Легирование стали

Легирование стали

Сталь представляет собой сплав железа (не меньше 45%) и углерода (до 2,14%). Последний повышает прочностные характеристики металлов, при этом, если сравнивать с химически однородным металлом, понижает их пластичность. В процессе производства стали концентрация углерода специально доводится до необходимых значений. Контроль за содержанием углерода позволяет получать несколько видов стали:

• Низкоуглеродистую – содержание углерода не более 0,25%.
• Среднеуглеродистую – не более 0,6%.
• Высокоуглеродистую – 0,6 – 2,14%.

В металле также могут обнаруживаться и иные примеси, поэтому стали классифицируются как легированные и нелегированные. Последние представляют собой железно-углеродный сплав, в составе которого присутствуют и другие элементы в виде примесей или добавок меньше установленного предельного содержания.

Что такое легированная сталь

Это углеродистая сталь для улучшения технологических свойств которой введены специальные легирующие элементы. Процент добавок в составе невелик, но даже при незначительной концентрации, физические свойства металла улучшаются в несколько раз.

В зависимости от вида используемых добавок при производстве стали металл приобретает следующие свойства:

• неподверженность коррозии;
• упругость;
• тугоплавкость;
• прочность.

Для придания перечисленных качеств в состав добавляют следующие металлы:

• хром;
• никель;
• молибден;
• вольфрам;
• медь.

Зачастую в углеродистую сталь достаточно добавить 1 — 3% легирующих элементов для придания ей необходимых свойств и качеств.

Легирующие элементы и их влияние на свойства сталей

Маркировка легированных сталей указывает на то, какие добавки в ней содержатся, а также на их количественное значение. Но также важно знать и то, какое именно влияние на свойства металла оказывает каждый из этих элементов в отдельности.

Добавка хрома увеличивает коррозионную стойкость, повышает прочность и твердость, является основным компонентом при создании нержавеющей стали.

Добавление никеля повышает пластичность, вязкость стали и коррозионную стойкость.

Титан уменьшает зернистость внутренней структуры, повышая прочность и плотность, улучшает обрабатываемость и коррозионную стойкость.

Присутствие ванадия уменьшает зернистость внутренней структуры, что повышает текучесть и порог прочности на разрыв.

Добавка молибдена дает возможность улучшить прокаливаемость, повысить коррозионную устойчивость и снизить хрупкость.

Вольфрам повышает твердость, не дает зернам увеличиваться при нагреве и снижает хрупкость при отпуске.

При содержании до 1-15% кремний повышает прочность, сохраняя вязкость. При увеличении процента содержания кремния повышается магнитопроницаемость и электросопротивление. Также данный элемент увеличивает упругость, стойкость к коррозии и сопротивляемость к окислению, но также повышает хрупкость.

Введение кобальта увеличивает ударопрочность и жаропрочность.

Добавление алюминия способствует повышению окалиностойкости.

Таблица назначения некоторых видов стали

Отдельно стоит упомянуть примеси и их влияние на свойства сталей. Любая сталь всегда содержит технологические примеси, так как полностью удалить их из состава стали чрезвычайно трудно. К такого рода примесям относятся углерод, серу, марганец, кремний, фосфор, азот и кислород.

Оказывает на свойства стали очень значительное влияние. Если его содержится до 1,2%, то углерод способствует повышению твердости, прочности, предела текучести металла. Превышение указанного значения способствует тому, что начинает значительно ухудшаться не только прочность, но и пластичность.

Если количество марганца не превышает 0,8%, то он считается технологической примесью. Он призван повысить степень раскисления, а также противостоять негативному влиянию серы на сталь.

При превышении содержания серы выше 0,65% механические свойства стали существенно снижаются, речь идет об уменьшении уровня пластичности, коррозионной стойкости, ударной вязкости. Также высокое содержание серы негативно влияет на свариваемость стали.

Даже незначительное превышение содержания фосфора выше необходимого уровня чревато повышением хрупкости и текучести, а также снижением вязкости и пластичности стали.

Азот и кислород

При превышении определенных количественных значений в составе стали вкрапления данных газов повышают хрупкость, а также способствуют понижению ее выносливости и вязкости.

Слишком большое содержание водорода в стали ведет к увеличению ее хрупкости.

Классификация марок нержавеющей стали

В зависимости от состава сплава выделяют следующие группы сталей:

• ферритные стали (их еще называют хромистые) содержат более 20% хрома и углерода до 0,15%, за счет чего обладают пластичностью, высокой стойкостью к высокоагрессивным средам и имеют хорошие магнитные характеристики
• аустенитные (аустенитно-ферритные и аустенитно-мартенситные) стали состоят до 33% из хрома и никеля
• мартенситные и ферритно-мартенситные содержат до 17% хрома и до 0,5% углерода, имеют максимальную прочность к воздействию различных агрессивных сред

В зависимости от содержания легирующего вещества те или иные сплавы применяются в различных целях и для работы с различными средами. Ниже приведем список марок стали, которые наиболее часто применяются в нефтегазовой и химической промышленности.

Справочно
Расшифровка нержавеющих марок стали: наименование стали состоит из буквенных и цифровых обозначений, в которых принято: А (в начале марки) — сера, А (в середине марки) — азот, Б — ниобий, В — вольфрам, Г — марганец, Д — медь, Е — селен, К — кобальт, М — молибден, Н — никель, П — фосфор, Р — бор, С — кремний, Т — титан, Ф — ванадий, X — хром, Ц — цирконий, Ю — алюминий, Ч — РЗМ (редкоземельные металлы: лантан , празеодим, церий и пр.).
Цифра после буквы обозначает среднюю массовую долю легирующего химического элемента. Цифра перед буквы указывает на массовую долю углерода в сотых долях. Если легирующего элемента содержится менее 1%, то процентное соотношение не указывается.
Например: 12Х18Н10T — это нержавеющая сталь с содержанием углерода 0,12%, 18% хрома, 10% — никеля и менее 1% титана.

Про легирование

Слово «легирование» происходит от немецкого «legieren», означающее «сплавлять» или в переводе с латинского «ligare» — связывать. Обозначает же легирование процесс добавления, в нашем случае, в сталь, различных элементов, для получения особых характеристик, у полученной в результате этого самого легирования, нержавейки. Благодаря легированию происходит улучшение свойств металла. Сам этот процесс сродни приготовлению еды. Посмотрите – и в металлургии, и на кухне занимаются варкой. И там, и там все действия происходят при воздействии высоких температур. И там, и там для получения конечного результата используют множество составляющих, будь то ингредиенты какого-нибудь изысканного блюда или химические элементы какой-нибудь марки стали, добавляемые к железу с углеродом. И на кухне, и в сталелитейном цеху процесс «приготовления» проходит в несколько этапов. В обоих случаях можно «пересолить» и на выходе получить, к примеру, сталь не того качества, или приготовить блюдо, после приема которого срочно захочется выпить стакан воды. И даже в обоих случаях «блюдо» готовится по четко отведенным правилам: либо по кулинарной книге, либо по ГОСТу или ТУ. Да, и в конце концов, каждому из вариантов присуще свои особые свойства: у еды это вкус, цвет, запах, консистенция, а у нержавейки — стойкость к появлению коррозии под воздействием агрессивных сред и атмосферных осадков при сохранении таких качеств стали как прочность, твердость, пластичность.

2 Буквенная маркировка нержавеющих сталей в странах СНГ

Антикоррозионные сплавы в ряде государств бывшего СССР маркируют буквами и цифрами. Под буквами закодированы химические элементы, входящие в состав стали, под цифрами – количественный состав этих самых элементов. В марках нержавеющей стали могут присутствовать далее указанные литеры:

• С – обозначение кремния, его вводят в сплавы для снижения вероятности образования окалины при выполнении их термообработки;
• Ю – под этой буквой «скрывается» алюминий, необходимый для того, чтобы нивелировать риск формирования посторонних включений в антикоррозионном сплаве при его контакте с кипящей водой и иными жидкостями, а также для стабилизации структуры металла;
• Х – кодировка хрома, который является главным химическим элементом нержавеющей стали, придающим ей стойкость к ржавлению;
• М – обозначение молибдена, в агрессивных атмосферах он обеспечивает устойчивость структуры сплава;
• С – так кодируется селен, отвечающий за полупроводниковые и термоэлектрические характеристики готовой металлургической продукции;
• Р – придающий металлам стойкость в термальным и сугубо химическим влияниям бор;
• К – необходимый для стабилизации углерода кобальт;
• П – фосфор, выполняющий функцию антикоррозионного пассиватора;
• Б – элемент ниобий, который вводят с целью активизации ферритных процессов внутри кристаллов (его используют исключительно в комбинации с углеродом);
• Ф – обозначение ванадия, обеспечивающего нержавейку пластичными свойствами.

Также маркировка нержавеющих сталей содержит и другие буквы. Углерод кодируется литерой У. Он, кстати, является главной составляющей любой современной стали, так как повышает ее сопротивляемость процессам окисления и обеспечивает ее требуемыми прочностными показателями. Под буквой Н «прячется» никель, благодаря которому нержавейка обретает стойкость к повышенным температурам, хорошую ковкость и прочность.

Медь маркируется литерой Д. Данный элемент повышает уровень антикоррозионной защиты сплавов, он предупреждает их усталость и гарантирует высокую прочность в течение длительного времени эксплуатации металлических изделий. Аналогом никеля является марганец (обозначается буквой Г), а ниобия – титан (буква Т в маркировке). Кроме того, в нержавейке нередко присутствует цирконий (Ц) и вольфрам (В). Последний из указанных элементов увеличивает температуру закалки металла и делает меньше величину его зерна.

Расшифровка марок

Маркировка легированных сталей состоит из букв и цифр. В начале ставится двузначное число, которое характеризует количество углерода в сотых долях %. Далее следуют буквы русского алфавита, обозначающие определенный элемент:

• Х – хром;
• Н – никель,
• Т – титан;
• В – вольфрам;
• Г – марганец;
• М – молибден;
• Д – медь.

После буквенного обозначения легирующего элемента в расшифровке идет число, обозначающее его содержание в нержавеющей стали, округленное до целого процента. Если такой цифры нет, то добавка в сплаве находится в пределах – 1-1,5 %.

Классификации легированных сталей

1. В зависимости от химического состава различают стали:

— углеродистые (ГОСТ 380-71, ГОСТ 1050-75)

— легированные (ГОСТ 4543-71, ГОСТ 5632-72, ГОСТ 14959-79).

2. По содержанию углерода «С»:

— низкоуглеродистые — С до 0,25 %

— среднеуглеродистые — С от 0,25 до 0,65 %

— высокоуглеродистые — С свыше 0,65 %

3. По степени легирования (по содержанию легирующих элементов):

— низколегированные – от 2,5 до 5 %;

— среднелегированные – от 5 до 10 %;

— высоколегированные – свыше 10%.

4. По качеству ГОСТ 4543-71

— высококачественная (А) в конце марки

— особокачественная (-Ш) в конце марки

Для того, чтобы показать, что в стали ограничено содержание серы и фосфора (S

Например: 18ХГ-Ш, 20ХГНТР-Ш, 06Х16Н15М3Б-Ш и др.

Помимо этого к наименованиям указанных сталей через тире могут добавляться буквы, означающие следующее:

ВД — вакуумно-дуговой переплав (09Х16Н4Б-ВД),

ВИ — вакуумно-индукционная выплавка (03Х18Н10-ВИ),

ЭЛ — электронно-лучевой переплав (03Н18К9М5Т-ЭЛ),

ГР — газокислородное рафинирование (04Х15СТ-ГР),

ИД — ваккумно-индукционная выплавка с последующим вакуумно-дуговым переплавом (ЭП14-ИД),

ПД — плазменная выплавка с последующим вакуумно-дуговым переплавом (ХН45НВТЮБР-ПД),

ИЛ — вакуумно-индукционная выплавка с последующим электронно-лучевым переплавом (ЭП989-ИЛ) и т.д.

5. По степени раскисления — все легированные стали спокойные.

6. По назначению.

Конструкционные стали ГОСТ 4543-71 – если впереди марки стоят две цифры, они указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Цифры после каждой буквы обозначают примерное процентное содержание соответствующего элемента, округленное до целого числа , при содержании легирующего элемента до 1.5% цифра за соответствующей буквой не указывается.

Например:

— сталь состава C 0.09 — 0.15%, Cr 0.4 — 0.7%, Ni 0.5 — 0.8% называется 12ХН,

— сталь состава C 0.27 — 0.34%, Cr 2.3 — 2.7%, Mo 0.2 — 0.3%, V 0.06 — 0.12% — 30Х3МФ.

Инструментальные стали ГОСТ 5950-73 – одна цифра впереди марки указывает среднее содержание углерода в десятых долях процента. Если впереди марки нет цифры, это значит, что углерода в ней либо 1%, либо выше 1%.

Например, сталь 4Х2В5МФ имеет содержание C 0.3 — 0.4%, Cr 2.2 — 3.0%, W 4.5 — 5.5%, Mo 0.6 — 0.9%, V 0.6 — 0.9%.

ХВГ— C 0.9 — 1.05%, Cr 0.9 — 1.2%, W 1.2 — 1.6%, Mn 0.8 — 1.1%.

Стали и сплавы с особыми свойствами резко выраженными.

Стали высоколегированные со специальными свойствами подразделяют на следующие группы:

а) коррозионно-стойкие (нержавеющие), обладающие стойкостью против атмосферной коррозии (25х18Л и др.);

б) кислотоупорные, обладающие сопротивляемостью агрессивным средам (кислотам) (15х18Н9ТЛ и др.);

в) окалиностойкие (жаростойкие), обладающие стойкостью против окалинообразования (окисления при высоких температурах), например 15х9С2Л и др.;

г) жаропрочные, сохраняющие достаточно высокую прочность при высоких температурах (15х22Н15Л и др.);

д) износостойкие с высокой сопротивляемостью износу при абразивном и ударном воздействиях в разных условиях (110Г13Л, 15х34Л и др.);

е) высокопрочные; к ним относятся низколегированные стали, подвергнутые сложной термической обработке и дополнительной деформации.

7. По методу получения – сталь деформируемая или литейная.

Как расшифровать маркировку сталей?

Чтобы расшифровка обозначения различных видов сталей не вызывала затруднений, следует хорошо знать, какими они бывают. Отдельные категории сталей имеют особенную маркировку. Их принято обозначать определенными буквами, что позволяет сразу понять и назначение рассматриваемого металла, и его ориентировочный состав. Рассмотрим некоторые из таких марок и разберемся в их обозначении.

Конструкционные стали, специально предназначенные для изготовления подшипников, можно узнать по букве «Ш», данная литера ставится в самом начале их маркировки. После нее в названии марки идет буквенное обозначение соответствующих легирующих добавок, а также цифры, по которым узнают количественное содержание этих добавок. Так, в сталях марок ШХ4 и ШХ15, кроме железа с углеродом, содержится хром в количестве 0,4 и 1,5%, соответственно.

Буквой «К», которая стоит после первых цифр в названии марки, сообщающих о количественном содержании углерода, обозначают конструкционные нелегированные стали, используемые для производства сосудов и паровых котлов, работающих под высоким давлением (20К, 22К и др.).

Качественные легированные стали, которые обладают улучшенными литейными свойствами, можно узнать по букве «Л», стоящей в самом конце маркировки (35ХМЛ, 40ХЛ и др.).

Некоторую сложность, если не знать особенностей маркировки, может вызвать расшифровка марок строительной стали. Сплавы данной категории обозначают буквой «С», которую ставят в самом начале. Цифры, следующие за ней, указывают на минимальный предел текучести. В таких марках также используются дополнительные буквенные обозначения:

• литера Т – термоупрочненный прокат;
• буква К – сталь, отличающаяся повышенной коррозионной устойчивостью;
• литера Д – сплав, характеризующийся повышенным содержанием меди (С345Т, С390К и др.).

Нелегированные стали, относящиеся к категории инструментальных, обозначают буквой «У», она проставляется в начале их маркировки. Цифра, идущая за данной буквой, выражает количественное содержание углерода в рассматриваемом сплаве. Стали данной категории могут быть качественными и высококачественными (их можно определить по букве «А», она проставляется в конце названия марки). В их маркировке может содержаться буква «Г», что означает повышенное содержание марганца (У7, У8, У8А, У8ГА и др.).

Инструментальные стали, содержащие легирующие элементы в своем составе, маркируются аналогично с легированными конструкционными (ХВГ, 9ХВГ и др.).

Маркировка тех сталей, которые входят в категорию быстрорежущих, начинается с буквы «Р», за которой идут цифры, указывающие на количественное содержание вольфрама. В остальном марки таких сплавов называются по стандартному принципу: буквы, обозначающие элемент, и, соответственно, цифры, отражающие его количественное содержание. В обозначении таких сталей не указывается хром, так как его стандартное содержание в них составляет около 4%, а также углерод, количество которого пропорционально содержанию ванадия. Если количество ванадия превышает 2,5%, то его буквенное обозначение и количественное содержание проставляют в самом конце маркировки (З9, Р18, Р6М5Ф3 и др.).

По-особому маркируются нелегированные стали, относящиеся к категории электротехнических (их еще часто называют чистым техническим железом). Невысокое электрическое сопротивление таких металлов обеспечивается за счет того, что их состав характеризуется минимальным содержанием углерода – менее 0,04%. В обозначении марок таких сталей нет букв, только цифры: 10880, 20880 и др. Первая цифра указывает на классификацию по типу обработки: горячекатаная или кованная – 1, калиброванная – 2. Вторая цифра связана с категорией коэффициента старения: 0 – ненормируемый, 1 – нормируемый. Третья цифра указывает на группу, к которой данная сталь относится по нормируемой характеристике, принятой за основную. По четвертой и пятой цифрам определяется само значение нормируемой характеристики.

Принципы, по которым осуществляется обозначение стальных сплавов, были разработаны еще в советский период, но и по сей день успешно используются не только в России, но также в странах СНГ. Обладая сведениями о той или иной марке стали, можно не только определять ее химический состав, но и эффективно подбирать металлы с требуемыми характеристиками.

Разбираться в данном вопросе важно как специалистам, разрабатывающим и проектирующим различные конструкции из металла, так и тем, кто часто работает с различными сталями и занимается изготовлением из них деталей разного назначения.