Легированная сталь способ получения

Легирование стали: в чем заключается цель, процесс, способы

В зависимости от назначения материала и специфических условий эксплуатации, бывают разные способы изготовления стальных элементов. В статье расскажем, в чем заключается процесс легирования металлов и сталей, с какой целью проводят, что используют для процедуры.

Интересно, что легированные инструменты для резки были созданы еще в 19 веке ученым Мюшеттом вместе с созданием металлорежущих станков. А Роберт Гадфильд уже в 20 веке поставил изготовление на промышленные рельсы, теперь такой состав применяется повсеместно. При этом марка, разработанная в то время, практически не потерпела изменений в рецептуре. Делаются только небольшие изменения, которые подготовлены специально для особых назначений, например, устойчивость к экстремально низким или высоким температурам.

Легированная сталь – это сплав, который содержит большое количество примесей, увеличивающих прочность, пластичность, коррозионную устойчивость и прочие свойства. Она активно применяется для изготовления инструментов и полупроводников, поскольку учитываются не только механические характеристики, но и токопроводящие.

Важно при создании не только то, какие вещества добавляются в качестве примесей (алюминий, никель, хром и др), но и технология производства. В зависимости от преобладающей легирующей добавки марки имеют названия – хромистая сталь, хромоникелевая, хромованадиевая и пр. Использование стальных конструкций и деталей происходит практически во всех производственных сферах – от обычного бытового строительства до нефтяной и металлургической отраслей.

Процесс и основы легирования сталей

Различают два основных способа:

Поверхностное. В такой ситуации добавки легируется исключительно верхний слой – его ширина зависит от многих факторов, в том числе от требуемых характеристик. В среднем толщина не превышает 1-2 мм. Так на поверхности образуется пленка, которая обладает необходимыми свойствами, например, антифрикционными. Такой вариант является относительно недорогим, но качественным (лучше, чем, например, напыление). Его используют не только для металлов, но и для работы с керамическими и стеклянными изделиями.

Объемное. Оно предполагает введение дополнительных веществ непосредственно в весь объем сплава. Процесс может быть осуществлен на различных стадиях выплавки с добавлением различных элементов – как металлов, так и не металлических, наиболее распространенным из которых является фосфор.

Изменения происходят на микроструктурном уровне. Они, в свою очередь, изменяют физико-химические особенности всего стального элемента.

Отдельно стоит рассказать про легирование полупроводников. Оно проводится с помощью таких способов как:

термодиффузия – используется разность температур для диффузионного процесса;

нейтронно-трансмутационный процесс – активно применяется для кремния, полупроводников;

ионная имплантация – в поверхностный слой бомбардируются пучки ионов.

Таким образом, вне зависимости от того, что используется (ядерные реакции, тепло или энергия ионов), есть несколько стадий процесса – подготовительная, нанесение слоя из различных прибавок, а также финишная, которая состоит в дополнительном воздействии.

Свойства и назначение: с какой целью осуществляется легирование сталей

С развитием промышленности активно увеличивается количество необходимых разновидностей металлических составов. В зависимости от того, какие свойства необходимо получить, могут быть добавлены разные элементы – хром, кремний, медь и пр. Насколько различные имеют свойства эти вещества, настолько и разнообразны полученные эффекты. Очень важно при этом достигнуть необходимых пропорций. Именно по этому свойству все сплавы классифицируются – по базовой примеси, а те компоненты, которые находятся в наименьшем количестве, называются вторичными ингредиентами.

Железо, которое берется за основу, на самом деле не очень прочное. Оно нуждается в обработке и улучшении. самый стандартный, привычный способ – это добавка углерода во время нагрева с последующим быстрым охлаждением. И в зависимости от того, какое процентное соотношение этого вещества (от 0,1 до 1,15 процента от состава, можно различать мягкую, полумягкую, полутвердую и твердую сталь.

Риски при легировании

К сожалению, любые химические добавки при определенных условиях могут быть не столько полезными, сколько воздействовать негативно. Так, например, один компонент, который увеличивает твердость одновременно может повысить хрупкость. Есть еще несколько угроз, вот они:

большинство ферросплавов изготавливается в очень мелких частицах, фактически это металлическая пыль, которая является взрывоопасной – пожар, токсичность, взрывы, это все может привести к повышенным рискам;

пары, которые могут образовываться во время производственных процессов, негативно воздействуют на здоровье – мельчайшие частицы пыли могут оседать на легких;

если в сплав добавлено олово в сочетании со свинцом, то нужно быть особенно осторожным при нагреве, поскольку состав является токсичным при воздействии высоких температур.

Практическое применение: что дает легирование стали

Получаемых характеристик настолько много, что все это зависит от конкретного случая. Мы приведем несколько конкретных ситуаций:

Повышение твердости. Это необходимо особенно для базовых металлических конструкций, чтобы они могли выдерживать очень высокие, особенно статичные нагрузки. Для этого зачастую добавляют платину.

Ферромагнитные свойства. Чтобы добиться того, чтобы железо потеряло свои магнитные качества, необходимо, чтобы сплав содержал кобальт.

Чтобы серебро не тускнело, а также не подвергалось коррозии, можно прибавить родий. Он может также быть дополнен палладием или платиной, чтобы увеличить его прочность.

Использование меди в качестве легирующей добавки – повышение коррозионной стойкости. Второе применение – для серебряных изделий, поскольку серебро само по себе слишком мягкое.

Повышение твердости и прочности без изменения уровня пластичности. Возможно, когда ионы кристаллической решетки железа замещаются атомами легирующего элемента.

Растворение в составе определенных неметаллов приводит к тому, что они буквально вытесняют вредные примеси, существенно влияющие на качества изделий.

Изменение зернистости сплава. Это может стать причиной увеличения пластичности, небольшой анизотропности после прокатки.

Это неполный перечень ситуаций, во время которых применяется данная процедура.

Назначение и применение очень разнообразно. Одним из основных можно отметить – изготовление инструмента для металлообработки. В зависимости от использования все способы легирования сталей делятся на три вида – это конструкционная, инструментальная и особого назначения.

Черные сплавы

Это металлы, которые имеют в основе железо. Распространенным вариантом является чугун, который из-за большого содержания углерода не только очень прочный, но и хрупкий. Вся эта категория имеет не самые высокие механические свойства (кроме отборной стали), но из-за своей невысокой стоимости, а также из-за достаточно простого изготовления путем отлива все черносплавные материалы обладают очень большим производством.

Цветные сплавы

Это составы, в основе которых все остальные металлы, кроме железа. Все они подразделяются на легкие и тяжелые. Первые имеют невысокую плотность до 5 мг на кубический сантиметр. Они основываются на магние, титане и алюминие. Вторые, напротив, более плотные (от 5 мг/см3 и выше), они основываются на меди и цинке. В них входят бронзы – оловянные и безоловянные – и латуни. Практически все из перечисленных материалов имеют следующие характеристики:

устойчивость к коррозии, что позволяет использовать сплав даже в условиях повышенной влажности и при постоянном контакте с кислородом;

высокая теплопроводность и электропроводность – именно это позволяет использовать вещество при изготовлении электрических деталей, элементов, контактов, проводов;

малая плотность и, как следствие, вес;

простой и отлаженный процесс изготовления.

Нержавеющая сталь

Всем известная нержавейка также относится к легированным сталям. Она является настолько универсальной, что применяется буквально повсеместно – от изготовления обычной посуды для бытового использования до специфических отраслей металлургии. Основная особенность состава, которая лежит и в его названии, это устойчивость к коррозии. Но, кроме этого, есть еще несколько особых характеристик:

Эстетичный внешний вид. Так как можно использовать легирование стали с различной сущностью технологических процессов, то и получить можно поверхность качественно различных характеристик. Это может быть глянцевый блеск или матовое отражение, нанесенная гравировка. На верхний слой очень легко нанести узор, а также произвести окрашивание. Все это позволяет использовать материал не только в производственных целях, но и при декоративной отделке помещений, при создании мебели.

Отличные механические свойства. Высокая прочность, износостойкость, неподверженность сильным температурным перепадам, эластичность, ударопрочность – все это делает изделия применимыми в большой сфере производства. Особенно стоит отметить то, что при низких температурах (мороз) не увеличивается хрупкость,поэтому можно работать с нержавейкой даже зимой.

Огнеупорность. Это качество обнаруживается из-за высокой температуры плавления – до 800 градусов. Поэтому даже при постоянном контакте с огнем не выделяется токсичных испарений, а также не происходит деформаций.

Устойчивость к коррозии. Как мы отметили, одно из основных свойств. Оно достигается тем, что в сплаве находится хром в достаточно большом количестве – от 10,5%. Он вступает в химическую реакцию с кислородом и приводит к образованию оксидной пленки. Именно этот оксид и является защитой от ржавления.

Есть и некоторые недостатки. Так, например, достаточно сложно обрабатывать нержавейку. Многие отмечают сложности при образовании сварного шва.

Классификация легированных сталей

Есть три степени легирования, согласно которым меняется процентное содержание добавочных веществ. Отсюда материал может быть:

низколегированным – до 2,5% примесей в составе;

среднелегированным – до 10%;

высоколегированным – до 50% добавок.

Различается также молекулярная структура, согласно ей все сплавы классифицируют на:

мартенситные – с полностью такой зернистостью;

аустенитные, а также различные виды комбинированных сталей.

Наиболее часто в качестве примеси используется углерод, он отвечает за повышенную прочность и стойкость к ударам. В связи с этим классифицируют сплавы:

низкоуглеродистые – до 0,25% содержания;

среднеуглеродистые – до 0,65%;

высокоуглеродистые – более 0,65%.

Структура также подразумевает деление на следующие классы:

доэвтектоидные – в сплаве есть участки феррита;

эвтектоидные – в основе перлит;

ледебуритные или заэвтектоидные – с первичными/вторичными карбидами.

Также мы уже отмечали, что по назначению все делятся на:

конструкционные – они, в свою очередь, подразделяются на строительные и машиностроительные;

инструментальные – для создания инструментов металлообработки;

с особыми свойствами, в том числе устойчивые к температурным перепадам, огнестойкие и другие.

жаропрочные – в них добавляют хром, ванадий, молибден, они используются в сфере энергетики, а также для других отраслей с высокими температурными показателями;

улучшаемые – их дополнительно подвергают термообработке, обычно закалке, они отличаются повышенной прочностью и чувствительностью к концентрации напряжения;

цементуемые – они сперва проходят цементацию, а уже после этого закалку, отлично подходят для производства шестерен, валов и прочих элементов, для которых важна износостойкость;

быстрорежущие – очень большая твердость и красностойкость до высокой температурной границы;

нержавеющие – имеют покрытие из оксидной пленки, предотвращающее ржавление;

с улучшенными магнитными или электрическими качествами.

Если более подробно классифицировать легированные стали строительного назначения, то различают:

массовые – применяются фактически всюду;

судостроительные – очень устойчивы ко хрупкому разрушению;

для горячего водоснабжения и пара – относится к жаропрочным;

низкоопущенные – активно используются в самолетостроении и пр.

Кроме того, все сплавы можно классифицировать по основной примеси, а также делить на двухкомпонентные, трехкомпонентные и так далее по конкретной рецептуре.

Маркировка легированных сталей

Так как данный класс материалов очень обширен, то возникла необходимость в обозначении отдельных элементов. К сожалению, нет единых во всем мире правил по тому, как ставить клеймо. Мы будем перечислять правила, характерные для российского производства.

В основе маркировке – цифры и буквы. Литеры могут означать особые свойства или принадлежность к узкому классу, но наиболее часто они отвечают за компонент, который находится в составе:

Источник

Легирование стали

Что такое легированная сталь?

Физические свойства, такие как прочность, пластичность, хрупкость, могут быть увеличены или уменьшены в несколько раз. Изменение кристаллической решетки материалов активно применяют в металлургии, а также при производстве многочисленных деталей и корпусов для автомобильного, машинного, станочного и прочего производства, а также для создания строительных конструкций и инструментов. Сфера применения настолько велика, что сплав начали изготавливать большими партиями, он постепенно вытесняет долю изготавливаемого железа и обычных стальных веществ.

Исходя из приведенной информации, легирование стали – это металлургический процесс выплавки, в ходе которого в состав добавляются материалы примесей. При этом есть два вида операции:

• Объемный – когда компоненты попадают в глубинную структуру. В расплав или шихту внедряются хром, никель и пр.
• Поверхностный – в ходе него происходит диффузионное или иное напыление, то есть покрывается только верхний слой.

Процесс начал использоваться относительно недавно. Впервые эксперименты начали проводить в 1882 году. И с первого же образца исследователи обнаружили, что вместе с улучшением физических свойств значительно снижается степень обрабатываемости. Простыми словами, с материалом просто стало сложно работать. Безусловно, к настоящему времени все дополнительные эффекты легирования изучены, поэтому составлены специальные ГОСТы для разных способов металлообработки.

Маркировка легированных сталей

В России и СНГ действует система обозначения марок, состоящая из букв и цифр.

Обозначения конструкционных легированных сплавов

Маркировка такой стали состоит из цифр и букв. Буквы – это основные легирующие добавки, цифры после каждой из букв показывают содержание обозначенного элемента, округлённого до целого числа (если содержание легирующего компонента – до 1,5%, то цифра за буквой не пишется). Содержание углерода в процентах, умноженное на 100, пишется в начале наименования стали.

Маркировка основных легирующих компонентов:

Элемент	Обозначение
Никель	Н
Кобальт	К
Молибден	М
Хром	Х
Марганец	Г
Бор	Р
Медь	Д
Цирконий	Ц
Фосфор	П
Кремний	С
Ниобий	Б
Вольфрам	В
Титан	Т
Азот	А (в середине наименования)
Ванадий	Ф
Алюминий	Ю
Редкоземельные металлы	Ч

Если сталь с ограничением содержанием серы S и фосфора P &lt,0,03% и является высококачественной, в конце маркировки указывают «А». Высококачественные стали, полученные электрошлаковым переплавом, имеют маркировку в конце наименования с буквой «Ш» через тире, например, 18ХГ-Ш.

Обозначения автоматных

В начале названия указывается буква «А». Если в качестве легирующей добавки идёт свинец, то маркировка будет начинаться с «АС». Для отображения других элементов, действует тот же порядок, что и для конструкционных легированных сталей.

Маркировка подшипниковых

Маркировка у них, как у легированных, только с «Ш» в начале. У стали, полученной электрошлаковым переплавом, добавляют «Ш» в окончании названия через тире. Например, ШХ8-Ш.

Обозначения инструментальных легированных

Маркируются аналогично конструкционным легированным сталям. Процентное содержание углерода указывается в начале маркировки, но отличается тем, что умножается не на 100, а на 10. Если содержание углерода менее 1%, то цифру в начале названия марки стали не указывают.

Маркировка быстрорежущих

Они маркируются в начале наименования буквой «Р» и цифрой, указывающей на содержание вольфрама в стали, затем следуют буквы и цифры других легирующих элементов.

Маркировка коррозионно-стойких

Коррозионно-стойкие (нержавеющие), жаростойкие и жаропрочные имеют в обозначении цифры и записываются так же, как маркировка конструкционных легированных сталей. У литейных добавляется «Л».

Легированные стали классификация и маркировка

Базовая сортировка низкоуглеродистого железа позволяет разделить его на две разновидности. Фактически, основная классификация легированных сталей ведется по способу их использования:

1. Конструкционные. Сталь, используемая при изготовлении деталей, узлов и конструкций.
2. Инструментальная. Металл характеризуется содержанием углерода на уровне 0.9 – 1.4%. Дополнительные легирующие элементы в сталях инструментальных: хром, ванадий, вольфрам, кремний, марганец и прочие. Суммарная концентрация примесей, исключая углерод, не превышает 5%. Используются в производстве инструмента ударного и режущего воздействия.

Классификация легированных сталей по назначению

Первый вопрос общего плана что значит легированная сталь? Уже получил ответ выше. Это разновидность низкоуглеродистого железа, имеющая внедрения других металлов для улучшения определенных параметров. Этот термин дает ответ и на следующий вопрос: для чего в сталь вводятся легирующие элементы? Таким образом, разобравшись, что такое легированная и нелегированная сталь можно перейти к рассмотрению двух базовых разновидностей этого металла.

Маркировка легированных сталей

Цементация в газовом карбюризаторе

Этот процесс осуществляют в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твёрдом карбюризаторе, поэтому её широко применяют на заводах, изготовляющих детали массовыми партиями.

В случае с газовой цементацией можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненных малотеплопроводным карбюризатором; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процессов, и значительно упрощается последующая термическая обработка деталей, так как закалку можно проводить непосредственно из цементационной печи.

Это интересно: Борирование стали — диффузионное и жидкостное, технологии, достоинства и недостатки

Инструментальные легированные стали

Инструментальные легированные стали

Данный вид низкоуглеродистого железа обладает иными приоритетным параметрами, сосредоточенными на высоких показателях твердости и износостойкости. Обе характеристики улучшаются с повышением концентрации углерода в металле.

Первоочередно вопрос, затрагивающий легированные стали – применение этого вида металла. Область использования, как указывалось ранее, соответствует названию категории. Подобная сталь – это материал для производства трех основных групп инструментов:

Первая категория объединяет резцы, фрезы, долбяки. К ней относится и класс быстрорежущей стали, отличающейся красностойкостью, а также сохранением режущих характеристик при нагреве до температуры 700 0С. Другая отличительная особенность быстрорежущей стали – скорость обработки металла, превышающая аналогичный параметр обычных инструментальных марок в пять раз. Маркировка быстрорежущих марок производится литерой «Р», где последующие цифры указывают процентное вхождение вольфрама.

Документ, описывающий инструментальные легированные стали – ГОСТ 5950 – 73. Данная разновидность обладает улучшенной теплостойкостью, диапазон значений данного параметра переносится в интервал 250 – 300 0С. Увеличение данной характеристики сказывается на скорости резания, повышая ее значение на 20 – 40%.

Рассматривая, как влияют легирующие элементы на свойства стали, остановимся на нескольких элементах.

Кремний, марка – 9ХС. Введение элемента в состав инструментальной стали повышает ее прокаливаемость до 40 мм. Дополнительный эффект связан с улучшением стойкости мартенсита при отпуске. Впрочем, элемент приносит и отрицательные нюансы в легируемый металл. Стали, содержащие кремний плохо поддаются резанию.

Изделия из легированной конструкционной стали

Марганец, марки – ХВГ, 9ХВСГ. Легирование этим металлом приводит к снижению деформации инструмента в процессе закалки. Наиболее эффективен данный тип легирования для протяжек – инструментов, обладающих большим соотношением длины к диаметру поперечного сечения.

Легированная сталь и изменение ее свойств

Легированная сталь, марки которой содержат в своей маркировке буквенные обозначения вводимых принудительно элементов, меняет свои свойства не только от этих сторонних веществ, но и также от их взаимного действия между собой.

Если рассматривать конкретно углерод, то по взаимодействию с ним легирующие элементы можно условно разделить на две большие группы:

• Элементы, которые формируют с углеродом химическое соединение (карбид) – молибден, хром, ванадий, вольфрам, марганец.
• Элементы, не создающие карбидов – кремний, алюминий, никель.

Стоит заметить, что стали, которые легируются карбидобразующими веществами, имеют очень высокую твёрдость и повышенное сопротивление износу.

Низколегированная сталь (марки: 20ХГС2, 09Г2, 12Г2СМФ, 12ХГН2МФБАЮ и другие). Особое место занимает сплав 13Х, который достаточно тверд для изготовления из него хирургического, гравировального, ювелирного оборудования, бритв.

Разница между легированием и примесями

Обычные легирующие добавки — это компоненты, которые вводят в металл в значительных количествах — более 0,10%. Они вызывают изменение кристаллической решётки железа, образуя растворы внедрения, повышают прочностные и других свойства железа (матрицы).

В качестве металлов для легирования используют:

• хром Cr,
• марганец Mn,
• никель Ni,
• алюминий Al,
• молибден Mo,
• кобальт Co,
• титан Ti,
• цирконий Zr,
• медь Cu и другие.

Их внедряют в сталь в разных количествах и сочетаниях.

Примеси

Существует деление вредных примесей на обычные и остаточные. К обычным вредным примесям относят те, содержание которых в металле можно уменьшить во время плавки – это фосфор, сера, кислород, азот, углерод, т. е., неметаллы.

Под остаточными вредными примесями принято понимать такие, содержание которых невозможно снизить во время плавки ни при окислительном рафинировании, ни при обычном легировании. Это характерно для химических элементов, имеющих растворимость в жидком железе. В производственной практике обычно встречающимися вредными остаточными примесями являются:

Инструментальные виды

Легированная инструментальная сталь предназначается для производства металлорежущего инструмента, эксплуатируемого при режимах с высокой скоростью резания и для изготовления штампового инструмента.

Быстрорежущие стали способны сохранять высокую твёрдость и износостойкость режущей кромки инструмента. В такую сталь добавляют молибден, ванадий, вольфрам, хром и кобальт.

Штамповые стали для холодной деформации с содержанием 1,0–2,0% углерода обладают износостойкостью и ударной вязкостью. Их легируют хромом до 12%, ванадием, вольфрамом, молибденом.

Штамповые стали для горячей деформации содержат углерод в пределах 0,3–0,5%, обладают высокой теплостойкостью, ударной вязкостью, сопротивлением термической усталости. В качестве добавок вводят вольфрам, молибден, ванадий.

Конструкционные легированные стали

Толстостенные трубы из конструкционной стали

Классификация этого вида низкоуглеродистого железа достаточно обширна. Среди параметров, определяющих сортировку конструкционной стали присутствуют:

форма и габариты;

процентная масса легирующих элементов;

химический состав и базовая примесь;

качество металла, его поверхности (две различные категории);

В частности, различают такие виды проката конструкционной легированной стали: круглый (марка 40х), квадратный, шестигранный, профильный под косые шайбы и полосы. Также, согласно ГОСТ 1113-88, конструкционная сталь производится в виде кованых прутков квадратного и круглого сечения. Обособленная разновидность этого вида легированного черного метала – сталь со специальной отделкой поверхности (ГОСТ 14955).

Разобраться какие стали называются легированными (конструкционный металл) поможет ГОСТ 4543-71. Соответственно этому документу изготовляется конструкционное низкоуглеродистое железо. Таким образом, вопрос “дайте определение легированных сталей”, сводится к ассортименту добавок, вводимых в металл для улучшения его характеристик. Это: азот, хром, кремний, бор, тугоплавкие металлы. Дополняют ряд никель, медь, алюминий и прочие цветные металлы.

Рассматривая конструкционные легирующие стали, следует обратить внимание на такой критерий, как общее содержание примесей. Он сортирует металл на три класса:. высоколегированный – доля добавок более 10%;

высоколегированный – доля добавок более 10%;

умеренный от 2.5 до 10%;

низкое содержание примесей – менее 2,5%.

Во всех случаях указывается массовый процент легирующей добавки.

Химический состав – еще один фактор классификации. Классификация конструкционной легированной стали, разделяющий ее на качественную, высококачественную, маркируемую литерой «А» и металл электрошлакового переплава – особо высококачественная разновидность с ведущей «Ш» в маркировке.

Аналогично качеству химического состава, различают три категории легированной конструкционной стали, соответственно качеству обработки поверхности. Дополнительный критерий сортировки в этом случае – вид обработки. Это, во-первых, кованый или горячекатаный прокат, калиброванный металл, а также сталь со специальной отделкой поверхности.

Уровень термической обработки отражает маркировка легированных сталей. В частности, литера «Т» говорит о термически обработанном металле, «Н» – нагартованном. Обозначение легирующих элементов в стали указывается после содержания углерода (первая пара цифр).

Нагартовка – это упрочнение металлов и сплавов вследствие изменения их структуры и фазового состава в процессе пластической деформации при температуре ниже температуры рекристаллизации (определение из Википедии)

Дополнительные обозначения легированных сталей указывают на следующие особенности:

1. По степени раскисления. Параметр напрямую зависит от процентного вхождения кремния. Стали содержащие не более 0.07% называют кипящими, свыше 0.12% – спокойными. Интервал 0.07 – 0.12% соответствует полуспокойным маркам металла.
2. Непосредственно маркировка. Формируется из нескольких элементов. Первый – буквенное обозначение Б или В (группа А не обозначается) с последующим «Ст». Например, Ст1кп2; БСт2пс; ВСт6сп3. Второй – цифра, соответствующая номеру ГОСТ. Третий символ: буква «Г», присутствие которой указывает на повышенно содержание марганца. Далее идут степень раскисления металла и номер категории стали.
3. Применение. Параметр, указывающий, где используют легированные конструкционные стали. Маркировки Ст1, Ст2 отводятся под проволоку и изделия из прутков: гвозди или заклепки. Крепежные детали обозначаются Ст3, Ст4 а осевые элементы или валы под слабой нагрузкой – Ст5, Ст6.

Альтернативная классификация конструкционных сталей по сфере использования, разделяет металл на подшипниковый, рессорно-пружинный и теплоустойчивый. В первых двух случаях наименования говорят сами за себя, тогда как последний вариант соответствует металлу, сектор применения которого – энергетическое машиностроение. Подобные конструкционные стали используются в производстве котлов, паронагревателей или сосудов.

Процесс легирования

Основным способом легировать сталь является метод объёмного металлургического легирования. Заключается в сплавлении основного элемента с легирующими в печах разного вида (индукционные, вакуумно-дуговые, тигельные, конвертеры, дуговые, плазменные, и др.). При этом способе возможна существенная потеря активных веществ (марганца, хрома, молибдена, и др.).

• механическое легирование,
• восстановление,
• электролиз,
• плазмохимическая реакция.

Механическое легирование выполняют в аттриторах – барабанах, в центре которых находится вал с кулачками. В них закладывают порошкообразные компоненты для получения нужного сплава. Во время вращения кулачки «ударяют» по смеси, и происходит «вбивание» легирующих добавок в основу.

При совместном восстановлении перемешивают оксиды элементов сплава с восстановителем, например, с гидридом кальция (СаН2) и производят нагрев. Идёт реакция восстановления оксидов до металлов, синхронно происходит процесс диффузии, выравнивающий состав сплава. Полученный оксид кальция (СаО) промывают водой, а сплав (в виде порошка) идёт в следующую обработку. Металлотермическое восстановление подразумевает использование металлов (магния, кальция, алюминия и др.) в качестве восстановителей.

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.

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.

Разница между легированием и примесями

Обычные легирующие добавки — это компоненты, которые вводят в металл в значительных количествах — более 0,10%. Они вызывают изменение кристаллической решётки железа, образуя растворы внедрения, повышают прочностные и других свойства железа (матрицы).

В качестве металлов для легирования используют:

• хром Cr;
• марганец Mn;
• никель Ni;
• алюминий Al;
• молибден Mo;
• кобальт Co;
• титан Ti;
• цирконий Zr;
• медь Cu и другие.

Их внедряют в сталь в разных количествах и сочетаниях.

Примеси

Существует деление вредных примесей на обычные и остаточные. К обычным вредным примесям относят те, содержание которых в металле можно уменьшить во время плавки – это фосфор, сера, кислород, азот, углерод, т. е., неметаллы.

Под остаточными вредными примесями принято понимать такие, содержание которых невозможно снизить во время плавки ни при окислительном рафинировании, ни при обычном легировании. Это характерно для химических элементов, имеющих растворимость в жидком железе. В производственной практике обычно встречающимися вредными остаточными примесями являются:

Источник