Легированная сталь: классификация, свойства и области применения

5 февраля 2025

428

Время чтения 10 минут

(5)

Легированная сталь обеспечивает повышенную прочность и износостойкость при сложных условиях эксплуатации. Сплавы такого типа содержат определенный процент хрома, никеля, молибдена и других химических элементов. Присадочный набор влияет на структуру кристаллической решетки и обеспечивает улучшение механических показателей. 

Параметры регулируются нормами ГОСТ, где указывается марка стали и ее основные свойства. Легированные сплавы повышают надежность узлов в машиностроении, строительстве и авиакосмической сфере. Производители выбирают определенные компоненты для улучшения твердости, пластичности и ударной вязкости.

Основные различия между легированной и углеродистой сталью

Углеродистая сталь концентрирует свое главное свойство в содержании углерода. Чем выше процент углерода, тем более твердым становится металл, но при этом теряется пластичность. Легированная сталь дополнительно содержит хром, ванадий, никель или другие элементы. Каждый из них корректирует структуру и улучшает характеристики. Легирование дает возможность повысить прочностные показатели и сопротивление коррозии. Сложные сплавы обеспечивают оптимальный баланс твердости и ударной вязкости.

Большинство производителей указывает на маркировке, какие компоненты присутствуют в конкретном сорте. Углеродистая сталь стоит дешевле, но ее сфера применения может быть ограничена там, где требуются высокие показатели надежности. Легированные сорта используют в производстве деталей для экстремальных температур, вибрационных нагрузок и агрессивных сред.

Методы легирования стали

Получение стали с оптимальным набором свойств возможно разными путями. Существуют варианты, где на заключительном этапе выплавки вводят комплексные присадки. Другие предприятия ведут загрузку ферросплавов в процессе плавления. Метод выбирается с учетом характеристик сырья, конкретных требований к конечному изделию и экономической целесообразности. 

Нужна точная дозировка элементов для достижения необходимого уровня прочности, теплопроводности или коррозионной стойкости. Технологические схемы постоянно совершенствуются: металлурги активно исследуют способы равномерного распределения легирующих компонентов. Важнейшим критерием считается правильная последовательность действий и контроль химического состава.

Перечень методов:

• Одностадийное внесение ферросплавов – ферросплавы вводят за один прием, обычно на этапе плавки. Метод упрощает процесс и экономит время, но приводит к менее точному распределению элементов и повышенным потерям материала.
• Двухстадийное добавление присадок – присадки вводят на двух этапах, например, при плавке и разливке. Это улучшает контроль состава стали, снижает потери легирующих элементов и обеспечивает равномерное распределение.
• Вакуумное легирование – присадки вводят под вакуумом для уменьшения окисления и снижения содержания газов. Метод обеспечивает высокое качество металла, особенно для специальных сталей, но требует сложного оборудования.
• Легирование при разливке – добавки вводят прямо в процессе разливки стали в формы. Это снижает потери легирующих элементов и улучшает свойства литых заготовок.
• Обработка синтетическим шлаком – шлакообразующие смеси вводят на поверхность расплава для удаления примесей, защиты от окисления и улучшения состава. Метод повышает чистоту и качество стали.

Выбор технологии обуславливается типом выплавляемой стали, особенностями производственной линии и спецификой заказа. Одностадийная схема кажется простой, но потребует точной корректировки в самом конце плавки. Двухстадийный подход помогает более равномерно распределить элементы и стабилизировать микроструктуру. Вакуумная обработка снижает концентрацию растворенных газов и нежелательных примесей. Добавление присадок при разливке упрощает процесс, так как расплавленный металл уже доведен до нужной температуры. Шлаковые технологии повышают качество, однако требуют дополнительного оборудования и контроля состава.

Добавки, применяемые для легирования стали

Производители широко применяют различные химические элементы для регулирования свойств стали. Дополнительное легирование влияет на твердость, сопротивление коррозии и жаропрочность. Наличие никеля усиливает пластичность, а хром помогает повысить сопротивляемость агрессивной среде.

Таблица добавок:

Добавление элементов рассчитано на достижение требуемых характеристик. Правильная концентрация дает возможность укрепить структуру, регулировать теплопроводность и увеличить срок службы деталей. Применяют разные комбинации — все зависит от областей использования, желаемого уровня прочности и итоговых механических параметров.

Классификация легированной стали

Существуют разные критерии разделения легированных сортов. В одних системах применяют показатель среднего процентного содержания легирующих компонентов. В других классификациях учитывают способ изготовления, цель применения и уровень прочности. Производители выбирают свой подход в зависимости от рынка сбыта и особенностей сырья. Приведенные ниже группы встречаются чаще всего.

Конструкционные стали

Металлургические предприятия поставляют конструкционные стали для деталей машин, мостовых ферм, рельсов и других несущих элементов. Легирование нацелено на увеличение прочности без существенной потери пластичности. Маркировка характеризует содержание таких добавок, как хром или никель, что повышает сопротивление ударным и статическим нагрузкам. Конструкционные марки хорошо поддаются механической обработке, термообработке и сварке. Хром повышает твердость и сопротивление коррозии, а никель улучшает ударную вязкость и прочность при статических нагрузках.

Особенности конструкционных сталей:

• Высокая прочность при сохранении пластичности.
• Устойчивость к механическим и ударным нагрузкам.
• Легкость в обработке. Резка, сверление, гибка.
• Возможность улучшения свойств при термообработке.
• Универсальность применения в машиностроении, строительстве и транспорте.

В машиностроении из таких сталей изготавливают валы, шестерни и корпуса механизмов, обеспечивая высокую прочность и надежность оборудования. В строительстве конструкционные стали используют для мостовых ферм и опорных элементов зданий, так как они выдерживают большие статические нагрузки и воздействие внешней среды. В транспортной отрасли они применяются для производства рельсов, вагонов и автомобильных рам, что позволяет создать долговечные и устойчивые к износу конструкции.

Маркировка стали отражает содержание легирующих компонентов, что помогает точно подобрать материал под заданные условия эксплуатации. Конструкционные стали хорошо поддаются механической обработке, их легко резать, сверлить и формовать. После термообработки они приобретают дополнительные свойства, такие как улучшенная износостойкость или повышенная прочность. Сварка таких сталей также не вызывает сложностей, что делает их универсальным материалом для различных сфер применения.

Конструкционные стали — основа для создания надежных и долговечных изделий, от деталей машин до сложных инженерных сооружений. Благодаря своим характеристикам они остаются одним из самых востребованных материалов в промышленности.

Инструментальные стали (для резки и штамповки)

Инструментальные марки проектируются для изготовления резцов, сверл, штампов и прокатных валков. Базовый состав ориентируется на высокую твердость и износостойкость, поэтому востребован хром и ванадий. Правильная термообработка создает структуру, выдерживающую ударные нагрузки и длительную работу в условиях трения. Режущие кромки из таких сплавов долго сохраняют остроту и реже требуют переточки. Прочность поверхностного слоя компенсирует локальные перегревы, возникающие при обработке металлов. Микроструктура регулируется временем выдержки в печах и скоростью охлаждения.

Перечень инструментальных сталей:

• Высокохромистые сплавы содержат от 12 % хрома и больше. Хром повышает твердость и износостойкость стали. Материал устойчив к коррозии и сохраняет свойства при высоких температурах. Такие стали применяют для режущих инструментов, штампов и пресс-форм.
• Ванадиевые композиции отличаются высоким содержанием ванадия. Элемент способствует образованию мелкодисперсных карбидов, повышая прочность и износостойкость. Эти стали используют для изготовления сверл, пил и инструментов, рассчитанных на интенсивные нагрузки.
• Молибденсодержащие сорта обладают повышенной термостойкостью и прочностью за счет содержания молибдена. Такие сплавы подходят для инструментов, работающих при высоких температурах и длительных механических нагрузках.
• Никелевые усиленные марки демонстрируют высокую ударную вязкость и пластичность. Никель улучшает сопротивление разрушению. Эти сплавы используют для создания инструментов, которые функционируют при динамических нагрузках и низких температурах.
• Комплексные сплавы с жаростойким эффектом содержат хром, молибден, никель и другие легирующие элементы. Такое сочетание обеспечивает устойчивость к высоким температурам, износу и коррозии. Эти стали находят применение в литейном производстве и авиакосмической отрасли.

Применение инструментальных сталей помогает продлить срок службы режущего и штампового инструмента, сократить простои из-за частой заточки и ремонтных работ. Равномерный химический состав обеспечивает стабильность параметров при каждом рабочем цикле. Высокохромистые сплавы подходят для штампов холодной штамповки. 

Молибденсодержащие варианты стабильно работают при повышенных температурах. Ванадиевые компоненты повышают ударную вязкость инструмента и снижают риск микротрещин. Надежная инструментальная сталь значительно оптимизирует производственные процессы и повышает качество конечной продукции.

Специальные стали: нержавеющие, жаропрочные, износостойкие и другие

Специальные стали создают для работы в специфических условиях, таких как высокая температура, агрессивные среды или интенсивный износ. Они отличаются уникальными свойствами, которые обеспечиваются введением легирующих элементов в строго рассчитанных пропорциях.

Нержавеющие стали содержат не менее 12 % хрома. Этот элемент образует на поверхности тонкую оксидную пленку, которая защищает металл от коррозии. Такие сплавы используют в пищевой, химической, медицинской промышленности, а также для производства труб, резервуаров и оборудования, работающего в агрессивных средах.

Жаропрочные стали сохраняют прочность и устойчивость к окислению при температурах выше 600 °C. Они включают в состав хром, никель, молибден или вольфрам, которые препятствуют разрушению структуры под воздействием тепла. Эти сплавы применяют в энергетике, авиастроении и производстве турбин, где детали работают в условиях высоких термических нагрузок.

Износостойкие стали обладают повышенной твердостью и сопротивлением механическим повреждениям. Они содержат марганец, бор или молибден, которые улучшают стойкость к абразивному износу. Такие марки востребованы для производства деталей землеройной техники, дробильных машин, ковшей экскаваторов и другого оборудования, работающего с твердыми материалами.

Каждый тип специальных сталей подбирают в зависимости от условий эксплуатации, что позволяет продлить срок службы изделий и обеспечить их надежность в экстремальных условиях.

Особенности маркировки легированных сталей

Легированные сорта получили обширную систему условных обозначений. Производители указывают химический состав, процент легирующих элементов и углерода. Марка 40Х, к примеру, характеризует содержание примерно 0,4 % углерода и присутствие хрома. В вариантах 20ХГР наименование отражает наличие хрома и марганца. 

Стандартная российская система базируется на ГОСТ, где каждая буква символизирует отдельный легирующий элемент, а цифры помогают понять уровень углерода. Более сложные модификации включают два и более элемента, тогда применяется расширенное буквенное обозначение. При заказе важно учитывать точную специфику марки.

Перечень общепринятых буквенных обозначений:

• Х — хром
• Г — марганец
• Н — никель
• М — молибден
• В — вольфрам
• Ф — ванадий
• Т — титан

Шифрование помогает быстро понять примерную структуру и основные свойства сплава. Хром в марке указывает на коррозионную стойкость или повышение твердости. Никель дает пластичность и устойчивость к низким температурам. Марганец оптимизирует процессы прокатки и раскисления. 

Молибден сохраняет механические показатели при высоких температурах. При выборе конкретной марки учитывается режим термообработки и реальная нагрузка в дальнейшем использовании. Комбинация нескольких элементов в составе обозначается цепочкой букв: 12ХН3А или 18ХГТ и т.д.

Применение легированной стали в различных сферах

Изготовление несущих конструкций, производство труб большого диаметра, выпуск деталей для энергетических установок — лишь некоторые области использования таких сплавов. Мосты, нефтегазовые конструкции и резервуары для химических агрессивных сред часто требуют легированных сталей из-за усиленной коррозионной стойкости. Авиастроение и космические программы ориентируются на облегченные сорта с высоким уровнем прочности. Оборонный комплекс выбирает марки, показывающие высокую надежность при ударных нагрузках. Автопром использует среднелегированные варианты для каркасов, подвесок и силовых элементов.

Легированные стали применяются также в судостроении для создания корпусов кораблей, работающих в условиях высокой влажности и воздействия соленой воды. Железнодорожная промышленность использует их для изготовления рельсов, колес и осей, где требуется высокая износостойкость и долговечность. В строительстве высотных зданий легированные стали незаменимы для изготовления несущих балок и арматуры, обеспечивая устойчивость конструкций к сейсмическим нагрузкам.

Энергетическое машиностроение активно применяет такие стали для изготовления паровых котлов, турбин и тепловых труб, которые работают при высоких температурах и давлениях. В медицинской отрасли из легированных сталей изготавливают хирургические инструменты и импланты, где важны коррозионная стойкость и биосовместимость.

Сфера добычи полезных ископаемых нуждается в легированных сталях для производства землеройной и дробильной техники, которая подвергается постоянному абразивному износу. В нефтегазовой промышленности из них производят трубы, работающие в условиях высоких давлений, низких температур и агрессивных химических сред.