Легована сталь: особливості, класифікація та характеристики

У століття перевиробництва хіба що дитина не знає, що існує легована сталь. Але часто відбувається підміна понять і багато хто вважає, що єдиною перевагою такого матеріалу є його висока антикорозійна стійкість. Насправді, крім нержавіючої сталі, існує колосальна кількість сплавів, що містять легуючі добавки і мають різні механічні та експлуатаційні характеристики. Ну а тепер все по порядку.

Леговані сталі: визначення і класифікація

Леговані сплави мають непростий склад на основі заліза і вуглецю й утримують різні хімічні елементи, які впливають на структурні перетворення металів на молекулярному рівні. Процентний вміст таких добавок і організація процесу розкислення, легування і модифікації сталей визначають їх фізико-хімічні властивості.

Цікавий факт. Початком масового виробництва немагнітних сплавів вважається виплавка сталі англійцем Робертом Гадфільдом ​​в кінці XIX століття. Звичайно, людство і раніше знало, що таке легована сталь, але організувати потокове виробництво і оцінити всі переваги її застосування люди змогли тільки в епоху глобальної індустріалізації і, на жаль, з появою нових військових технологій. Завдяки високому опору зносу і ударних навантажень сталь Гадфільда ​​аж до середини XX століття стає найбільш використовуваним сплавом для виробництва залізничних хрестовин, танкових траків, піхотних шоломів і навіть тюремних грат. Вона й зараз застосовується при виготовлені зубів ковшів екскаваторів та інших елементів техніки, що піддаються ударним й стираючим навантаженням під час їх експлуатації. 

Відмінності від вуглецевих сталей

Будь-яка сталь містить залізо і вуглець. Причому зміст останнього може становити 0,02 - 2,14% і безпосередньо визначає його властивості і марку. Він підвищує твердість і міцність, але при збільшенні концентрації знижує пластичність. Збільшує ріжучу здатність, електричний опір і коерцитивної силу. Знижує температуру плавлення і щільність.

Звичайні вуглецеві стали, також як й леговані, можуть містити кремній, марганець, мідь, сірку, хром, фосфор, водень, азот і алюміній, тільки їх кількість значно нижче. При цьому Si і Mn вводяться для поліпшення показників міцності та фізико-хімічних властивостей. Інші речовини потрапляють в розплавлену сталь з шихти або пічних газів і відповідно вважаються домішками. Деякі з них (наприкад, сірка й фосфор) є постійними шкідливими домішками. При виплавленні легованих сталей їх властивості формуються за рахунок цілеспрямованого введення модифікуючих елементів.

Легуючі добавки

Найбільш поширеними елементами, що використовуються для поліпшення фізичних, хімічних та механічних властивостей сталей є: хром, марганець, нікель, кремній, вольфрам, молібден, ванадій, титан, мідь, кобальт, алюміній, бор, ніобій, цирконій та інші. Але, незважаючи на такий великий список, все ж найбільш використовуються лише кілька з перерахованих вище елементів.

Таблиця 1 - Легуючі добавки

На замітку. Навіть в складі технічно чистого заліза обов'язково присутні близько 20 хімічних домішок. Але їх сумарна кількість не перевищує 0,25 відсотка. 

Загальна класифікація легованих сталей

Вона ґрунтується  на тому, в якій кількості добавка введена до складу сплаву, і визначає основні групи виходячи з хімічної структури, цільового призначення і унікальних властивостей. Таким чином, розрізняють наступні категорії.

Класифікація сталевих сплавів за процентним вмістом всіх легуючих компонентів:

• не більше 2,5% - низьколеговані;
• в інтервалі від 2,5 до 10,0% - середньолеговані;
• більше 10% - високолеговані.

Класифікація легованих сталей за призначенням:

• конструкційні. Використовуються для виготовлення металоконструкцій, деталей машин, агрегатів і механізмів;
• інструментальні. Застосовуються при виготовленні високоякісного вимірювального і ріжучого інструменту і ударо-штампувального оснащення;
• з особливими властивостями (жаростійкі, нержавіючі і інші).

У своїй професійній діяльності металурги і інженери часто вдаються до більш широкої номенклатури. Наприклад, професіоналами використовується класифікація таких сплавів по їх мікроструктурі в нормалізованому стані (перлітні, аустенітні, карбідні і мартенсістні) або в рівноважному стані (доевтектоїдні, евтектоїдні, заевтектоідні).

Характеристика легованих сталей

Фазові перетворення в твердих розчинах заліза визначаються загальними законами взаємної розчинності і міжатомних взаємодій всіх елементів, включаючи вуглець і легуючі добавки. Тому легована сталь має одночасно схожі і унікальні характеристики:

• хімічні: жаростійкість, кислотостійкість, корозійна стійкість;
• фізичні: теплові, магнітні, електричні;
• спеціальні: зносостійкість, опірність повзучості.

Серед переваг, якими володіє даний металопрокат, слід виділити підвищений опір стійкості до холоду, ударним і пластичним деформаціям, поліпшена здатність сталі сприймати гартування, підвищена в'язкість. При цьому для більшості сплавів, що містять різну кількість легуючих присадок, характерно:

• наявність залишкового аустеніту після загартовування;
• схильність до утворення флокенів;
• механічна міцність;
• тугоплавкість.

На замітку. Залежно від хімічної природи елементів, що вводяться, легована сталь змінює ливарні властивості і властивості поверхневого натягу. А також знижує температуру плавлення наступним чином: 

Дані таблиці показують, що в порівнянні з маловуглецевим нелегованим сплавом у високолегованої марки, що містить близько 50% присадок, температура ліквідусу нижче майже на 100ºС.

Маркування легованих сплавів і основні марки

У світовій практиці використовується кілька документів, що регламентують маркування легованих сталей. Але в будь-якому випадку вони всі припускають використання літерно-цифрових позначень. 

Стандарти країн СНД

При позначенні легованої конструкційної сталі процентна величина масової частки вуглецю маркується першими двома цифрами без використання літерного позначення. Далі в порядку зменшення вказуються легуючі компоненти і їх частка в сплаві в середньому еквіваленті. Літерні позначення хімічних елементів вказані в таблиці 1. Легуючі присадки, кількість яких менше 1,0% вказуються тільки в розшифрованій номенклатурі, так як позначення тоді б прийняло дуже громіздкий вигляд.

З огляду на великий сортамент, також марка сталі може включати додаткові символи, що більш розширено описують властивості або особливості: А – автоматні, Е – магнітні, Ж – нержавіючі, Р – ріжучі, Х – хромисті, Ш – шаропідшипникові, Е – електротехнічні, Я – хромонікелеві. Також маркування може допускати позначення, виключенні із загальних правил. Так, в залежності від хімічного складу конструкційні сплави поділяють на якісні та високоякісні. Наприклад, в кінці маркування буква «А» вказує, що сплав є особливо чистим в частині утримання фосфору і сірки, а буква «Ш» відносить їх до високоякісних.

Маркування легованих сталей для річкового і морського суднобудування часто здійснюється відповідно до ГОСТ 5521-86 і вимог Міжнародної асоціації класифікаційних товариств. Це означає, що такі сплави класифікують на категорії A, B, D і Е з урахуванням межі плинності, показниками міцності, крихкості і опору ударним навантаженням.

Європейські стандарти

EN 10027 визначає порядок позначення всіх сталей. Леговані сплави мають маркування 1.20ХХ - 1.89ХХ, де перша цифра визначає, що даний матеріал відноситься до сталей, друга і третя цифра визначають номер групи сталей і дві останні - порядковий номер сплаву в цій групі. Наприклад, категорія інструментальних сталей ідентифікується як 1.20ХХ - 1.28ХХ, а нержавіючих як 1.40ХХ - 1.45ХХ.

Північноамериканські стандарти ASTM/ASME і AISI

У США діє найбільш велика система маркування сталей. Наприклад, маркування ASTM передбачає позначення основних хімічних елементів, межу міцності і форму прокату. В системі AISI використовують 4 цифри, де перші дві вказують номер групи, дві наступні - відсоткову частку вуглецю. Літерні символи демонструють наявність відповідних присадок.

Марки, найбільш затребувані в інжинірингу

• 09Г2С - низьколегована сталь, що поєднує механічну міцність, гарну оброблюваність і доступну вартість;
• 40Х та її аналог AISI 5135 - основний конструкційний матеріал для виготовлення деталей і устаткування промислового сектора і трубопровідної арматури;
• 10Г2С1 - кремнемарганцевая марка, що демонструє стійкість до низьких температур, непогану здатність до зварювання і підвищену корозійну стійкість, завдяки чому затребувана при спорудженні мостів, газопроводів і об'єктів підвищеної надійності;
• 10Х11Н23Т3МР - жароміцний сплав аустенітного класу, що використовується для виробництва пружин, деталей кріплення, працюючих при температурах до 700ºС..

Використання легованих сталей

Сьогодні практично неможливо перерахувати всі сфери, де застосовується легована сталь. Це тракторобудування та машинобудування, хіміко-технологічний і промислово-виробничий комплекс, нафтогазовидобувна галузь і сільське господарство. наприклад:

• зі сплавів, що містять хром виготовляють деталі для обладнання, яке експлуатується в умовах прямого або ймовірного контакту з агресивними середовищами: плунжери і шліци, вали і зубчасті колеса, поршневі пальці і карданні хрестовини;
• низьколеговані конструкційні сплави найчастіше затребувані в будівництві, масово використовуються при спорудженні каркасних металоконструкцій і для виготовлення труб, сортового і фасонного металопрокату. Незважаючи на великий сортамент, легована сталь марки 09Г2С є найбільш популярною в цій сфері;
• інструментальний сплав – універсальний матеріал для клейм, прес-форм, еталонних калібрів і штампів, ручного інструменту. А з ледебуритних марок виготовляються швидкоріжучий інструмент та шарошечні долота.

Також не варто забувати, що фізичні особливості легованих сплавів проявляються в термообробленому стані. Саме тому їх широко використовують для деталей, що будуть піддаватися високому термічному впливу, високошвидкісних і важко навантажених пар тертя.

У зв'язку з інтенсивним розвитком сучасних технічних галузей, легована сталь застосовується в цивільній та військовій авіації, в турбобудуванні і в альтернативній електроенергетиці. Також можна купити метал в Україні, а саме леговану сталь для виготовлення мультикоптерів і безпілотників, ядерних реакторів, ракетно-космічних систем. У той же час стрімке розширення сфери застосування легованих сталей обумовлює посилення вимог до їх якості і мотивує до розробки нових сплавів.