям и агрессивной химической среде. К таким материалам относится нержавейка.

По количеству добавок

Различают три главных типа легированной стали, имеющей нержавеющий характер.

1. Низколегированный. В такой стали присутствует 2.5 % легирующих добавок.
2. Среднелегированный. В нем имеется от 2.5 до 10 % легирующих элементов.
3. Высоколегированный. Сюда относят сталь, в которой число легирующих компонентов свыше 10 %. В отдельных разновидностях число таких элементов может достичь 50 %.

Интересное: Свойства и характеристики стали 40х

По назначению

По практическому назначению легированные стали бывают двух типов:

• Машиностроительные материалы — используются при изготовлении деталей разных механизмов, в конструкциях корпуса. Проходят особую температурную обработку.
• Строительные сплавы — обычно применяются при производстве сварных металлических конструкций, их редко подвергают обработке высокой температурой.

Свойства и виды сталей

Стали присущи такие свойства:

• Физические: теплоемкость, электро- и теплопроводность, расширение при нагревании.
• Механические: прочность, твердость, упругость, пластичность, вязкость, выносливость.
• Химические: жаропрочность, окалиностойкость, огнеупорность, сопротивление коррозии.

Чтобы существенно изменить свойства сплава, в сталь вводятся легирующие элементы – другие металлы и неметаллы. Такая технология была создана еще в 19 ст. Стали называются легированными, если доля каждого элемента составляет не менее 0,1%.

Маркировка легированных сталей

Точный состав каждого легируемого материала можно посмотреть в справочниках. Однако узнать подобные сведения можно, если понимать маркировку в легированной стали. Легирующие элементы можно опознать по буквенному обозначению. Кроме того, есть возможность сделать расшифровку по процентным показателям различных элементов в металле.

Важно: Маркировка обозначается буквой, которая показывает назначение сплава. Литеры обозначают следующие марки:

Ж, Х, Е — нержавеющие, хромистые, магнитные металлы.

Я — нержавеющий сплав хромоникилиевого типа.

Ш — сталь шарикоподшипниковой разновидности.

Р — режущий металл.

А, Ш — сталь с примесями, обладающая высоким качеством.

Расшифровка маркировки

Кроме того, в стали могут содержаться разные компоненты. Прилагаем таблицу, показывающую, как обозначаются различные металлы в сплавах:

Важно: если перед буквой указана цифра, это количество используемого кремния, при показании цифр после буквенной аббревиатуры, имеется в виду процент указанных веществ.

Расшифровка

Сталь маркируется по определенным правилам. Первые цифры указывают на содержание углерода. Например, 5 указывает на 0,05%. Если цифры в начале нет, количество углерода — до 1%.

Буквы, которые стоят за первыми цифрами, указывают на название дополнительных компонентов.

Существуют разные виды сталей, которые отличаются техническими характеристиками, свойствами. Они зависят от наличия дополнительных примесей, содержащихся в составе. Чтобы не путаться в многочисленных изделиях из разных видов материалов, используется специальная маркировка.

Применение легированной стали

Легированная сталь находит широкое применение в машиностроительной отрасли, производстве инструментов, стройматериалов.

Автомобильные детали производят из перлитных сплавов. К таким относится сталь низкой и средней степени легированности. После отжига структура металла позволяет обрабатывать материал режущими инструментами.

Сталь с незначительной легированностью используется в судостроении, поскольку материал позволяет снизить толщину применяемого сплава.

Металл с хромовой примесью применяют для выплавки изделий, не подверженных воздействию молочной, уксусной кислот, при изготовлении деталей, работающих в среде высокого давления. Это могут быть шестерни коробки передач, поршневые пальцы и иные детали.

Интересно: Сталь с сильной легированностью применяется для создания деталей, имеющих устойчивость к коррозии. Подобные компоненты держат экстремальные температуры, могут служить при + 1100 C°.

Химический состав

Качество такого материала целиком зависит от количества углерода в ней, так как это один из главных компонентов ее состава. Также обязательно включение в его состав железа. Никель, хром, медь, ванадий и прочие компоненты добавляют с целью улучшить другие свойства сырья.

Теперь рассмотрим, как влияют легирующие элементы на свойства получаемой сырья:

• Хром, как и никель, несет ответственность за придание стойкости к ржавлению. С его помощью получают всем известную нержавейку, металл делается тверже и прочнее.
• Никель добавляет не только прочности, но и пластичности.
• Медь, помимо устойчивости к коррозии, способствует сопротивлению различным кислотам.
• Ванадий уплотняет структуру, делает мелкозернистой.
• Марганец несет ответственность за износостойкость.
• Вольфрам сохраняет твердость материала при воздействии высоких температур.
• Кремний придает металлу упругость, а также делает его магнитным.
• Присутствие алюминия добавляет полученному материалу жаростойкости.

Как изменяется структура при добавлении различных примесей? В результате их введения кристаллическая решетка разрушается по причине отличий в форме электронов и атомных величин. Поэтому характеристики легированной стали могут колебаться из-за изменения процентного соотношения элементов в ее составе. Твердость, прочность и пластичность сплав получает после термообработки.

Внешний вид легированной стали

По химическому составу такой металл обычно отличается. Поэтому классификация будет следующей:

1. Низколегированный – процент легированных добавок не более 2,5.
2. Среднелегированный – примеси составляют не более 2,5-10 %.
3. Высоколегированный – примесей может быть больше 10% и расти до 50.

По классификации деление идет на: коррозионно-устойчивую сталь и жаростойкую (выдерживает выше 1000 градусов).

Согласно химическому распаду выделяются:

• окалиноустойчивая (при 550 градусах);
• жароустойчивая.

Известны два основных типа: легированные и углеродистые. Посмотрим, какие у них отличия.

Углеродистая сталь – сплав, содержащий совместно с железом и углеродом еще кремний и марганец. Сера и фосфор, тоже имеющиеся в ее составе, относятся к негативно влияющим добавкам, ведь из-за них ухудшаются ее механические свойства.

Сталь бывает низко-, средне- и высокоуглеродистой. Чем большая часть углерода в таких сплавах, тем меньше их пластичность, но зато и тверже получается итоговый материал.

Углеродистая сталь – сплав железа с углеродом до 2%. В него также добавляют кремний, серу и фосфор. Однако, главным компонентом все же является углерод. Количество в процентах этих элементов приблизительно такое: железа до 99,0%, марганца – 03-0,8, серы до 0,06 и кремния до 0,15-0,35.

Главные минусы углеродистой стали:

• если у нее хорошая прочность и твердость, то недостает пластичности;
• утрачивается твердость и режущая способность при нагреве до 200 градусов, а при более высоких температурах теряется и прочность;
• невысокая устойчивость от ржавления при погружении в электролит, в агрессивных средах и т. д.;
• повышенный коэффициент теплового расширения;
• утяжеление готовой продукции;
• возрастание стоимости конечного продукта;
• трудности при проектировании из-за низкой прочности такой стали.

Легированная – сталь, которая наряду с обычными добавками содержит легированные элементы, значительно повышающие ее качества. Это вольфрам, молибден, никель и др. И еще марганец и кремний в значительных количествах. Примеси добавляются во время плавления. Такой металл отличается своими ценными качествами, которые отсутствуют у углеродистой стали, и лишен ее недостатков.

Сварка сплавов

Легированные сплавы гибкие, из них делают сложные механизмы путем сварки. Благодаря разному содержанию примесей, каждый тип легированных сплавов обладает своей спецификой.

Интересное: При какой температуре плавится свинец

Низколегированных

Эти металлы часто подвергаются закаливанию, они хорошо свариваются, но их швы плохо переносят чрезмерное напряжение. Необходимо предварительно подогреть сплав и медленно его охладить, чтобы не образовались холодные трещины.

Среднелегированных

Легированные стали данного типа получаются надежными при применении компонентов из вольфрама, молибдена, ванадия. Необходимо подобрать электроды с этими же веществами, но не такой концентрации. Сплав требует защиты от перегрева, окислительных процессов, водородной болезни.

Классификация по назначению

Выше уже были приведена классификация видов сталей по назначению. Маркировка конструкционных сталей включает в себя такие обозначения:

• Строительная – обозначается буквой С и цифрами, характеризующими предел текучести.
• Подшипниковая – обозначается буквой Ш. Далее идет обозначение и содержание легирующих добавок, в основном, хрома.
• Инструментальная нелегированная – обозначается буквой У и содержанием углерода в десятых долях процента.
• Быстрорежущая – обозначается буквой Р и символами легирующих компонентов.
• Нелегированная конструкционная сталь имеет в обозначении символы Сп и число, показывающее содержание углерода в десятых или сотых долях процента.

Классификация стали по назначению

Остальные разновидности, в том числе и инструментальные марки из легированных сталей, не имеют специальных обозначений, кроме химического состава, поэтому расшифровку и назначение отдельных видов можно определить только по справочной литературе.

Мы проконсультируем вас по любым вопросам!

Любому специалисту, имеющему дело с металлом, знакомо понятие «марки стали». Расшифровка маркировки стальных сплавов дает возможность получить представление об их химическом составе и физических характеристиках. Разобраться в данной маркировке, несмотря на ее кажущуюся сложность, достаточно просто – важно только знать, по какому принципу она составляется.

Редкое производство обходится без стали, поэтому разбираться в его марках крайне важно

Обозначают сплав буквами и цифрами, по которым можно точно определить, какие химические элементы в нем содержатся и в каком количестве. Зная это, а также то, как каждый из таких элементов может влиять на готовый сплав, можно с высокой степенью вероятности определить, какие именно технические характеристики свойственны определенной марке стали.

Нежелательные примеси

Сера, содержащаяся в расплаве, преимущественно в виде FeS, приносит ему достаточно вреда. Этот элемент сообщает стали красноломкость – высокотемпературную хрупкость, проявляющуюся, например, при ковке. Он также повышает склонность к истираемости металла, снижает его сопротивляемость усталости, отрицательно влияет на коррозионную стойкость. Снизить негативное влияние серы позволяет добавление в легирующую композицию марганца, который связывает этот элемент. Также для нейтрализации серы в металл вводят лантан, цезий, неодим.

Еще одна значимая вредная примесь – фосфор. Он снижает вязкость стали при низких температурах – это свойство называется хладноломкость. Однако наличие в сплаве фосфора способствует лучшему отделению стружки, и это улучшает механическую обрабатываемость материала.

Азот и кислород присутствуют в металле обычно в химически связанном виде и попадают в сталь в составе руды, топлива или добавляемого в шихту раскислителя. Их наличие уменьшает вязкость и пластичность металла, они способствуют образованию в сплаве непрочных образований – оксидов, нитридов, которые становятся в металлическом массиве концентраторами напряжений и серьезно ухудшают выносливость и вязкость материала, делают его податливым хрупкому разрушению. Азот, кроме того, может привести к деформационному старению стали.

Очень нежелательной примесью является водород. Результат его наличия в металле в количествах, превышающих допустимые:

• хрупкость стали;
• образование флокенов – дефектов в виде круглых или овальных серебристо-белых трещин;
• снижение вязкости;
• ухудшение или полная потеря пластичности.

Правильно составленная легирующая композиция, контроль качества выплавляемой легированной стали на всех этапах ее производства позволяет свести отрицательное влияние вредных примесей к минимуму.

Обозначения по типам

Конструкционная сталь обыкновенного качества и не содержащяя легирующих элементов по требованиям ГОСТ 380-94 обозначается буквами «Ст» и зависимо от состава цифрами от 0 до 6. Металл более высокого качества получает меньший номер. Буквой «Г» отмечается высокая доля Mn в металле. Перед собственно маркой указывается группа металла.

Чем больше наличие углерода в металле и прочность стали, тем больше указанная цифра. Для указания подкатегории стали к знаку марки прибавляется номер в конце определённой категории, первая из них, как правило, не указана После указания вида и номера марки прописана степень раскисления. Например, Ст1кп2 означает:

• Ст – углеродистая обычного качества
• Марки – первой
• кп – кипящая
• 2 – вторая категория

Иногда маркировка бывает более длинной, например, химически стойкая легированная сталь 12Х18Н10Т. Расшифровка:

• 12 в начале обозначает содержание углерода – 0.12%. При отсутствии цифр подразумевается, что углерода больше 1%.
• Х18 – значит, что хрома в сплаве 18%
• Н10 – 10% никеля
• Т – это титан, отсутствие цифрового индекса означает массовую долю меньше 1%

Обозначения легирующих элементов

Для того чтобы по маркировке стали узнать качественный и количественный состав, для легирующих элементов используют буквенные обозначения. В основном, русские буквы соответствуют названиям элементов, хотя встречаются исключения, поскольку есть элементы, которые начинаются с одинаковых букв. Таблица легирующих элементов выглядит следующим образом.

Обозначение легирующих элементов в сталях

Как видно из таблицы, в ней присутствуют два неметалла – кремний и азот, а углерода нет. Наличие углерода подразумевается в составе любой стали, поэтому в обозначении указывается лишь его содержание