Виды и особенности изготовления легированных сталей

Виды легированных сталей

Легированные стали производятся путем введения в обычную железо-углеродную основу одного или нескольких элементов, часто которыми выступают марганец, кремний, никель, титан, медь, хром и алюминий. Эти металлы добавляются для придания основному сплаву особых свойств. Для управления процессом легирования варьируют пропорциями (или комбинациями) добавок, благодаря чему материал приобретает повышенную твёрдость, коррозионную стойкость, прочность. В некоторых случаях улучшается пластичность, свариваемость, прокаливаемость при последующей термической обработке.

Классификацию легированных сталей часто выполняют на основании фактического количества легирующих элементов. Каждый из них вводится с определённой целью:

1. Хром - повышает твёрдость, ударную вязкость и износостойкость.
2. Кобальт - используется при изготовлении режущего и штампового инструмента. При легированни этим металлом увеличивается твёрдость в горячем состоянии (увеличивается красностойкость).
3. Марганец - увеличивает твёрдость поверхности детали, устойчивость к деформации, динамическим и ударным нагрузкам.
4. Молибден - прочность и устойчивость к ударам, а также к нагреву.
5. Никель - прочность, ударную вязкость и антикоррозийные качества.
6. Ванадий - прочность, ударную вязкость, ударопрочность и коррозионную стойкость.
7. Вольфрам повышает твёрдость и улучшает микроструктуру. Обеспечивает повышенную термостойкость.

В большинстве случаев при легировании несколькими элементами (комплексном легировании) реализуется принцип суперпозиции, когда результирующий эффект по сравнению с ожидаемым увеличивается. В частности, при одновременном легировании стали хромом и ванадием прочность и устойчивость к действию растягивающих напряжений растёт более интенсивно.

Легирующими элементами могут быть не только металлы. Например, введение в исходный расплав микроскопических доз бора улучшается стойкость штампового инструмента, работающего в условиях высоких нагрузок, резко изменяющихся во времени.

Легирование сталей определяют по наличию добавок, которые введены в основную металлическую матрицу. Легированные стали отечественного производства производятся в соответствии с техническими требованиями ГОСТ 4543-2016 для конструкционных сталей и ГОСТ 5950-63 – для инструментальных. Зачем проводится легирование?

Стальные заготовки, используемые для производства ответственной продукции, обычно обрабатываются литьём или штамповкой, соединяются при помощи сварки. При этом конечные свойства металла должны быть выше, чем исходные.

Важно правильно определить механические и другие свойства конкретной легированной стали, прежде чем выбирать ее для применения в какой-либо конструкции. Детали, изготавливаемые из легированных сталей, часто способствуют снижению веса изделия, что позволяет уменьшить металлоёмкость конструкции в целом.

Таким образом, конечными целями легирования являются:

• Оптимизация физических и механических характеристик детали -температуры плавления, точки кипения, плотности, пластичности, теплопроводности и т.д.;
• Повышения твёрдости материала и его стойкости от вероятных растягивающих напряжений;
• Изменения (чаще – уменьшения) температуры плавления;
• Улучшения коррозионной стойкости;
• Изменения цвета детали: цвет чистого металла можно изменить, легируя его другими металлами или неметаллами, содержащими подходящие цветные пигменты;
• Улучшения обрабатываемости (в частности, литьём).

Процесс легирования металла

В большинстве случаев легирующие элементы стали добавляются к технически чистому металлу. В состоянии расплава введение добавок происходит особенно быстро, поэтому большинство марок легированных сталей и сплавов получают путем плавления основного металла, например железа, алюминия или меди, с последующим добавлением легирующих компонентов.

Необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать загрязнения посторонними примесями. Фактически рафинирование и легирование выполняют одновременно. Именно таким образом в сталеплавильном производстве производят десульфуризацию жидкого доменного чугуна в ковше, обезуглероживание чугуна во время его преобразования в сталь, удаление кислорода из жидкой стали в вакуумном дегазаторе и, наконец, добавление необходимого количества легирующих добавок в исходный расплав.

Самые большие объёмы сплавов плавятся на воздухе, а для защиты металла от окисления используется шлак. При большом объёме легирующих элементов процесс производится непосредственно в ковше или в вакуумной камере. Это позволяет тщательно контролировать состав и сводит к минимуму окисление металла.

Большинство легирующих элементов располагается в исходной загрузке, а плавление происходит с помощью электрического и индукционного нагрева, либо путём плавления электрической дугой. Индукционная плавка проводится в тигле, а при электродуговом плавлении расплавленные капли металла стекают с электрода на охлаждаемую водой поверхность и немедленно затвердевают.

Чем легирование отличается от примесей?

Неметаллические включения играют ключевую роль во многих важных свойствах стали, влияя как на обработку, так и на применение стальных изделий. Вопросы исследования динамики образования примесей обеспечивает получение необходимых свойств детали.

При легировании объём добавок вводится в расплав строго дозированно, в то время как доза имеющихся примесей определяется случайно и зависит от технологии проведения металлургических процессов, а также от состава руды и шлаков. Кроме того, большинство примесей в стали, как правило, ухудшает её эксплуатационные показатели.

Маркировка легированных сталей

Маркировка объясняется в ГОСТ 4543-2016 и ГОСТ 5950-63 и основана на комбинации цифр и букв славянского алфавита. Цифры показывают количество легирующего элемента в десятых долях процента (если добавки менее 1%, цифра не указывается). Легирующие марки стали содержат следующие условные обозначения добавок (углерод не указывается):

• В – вольфрам;
• Д – медь;
• Г – марганец;
• К – кобальт;
• М - молибден;
• Н – никель;
• Р – бор;
• С – кремний;
• Т – титан;
• Ф – ванадий;
• Х – хром;
• Ц – цирконий и ниобий;
• Ю – алюминий.

Легирующие стали импортного производства маркируются в соответствии с правилами DIN (Германия) или ASTM (Северная Америка). Кроме того, свои обозначения приняты в Японии, Великобритании, Швеции, Польше и ряде других стран. Это затрудняет идентификацию продукции, поэтому необходимо пользоваться справочниками.