Легирование стали это

Что такое легирование стали

Легирование представляет собой технологический процесс, при котором в расплав или шихту стали вводятся специальные добавки — легирующие элементы. Эти элементы встраиваются в кристаллическую решетку металла на молекулярном уровне, образуя новые соединения и изменяя структуру материала. В отличие от обычных примесей, легирующие компоненты добавляются целенаправленно и в строго определенных количествах.

Обычная углеродистая сталь состоит из железа и углерода с небольшим количеством естественных примесей. Содержание легирующих элементов в такой стали минимально и не превышает установленных стандартами пределов. Когда концентрация дополнительных элементов превышает эти значения, сталь классифицируется как легированная.

Методы легирования

Существует два основных способа введения легирующих элементов в сталь:

Объемное легирование подразумевает введение добавок непосредственно в расплав или шихту во время плавки. При этом легирующие элементы распределяются по всему объему металла, проникая в его глубинную структуру. Этот метод применяется для получения сталей с равномерными свойствами по всему сечению изделия.

Поверхностное легирование применяется для изменения свойств только верхнего слоя стали на глубину от одного до двух миллиметров. Легирующие элементы вносятся путем диффузии при высоких температурах, напыления или других методов поверхностной обработки. Такой подход позволяет придать поверхности специфические характеристики — например, повышенную твердость или антифрикционные свойства — сохраняя при этом вязкость основного материала.

Легирующие элементы и их влияние на свойства стали

Каждый легирующий элемент вносит специфический вклад в изменение характеристик стали. Правильный подбор и комбинация этих элементов позволяет создавать материалы с заданными свойствами для конкретных условий эксплуатации.

Взаимодействие легирующих элементов

Важно понимать, что легирующие элементы не работают изолированно. Их комбинация создает синергетический эффект, когда совместное влияние нескольких элементов превышает сумму их индивидуальных воздействий. Например, совместное добавление хрома, никеля и молибдена значительно повышает коррозионную стойкость и способность стали к термическому упрочнению.

Хром в сочетании с молибденом улучшает прокаливаемость стали, позволяя добиться сквозной закалки деталей большого сечения. Никель, растворяясь в феррите, повышает его вязкость и способствует сохранению аустенитной структуры, что делает сталь менее хрупкой при низких температурах.

Классификация легированных сталей

По степени легирования

Легированные стали классифицируются в зависимости от суммарного содержания легирующих элементов:

Низколегированные стали содержат до 2,5% легирующих добавок. Они сочетают в себе улучшенные механические свойства с относительно невысокой стоимостью. Такие стали широко применяются в строительстве и общем машиностроении. Примером может служить сталь 09Г2С, которая отличается хорошей свариваемостью и стойкостью к охрупчиванию при низких температурах.

Среднелегированные стали имеют содержание легирующих элементов от 2,5% до 10%. Это наиболее распространенная категория, обеспечивающая оптимальное соотношение свойств и стоимости. Среднелегированные стали применяются для изготовления ответственных деталей машин, работающих в условиях повышенных нагрузок.

Высоколегированные стали содержат от 10% до 50% легирующих добавок. К этой группе относятся нержавеющие, жаропрочные и инструментальные стали специального назначения. Высокое содержание легирующих элементов обеспечивает уникальные свойства, необходимые для работы в экстремальных условиях.

По назначению

По структуре

Легирующие элементы оказывают непосредственное влияние на кристаллическую структуру стали. В зависимости от структуры различают:

Аустенитные стали характеризуются высокой коррозионной и химической стойкостью. Они немагнитны и хорошо работают при низких температурах. Классический пример — сталь 12Х18Н10Т, широко применяемая в химическом оборудовании.

Мартенситные стали обладают высокой твердостью и прочностью, а также магнитными свойствами. Используются для изготовления режущих инструментов и деталей, требующих повышенной износостойкости.

Ферритные стали отличаются хорошей коррозионной стойкостью и меньшей склонностью к межкристаллитной коррозии. Применяются в производстве оборудования для пищевой и химической промышленности.

Маркировка легированных сталей

Система маркировки легированных сталей позволяет определить химический состав материала по его обозначению. В российской практике используется буквенно-цифровая система согласно ГОСТ 4543-2016.

Принципы маркировки

Первые цифры в маркировке указывают на содержание углерода. Если стоят две цифры, они показывают содержание углерода в сотых долях процента. Одна цифра означает содержание в десятых долях. Отсутствие цифры в начале указывает на содержание углерода около 1% или выше.

После цифр следуют буквы, обозначающие легирующие элементы. Цифра после буквы показывает примерное содержание этого элемента в процентах. Если цифры нет, содержание элемента составляет около 1% и не превышает 1,5%.

Буква А в конце маркировки обозначает высококачественную сталь с пониженным содержанием серы и фосфора. Буквы Ш и ВД указывают на электрошлаковый и вакуумно-дуговой переплав соответственно.

Примеры расшифровки популярных марок

Сталь 40Х: содержит 0,4% углерода и около 1% хрома. Применяется для изготовления валов, осей, зубчатых колес и других деталей средней нагруженности.

Сталь 30ХГСА: включает 0,30% углерода, около 1% хрома, 1% марганца и 1% кремния. Буква А указывает на высокое качество. Используется для ответственных сварных конструкций и деталей, работающих при динамических нагрузках.

Сталь 25Х2МФА: содержит 0,25% углерода, 2,5% хрома, молибден и ванадий около 1%, высококачественная. Применяется для паровых турбин и энергетического оборудования.

Применение различных марок легированных сталей

Строительство и машиностроение

В строительной отрасли широко используется низколегированная сталь 09Г2С. Она обладает высокой механической прочностью и хорошей свариваемостью, что позволяет создавать более легкие и экономичные конструкции. Особенно ценится ее стойкость к охрупчиванию при низких температурах, благодаря чему сталь применяется для строительства объектов в условиях Крайнего Севера.

Конструкционные стали типа 40Х и 45Х используются в машиностроении для производства валов, осей, шестерен и других деталей, подвергающихся термической обработке. Добавление хрома повышает прокаливаемость и позволяет получить высокую твердость по всему сечению детали.

Нефтегазовая и химическая промышленность

Нержавеющие хромоникелевые стали находят применение в производстве оборудования для химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Сталь 12Х18Н10Т устойчива к воздействию кислот и щелочей, не подвержена межкристаллитной коррозии благодаря добавлению титана. Из нее изготавливают реакторы, теплообменники, трубопроводы и емкости для агрессивных сред.

Хромомолибденовые стали применяются для изготовления труб, работающих под высоким давлением при повышенных температурах. Молибден повышает жаропрочность и стойкость к водородному охрупчиванию, что критично для нефтехимического оборудования.

Инструментальное производство

Инструментальные легированные стали применяются для изготовления режущего и измерительного инструмента. Сталь ХВГ содержит хром, вольфрам и марганец, что обеспечивает высокую твердость и износостойкость. Используется для производства разверток, метчиков, плашек и штампов холодной штамповки.

Быстрорежущие стали марок Р6М5 и Р18 применяются для изготовления резцов, сверл и фрез, работающих на высоких скоростях резания. Высокое содержание вольфрама и молибдена обеспечивает красностойкость — способность сохранять твердость при нагреве до 600°C.

Энергетика и авиастроение

Жаропрочные стали используются в энергетическом машиностроении для изготовления лопаток паровых и газовых турбин, деталей котлов высокого давления. Сталь 12Х1МФ сохраняет прочность при температурах до 580°C и обладает повышенной пластичностью.

В авиационной промышленности применяются высокопрочные легированные стали для изготовления шасси, каркасов и критически важных элементов конструкции. Сталь 30ХГСНА обладает высокой вязкостью разрушения и применяется для деталей, работающих при динамических нагрузках.

Медицинская техника и пищевая промышленность

Нержавеющие стали с высоким содержанием хрома и никеля используются в медицине для изготовления хирургических инструментов, имплантатов и медицинского оборудования. Сталь 08Х18Н10 отличается биосовместимостью и устойчивостью к стерилизации.

В пищевой промышленности применяются коррозионностойкие стали для производства емкостей, трубопроводов и оборудования. Они устойчивы к воздействию органических кислот и не придают продуктам посторонних привкусов.

Свойства и преимущества легированных сталей

Механические свойства

Легирование позволяет существенно улучшить механические характеристики стали. Прочность легированных сталей может достигать 700-900 МПа и выше, что в несколько раз превышает показатели обычной углеродистой стали. При этом сохраняется достаточная пластичность и вязкость, необходимые для обработки давлением и эксплуатации под динамическими нагрузками.

Важным преимуществом является улучшенная прокаливаемость — способность закаливаться на большую глубину. Это позволяет получать высокую твердость не только на поверхности, но и в сердцевине детали большого сечения. Легирующие элементы замедляют распад аустенита при охлаждении, что дает возможность использовать более мягкие закалочные среды.

Коррозионная стойкость

Добавление хрома в количестве не менее 12% создает на поверхности стали защитную оксидную пленку, которая препятствует дальнейшему окислению. Никель усиливает этот эффект и повышает стойкость в неокисляющих кислотных средах. Молибден улучшает сопротивление точечной и щелевой коррозии, особенно в хлоридсодержащих растворах.

Жаропрочность и жаростойкость

Легированные стали сохраняют прочность при повышенных температурах значительно лучше углеродистых. Молибден, вольфрам и ванадий образуют стабильные карбиды, которые предотвращают рост зерна и сохраняют структуру металла при длительном нагреве. Это критично для деталей, работающих в условиях высоких температур.

Часто задаваемые вопросы