Легирующий элемент придающий стали жаропрочность

Характеристики углеродистых сталей далеко не всегда соответствуют требованиям, которые предъявляют к материалам различные отрасли промышленности. Чтобы откорректировать их свойства, используют легирование.

Чем отличаются легирующие элементы от примесей

В углеродистых сталях, помимо основных элементов – железа и углерода, есть и другие: марганец, сера, фосфор, кремний, водород и прочие. Их считают примесями и делят на несколько групп:

• К постоянным относят серу, фосфор, марганец и кремний. Они всегда содержатся в стали в небольших количествах, попадая в нее из чугуна или используясь в качестве раскислителей.
• К скрытым относят водород, кислород и азот. Они тоже присутствуют в любой стали, попадая в нее при выплавке.
• К случайным относят медь, мышьяк, свинец, цинк, олово и прочие элементы. Они попадают в сталь из шихтовых материалов и считаются особенностью руды.

Для каждой из перечисленных примесей характерно определенное процентное содержание. Так, марганца в стали, как правило, не более 0,8 %, кремния – не более 0,4 %, фосфора – не более 0,025 %, серы – не более 0,05 %.

Если обычного содержания некоторых элементов недостаточно, для получения сталей с нужными свойствами в них дополнительно вносят в определенных количествах специальные примеси, которые называют легирующими добавками.

Химический состав стали, формируемый в процессе выплавки, напрямую влияет на ее механические свойства

Как примеси влияют на свойства сталей

Примеси оказывают разное влияние на характеристики сталей:

• Углерод (С) повышает твердость, прочность и упругость сталей, но снижает их пластичность.
• Кремний (Si) при содержании в стали до 0,4 % и марганец при содержании до 0,8 % не оказывают заметного влияния на свойства.
• Фосфор (P) увеличивает прочность и коррозионную стойкость сталей, но снижает их пластичность и вязкость.
• Сера (S) повышает хрупкость сталей при высоких температурах, снижает их прочность, пластичность, свариваемость и коррозионную стойкость.
• Азот (N2) и кислород (O2) уменьшают вязкость и пластичность сталей.
• Водород (H2) повышает хрупкость сталей.

Как легирующие элементы влияют на свойства сталей

Легирующие добавки вводят в стали для изменения их характеристик:

• Хром (Cr) повышает твердость, прочность, ударную вязкость, коррозионную стойкость, электросопротивление сталей, одновременно уменьшая их коэффициент линейного расширения и пластичность.
• Никель (Ni) увеличивает пластичность, вязкость, коррозионную стойкость и ударную прочность сталей.
• Вольфрам (W) повышает твердость и прокаливаемость сталей.
• Молибден (Mo) увеличивает упругость, коррозионную стойкость, сопротивляемость сталей растягивающим нагрузкам и улучшает их прокаливаемость.
• Ванадий (V) повышает прочность, твердость и плотность сталей.
• Кремний (Si) увеличивает прочность, упругость, электросопротивление, жаростойкость и твердость сталей.
• Марганец (Mn) повышает твердость, износоустойчивость, ударную прочность и прокаливаемость сталей.
• Кобальт (Co) увеличивает ударную прочность, жаропрочность и улучшает магнитные свойства сталей.
• Алюминий (Al) повышает жаростойкость и стойкость сталей к образованию окалины.
• Титан (Ti) увеличивает прочность, коррозионную стойкость и улучшает обрабатываемость сталей.
• Ниобий (Nb) повышает коррозионную стойкость и устойчивость сталей к воздействию кислот.
• Медь (Cu) увеличивает коррозионную стойкость и пластичность сталей.
• Церий (Ce) повышает пластичность и прочность сталей.
• Неодим (Nd), цезий (Cs) и лантан (La) снижают пористость сталей и улучшают качество поверхности.

Виды легированных сталей

В зависимости от содержания легирующих элементов, стали делят на три вида:

1. Если легирующих элементов менее 2,5 %, стали относят к низколегированным.
2. При их содержании от 2,5 до 10 % стали считаются среднелегированными.
3. Если легирующих элементов более 10 %, стали относят к высоколегированным.

Заключение

Примеси неизбежно присутствуют в сталях, но ряд из них являются вредными (к ним относятся скрытые примеси), поэтому их содержание стараются минимизировать. Легирующие элементы добавляют в стали целенаправленно для улучшения их свойств или получения специфических характеристик.

У нас вы найдете широкий ассортимент металлопроката по доступным ценам. Требуется консультация? Напишите на почту [email protected] или позвоните – наши менеджеры ответят на все вопросы.

Легирующие элементы в жаропрочных сплавах

Калькулятор металлопроката С высоким эл. сопротивлением

В статье рассказывается про применение различных легирующих элементов при производстве жаропрочных сталей и сплавов.

Практически все жаропрочные сплавы создаются на металлургических производствах с использованием технологии легирования. Сущность технологии заключается в расширении химического состава и усложнении структуры базовой основы сплава путем введения в него различных легирующих элементов. В конечном итоге сплав приобретает жаропрочность – способность длительное время сохранять механическую прочность и коррозионную стойкость при высоких температурах эксплуатации.

Пластическая деформация и разрушение сплава при интенсивном нагреве объясняется ослаблением и нарушением межатомных связей и диффузной ползучестью материала, краевой дислокацией в структуре кристаллической решетки. Чтобы сделать сплав жаропрочным, необходимо стабилизировать его структуру, предотвратить или свести к минимуму деформационные процессы, протекающие под воздействием высоких температур.

Для решения этих задач сплавы упрочняют легирующими элементами, которые повышают энергию, прочность и стабильность кристаллических связей, замедляют диффузию, оказывая влияние на увеличение размера зерен и упрочнение их границ, препятствуют рекристаллизации. Для наибольшего эффекта легирование выполняется не одним, а несколькими химическими элементами, которые помимо жаропрочности придают сплаву дополнительные технологические свойства.

Выбор химических элементов для легирования сплава с целью повышения его жаропрочности определяется свойствами, которые ему необходимо придать.

Среди часто применяемых для легирования элементов можно назвать никель (Ni), вольфрам (W), молибден (Mo), ванадий (V), кобальт (Co), ниобий (Nb), титан (Ti).

Каждый по-своему влияет на физические и химические характеристики сплава, поэтому, как правило, они вводятся в базовый состав комплексно, в различных комбинациях и пропорциях.

Например, молибден, титан и ниобий являются карбидообразователями.

Связывая содержащийся в сплаве углерод в прочные карбиды, они обеспечивают эффективное торможение дислокаций и диффузий, усиливают межатомные связи, способствую формированию более стабильной структуры материала и повышению его жаропрочности. Наличие в сплаве никеля обуславливает его сопротивление к окислению на воздухе, а в комбинации с кобальтом, никель способствует повышению длительной прочности сплава.

В металлургии для получения разных марок жаростойких сплавов, используют специальные полупродукты на основе железа (Fe), содержащие определенный процент необходимого легирующего элемента – ферросплавы.

Вводимые в жидкую субстанцию того или иного металла, ферросплавы, в виде чушек, блоков или гранул, значительно упрощают технологическую схему и сам процесс корректировки химического состава жаростойкого сплава.

Необходимо отметить, что ферросплавами условно называют и те полупродукты, где железо не является базовой основой, а содержится лишь в виде примеси. Сортамент ферросплавов для легирования жаростойких металлов весьма разнообразен. Наиболее важными ферросплавами в современной металлургии являются ферроникель, ферровольфрам, ферромолибден, феррованадий, феррониобий, ферротитан, феррокобальт.

Рисунок 1. Сводная таблица легирующих элеменнтов.

Никель

Никель повышает пластичность, вязкость, теплоемкость сплава, увеличивает его сопротивляемость к образованию трещин и коррозии, улучшает возможности термообработки.

В связи с этим ферроникель – один из самых распространенных и востребованных ферросплавов глобальной металлургической отрасли.

Мировые стандарты определяют пять марок ферроникеля, содержащего 20-70% никеля, плюс незначительное количество углерода (С), серы (S), фосфора (Р), кремния (Si), хрома (Cr), меди (Cu).

Легированные никелем жаропрочные сплавы, как правило, содержат 8-25% никеля, а некоторые до 35% и более.

Однако из-за того, что никель снижает твердость сплава, для легирования его обычно используют не в чистом виде, а в сочетании с железом, хромом, молибденом, титаном, ниобием и другими элементами.

В качестве примера можно привести сплавы марок 12Х18Н9Т (Fe – около 61%) и 10Х17Н13МЗТ (Fe – около 67%) с содержанием никеля 8-9,5% и 12-14% соответственно.

Молибден и вольфрам

На физические характеристики сталей и сплавов вольфрам и молибден оказывают схожее влияние, существенно увеличивая предел длительной механической прочности при температурах до 1800°C (в вакууме).

Достаточно ввести 0,3-0,5% этих элементов в сплав, чтобы заметно усилить его сопротивление ползучести, укрепить межатомные связи кристаллической решетки, повысить температурный предел рекристаллизации.

Для сталеплавильной и литейной промышленности производят легирующие ферросплавы из молибдена и вольфрама с железом: ферромолибден (55-60% Мо) и ферровольфрам (65-85% W).

Для легирования в сплавы обычно вводят относительно небольшое количество молибдена (около 0,2-20%) и вольфрама (до 10-12%), поскольку переизбыток этих элементов способен повысить хрупкость сплава при нагреве.

В качестве примера сплава, легированного молибденом и вольфрамом можно привести жаропрочную низколегированную сталь 12Х1МФ (Fe – около 96%) с содержанием Мо 0,25-0,35 процента.

В этом же ряду жаропрочная релаксационностойкая сталь 20Х3МВФ (Fe – около 93%) содержащая Мо 0,35-0,55% и W 0,3-0,5%, а также сплав на основе никеля ХН57МТВЮ (Мо 8.5-10%, W 1.5-2.5%, Fe 8-10% и т.п.)

Ванадий

Для легирования в сплавы обычно вводят относительно небольшое количество молибдена (около 0,2-20%) и вольфрама (до 10-12%), поскольку переизбыток этих элементов способен повысить хрупкость сплава при нагреве.

В качестве примера сплава, легированного молибденом и вольфрамом можно привести жаропрочную низколегированную сталь 12Х1МФ (Fe – около 96%) с содержанием Мо 0,25-0,35 процента.

В этом же ряду жаропрочная релаксационностойкая сталь 20Х3МВФ (Fe – около 93%) содержащая Мо 0,35-0,55% и W 0,3-0,5%, а также сплав на основе никеля ХН57МТВЮ (Мо 8.5-10%, W 1.5-2.5%, Fe 8-10% и т.п.)

С целью повышения характеристик по жаропрочности, состав легирующих элементов усложняется, часто вместе с ванадием в сплав вводятся молибден, хром, никель и т.п.

Показательным примером такой технологии легирования может служить жаропрочный сплав на основе железа марки 12Х2МФСР (Fe – около 95%) с содержанием V 0,2-0,35%, Мо 0,5-0,7%, Cr 1,6-1,9%, Ni до 0,25% и т.д.

Еще один пример мультилегирования сплава с применением ванадия – жаропрочная сталь 15Х2М2ФБС, включающая в себя V 0,25-0,4%, Мо 1,2-1,5 %, Cr 1,8-2,3%, Ni до 0,3% и т.д.

Специальные ферросплавы

Все используемые в литейном производстве жаропрочных сплавов ферросплавы условно делятся на две группы: первая — ферросплавы массового применения, вторая — специальные ферросплавы.

Ко второй группе относятся соединения железа с титаном, кобальтом, ниобием и рядом других элементов.

Специальные ферросплавы применяют в небольших пропорциях 4–6%, и не только для повышения рабочей температуры жаропрочных сплавов, но для придания им особых свойств.

Например, феррониобий применяется для легирования жаропрочных хромоникелевых сталей, поскольку ниобий эффективно препятствует межкристаллитной коррозии, разрушающей границы зерна и ведущей к потере прочности материала.

В свою очередь ферротитан вводится в жаропрочные сплавы для усиления общих антикоррозийных характеристик. Кроме того, титан улучшает свариваемость нержавеющих сталей.

Легирование жаропрочных сплавов феррокобальтом позитивно сказывается на их релаксационной стойкости, особенно это касается хромистых сталей.

Жаростойкие стали: состав и марки жаропрочных сплавов

Жаропрочная сталь, представленная на современном рынке большим разнообразием марок, как и сплавы жаростойкой категории, признается большинством специалистов лучшим материалом для изготовления элементов конструкций и оборудования, которые эксплуатируются в постоянном контакте с агрессивными средами и в других сложных условиях.

Типичные изделия из жаропрочной стали – печи, камины, котлы и металлические дымоходы

Жаропрочность и жаростойкость металла

Жаростойкость, которой обладают стали и другие металлические сплавы отдельной категории, имеет еще одно название – «окалиностойкость».

Это свойство, которым отдельные металлы наделяют в процессе производства, заключается в их способности длительное время в условиях повышенных температур активно противостоять такому негативному явлению, как газовая коррозия.

В отличие от жаростойких, жаропрочные стали и металлы другого типа обладают способностью не разрушаться и не деформироваться под длительным воздействием высоких температур.

Короткий экскурс в формате видео об особенностях жаропрочных сталей и их отличиях от других сплавов.

Металлы, которые отличаются жаростойкостью, применяют преимущественно для изготовления ненагруженных конструкций, эксплуатируемых в условиях постоянного воздействия на них газовой окислительной среды и температуры, не превышающей 550°. К таким конструкциям, в частности, относятся элементы нагревательных печей.

Сплавы, выполненные на основе железа, даже если их отличает жаростойкость, при таких условиях эксплуатации и при воздействии температуры, превышающей 550°, начинают активно окисляться, что приводит к появлению на их поверхности пленки, состоящей из оксида железа. Формирующееся на поверхности такого металла химическое соединение железа и кислорода – это, по сути, окалина хрупкого типа. Ее характеризует элементарная кристаллическая решетка, содержащая недостаточное количество атомов второго вещества.

Свойства оксидов элементов, увеличивающих жаростойкость железа

Чтобы улучшить такое свойство стали, как жаростойкость, в ее химический состав вводят хром, алюминий и кремний. Соединяясь с кислородом, эти элементы способствуют формированию в структуре металла плотных и надежных кристаллических структур, что и улучшает его способность безболезненно переносить воздействие повышенных температур.

Количество и тип легирующих добавок, вводимых в химический состав сплава, выполненного на основе железа, зависит от температурных условий эксплуатации изделий, которые будут из него изготовлены.

Лучшую жаростойкость демонстрируют стали, легирование которых выполнено на основе такого металла, как хром. К наиболее известным маркам таких сталей, которые называют сильхромами, относятся:

• 08Х17Т;
• 15Х25Т;
• 15Х6СЮ;
• 36Х18Н25С2.

Химический состав жаропрочных сталей марок 13Х11Н2В2МФ, 15Х11МФ, 20Х13, 20Х12ВНМФ

Что характерно, жаростойкость стали повышается с увеличением в ее химическом составе количества хрома. Используя данный металл в качестве легирующего элемента, можно создавать марки сталей, изделия из которых не будут утрачивать своих первоначальных характеристик даже при длительном воздействии на них температуры, превышающей 1000 градусов.

Особенности материалов с жаропрочными свойствами

Жаропрочные стали и сплавы, как уже говорилось выше, способны успешно эксплуатироваться в условиях постоянного воздействия высоких температур, при этом не проявляя склонности к ползучести.

Суть этого негативного процесса, которому подвержены стали обычных марок и другие металлы, заключается в том, что материал, на который воздействуют неизменная температура и постоянная нагрузка, начинает медленно деформироваться, или ползти.

Ползучесть, которой и стараются избежать, создавая жаропрочные стали и металлы другого типа, бывает двух видов:

• длительная;
• кратковременная.

Для определения ползучести сплавов в иследовательских центрах используют комплекс испытательных машин

Чтобы определить параметры кратковременной ползучести, материалы подвергают специальным испытаниям, для чего их помещают в печь, нагретую до определенной температуры, и прикладывают к ним растягивающую нагрузку. Такое испытание проводится в течение ограниченного промежутка времени.

Проверить материал на его склонность к длительной ползучести и определить такой важный параметр, как предел ползучести, за короткий промежуток времени не получится.

Для этого испытуемое изделие, помещенное в печь, необходимо подвергать длительной нагрузке.

Важность такого показателя, как предел ползучести материала, заключается в том, что он характеризует наибольшее напряжение, которое приводит к разрушению разогретого изделия после воздействия в течение определенного промежутка времени.

Марки жаропрочных и жаростойких сталей

Стали, отличающиеся жаропрочностью и жаростойкостью, по состоянию внутренней структуры подразделяются на несколько категорий:

• аустенитные;
• мартенситные;
• перлитные;
• мартенситно-ферритные.

При этом стали, относящиеся к категории жаростойких, могут быть представлены еще двумя типами:

• ферритные;
• аустенитно-ферритные или мартенситные.

Основные свойства некоторых жароупорных сталей (нажмите для увеличения)

Если рассматривать стали с мартенситной внутренней структурой, то их наиболее известными марками являются:

• Х5 (из такой жаропрочной стали производят трубы, которые предполагается эксплуатировать при температурах, не превышающих 650°);
• Х5М, Х5ВФ, Х6СМ, 1Х8ВФ, 1Х12Н2ВМФ (используются для производства изделий, эксплуатируемых при 500–600° на протяжении определенного периода времени (1000–10000 часов));
• 3Х13Н7С2 и 4Х9С2 (изделия из данных марок могут успешно эксплуатироваться при 850–950°, поэтому из таких сталей производят клапаны двигателей транспортных средств);
• 1Х8ВФ (изделия из жаропрочной стали этой марки могут успешно эксплуатироваться при температурах, не превышающих 500°, на протяжении 10000 часов и даже дольше; из данного материала, в частности, производят конструктивные элементы паровых турбин).

Листовая жаропрочная сталь используется там, где требуется хорошая стойкость к высокой температуре и к агрессивной среде

Основой мартенситной структуры стали является перлит, который меняет свое состояние в том случае, если в составе материала увеличить количественное содержание хрома.

Перлитными являются следующие марки жаропрочных и жаростойких сталей, относящихся к хромомолибденовым и хромокремнистым: Х6С, Х6СМ, Х7СМ, Х9С2, Х10С2М и Х13Н7С2.

Чтобы получить из этих сталей материал с внутренней структурой сорбита, который отличается высокой твердостью (не менее 25 единиц по шкале HRC), их сначала закаливают при 950–1100°, а затем подвергают отпуску.

Стальные сплавы с ферритной внутренней структурой, относящиеся к категории жаростойких материалов, содержат в своем химическом составе от 25 до 33% хрома, который и определяет их характеристики.

Чтобы придать таким сталям мелкозернистую структуру, изделия из них подвергают отжигу. К сталям данной категории относят марки 1Х12СЮ, Х17, 0Х17Т, Х18СЮ, Х25Т и Х28.

Следует иметь в виду, что при нагревании этих сталей до 850° и выше, зерно в их внутренней структуре начинает укрупняться, что приводит к увеличению их хрупкости.

Жаропрочная нержавеющая сталь применяется при производстве тонколистового проката, бесшовных труб и различных агрегатов пищевой и химической промышленности

Стали, основу структуры которых составляют мартенсит и феррит, активно применяются для производства изделий различного назначения, используемых в машиностроительной отрасли.

Изделия, для изготовления которых применяют такие жаропрочные сплавы, даже на протяжении достаточно длительного времени могут успешно эксплуатироваться при температуре, находящейся в пределах 600°. Наиболее распространенными марками данных жаропрочных сталей являются Х6СЮ, 1Х13, 1Х11МФ, 1Х12В2МФ, 1Х12ВНМФ, 2Х12ВМБФР.

Такие жаропрочные сплавы отличаются тем, что хром в их химическом составе содержится в пределах 10–14%, а легирующими добавками, при помощи которых улучшают их химический состав, являются вольфрам, молибден и ванадий.

Аустенитные и аустенитно-ферритные стальные сплавы

Наиболее значимые особенности аустенитных сталей заключаются в том, что их внутренняя структура формируется за счет наличия в их составе никеля, а такое свойство, как жаростойкость, связано с присутствием хрома.

В сплавах подобной категории, отличающихся незначительным содержанием углерода в своем химическом составе, в некоторых случаях могут присутствовать такие легирующие элементы, как ниобий и титан.

Стали, основу внутренней структуры которых составляет аустенит, относятся к категории нержавеющих, а при длительном воздействии высоких температур (до 1000 градусов) успешно противостоят формированию слоя окалины.

Аустенитные сплавы марок Х17Н13М2 и Х17Н13М3 оптимально подходят для конструкций, работающих под воздействием кислот

К наиболее распространенным на сегодняшний день сталям с аустенитной внутренней структурой относятся сплавы дисперсионно-твердеющей категории. Для улучшения качественных характеристик в их состав добавляют интерметаллические или карбидные упрочнители, в зависимости от чего такие материалы и относят к определенной категории.

Наиболее популярными марками жаропрочных сталей, основу внутренней структуры которых составляет аустенит, являются:

• дисперсионно-твердеющие Х12Н20Т3Р, 4Х12Н8Г8МФБ, 0Х14Н28В3Т3ЮР, 4Х14Н14В2М (из этих жаропрочных сталей, относящихся к категории нержавеющих, изготавливают конструктивные элементы турбин и клапаны двигателей транспортных средств);
• гомогенные 1Х14Н16Б, 1Х14Н18В2Б, Х18Н12Т, Х18Н10Т, Х23Н18, Х25Н20С2, Х25Н16Г7АР (из материалов данных марок преимущественно производят арматуру и трубы, эксплуатируемые под воздействием значительных нагрузок, агрегаты сверхвысокого давления, элементы выхлопных систем).

Труба жаропрочная из стали марки 20Х23Н18 (она же Х23Н18 или ЭИ417) используется для изготовления печного оборудования, поковок и бандажей

Стальные сплавы, основу внутренней структуры которых составляет смесь аустенита и феррита, отличает исключительная жаропрочность, превышающая по своим показателям аналогичный параметр даже высокохромистых материалов.

Такие характеристики жаропрочности достигаются за счет высочайшей стабильности внутренней структуры сталей данной категории. Изделия из них могут успешно эксплуатироваться даже при температурах, доходящих до 1150°.

Между тем для жаропрочных сталей с аустенитно-мартенситной внутренней структурой характерна повышенная хрупкость, поэтому их нельзя использовать для производства изделий, эксплуатируемых под высокой нагрузкой.

Из жаропрочных сталей данной категории производят изделия следующего назначения:

• пирометрические трубки (Х23Н13);
• конвейеры для печей, жаропрочные трубы, емкости для осуществления процедуры цементации (Х20Н14С2 и 0Х20Н14С2).

Стали и металлы, отличающиеся тугоплавкостью

Стальные сплавы, основу которых составляют тугоплавкие металлы, используют для производства изделий, эксплуатируемых при 1000–2000°.

Тугоплавкие металлы, входящие в химический состав таких сталей, характеризуются следующими температурами плавления (см. таблицу).

Температура плавления тугоплавких металлов

За счет того, что тугоплавкие стали данной категории характеризуются высокой температурой перехода в хрупкое состояние, при значительном нагреве они деформируются. Чтобы повысить жаропрочность таких сталей, в их химический состав водятся специальные добавки, а для увеличения жаростойкости их легируют такими элементами, как титан, молибден, тантал и др.

Наиболее распространенными соотношениями химических элементов в составе тугоплавких сплавов являются:

• основа – вольфрам и 30% рения;
• 60% ванадия и 40% ниобия;
• основа – 48% железа, 15% ниобия, 5% молибдена и 1% циркония;
• 10% вольфрама и тантал.

Сплавы на основе никеля и смеси никеля с железом

Сплавы на никелевой основе (55% никеля) или выполненные на базе смеси никеля с железом (65%) являются жаропрочными и обладают достойными жаростойкими качествами. Базовым легирующим элементом для любых сталей данной категории является хром, которого в них может содержаться от 14 до 23%.

Если говорить о стойкости и прочности, высокие показатели которых сохраняются при повышенных температурах, то такими качествами обладают стальные сплавы, выполненные на основе никеля.

К наиболее популярным из них относятся ХН60В, ХН67ВМТЮ, ХН70, ХН70МВТЮБ, ХН77ТЮ, ХН78Т, ХН78Т, ХН78МТЮ. Часть сталей данных марок являются жаропрочными, а остальные – жаростойкими.

При нагреве на поверхности изделий из сплавов данных марок появляется оксидная пленка на основе хрома и алюминия, а в твердых растворах структуры таких металлов формируются соединения алюминия с никелем или титана с никелем, что и обеспечивает устойчивость таких материалов к воздействию высоких температур. Более подробно с характеристиками жаропрочных сплавов никелевой группы можно познакомиться, изучив специальные справочники.

Роторные валы из никелевого жаропрочного сплава

Стали никелевой группы используют для изготовления:

• элементов газовых конструкций и коммуникаций (ХН35ВМТЮ; примером изделий подобного назначения является труба жаропрочная);
• конструктивных элементов турбинных устройств (ХН35ВТР);
• конструктивных элементов компрессоров – лопаток и дисков (ХН35ВТЮ);
• роторов, которыми оснащают турбины (ХН35ВТ и ХН35ВМТ).

В заключение познавательное видео о тонкостях производства и обработки стали в домашних условиях.

Легирование стали — элементы, классификация, применение, марки | Полезные статьи о металлопрокате

Задать вопрос

Наши специалисты ответят на любой интересующий вопрос по услуге

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.

Элементы, содержание которых превышает обычное предельное значение, указанное в стандартах, называются легирующими добавками. Изменение химического состава металла путем введения легирующих добавок называется легированием стали. Основные цели легирования:

• повышение прокаливаемости;
• получение специфических прочностных свойств;
• вызов желаемых структурных изменений;
• получение специальных химических или физических свойств;
• улучшение и упрощение технологии термообработки;
• повышение коррозионной стойкости и устойчивости к различным температурам.

Исходя из вышесказанного следует, что легирование стали – это металлургический процесс плавки, в ходе которого в него вводятся различные добавки. Добавление легирующих элементов производится двумя способами:

• Объемным – компоненты проникают в глубинную структуру материала путем их добавления в шихту или расплав.
• Поверхностный – введение легирующих компонентов только верхний слой стали, на глубину 1-2 мм. Такой способ придает материалу определенные свойства, к примеру, антифрикционные.

• Хром – увеличивает прочность и твердость, повышает ударную вязкость. В инструментальные стали добавляется для повышения прокаливаемости. В случае нержавеющих сталей – определяет коррозионную стойкость.
• Никель – повышает прочность и твердость при сохранении высокой ударной вязкости. Понижает пороговую температуру хрупкости. Это влияет на хорошую прокаливаемость сталей, особенно при участии хрома и молибдена.
• Марганец — повышает твердость и прочность за счет пластических свойств. Марганцевая сталь характеризуются повышенным пределом упругости и более высокой стойкостью к истиранию.
• Кремний – в металлургическом процессе играет роль раскислителя. Его добавление увеличивает прочность и твердость стали.
• Молибден – повышает прокаливаемость сталей больше, чем хром и вольфрам. Уменьшает хрупкость металла после высокого отпуска.
• Алюминий – сильно раскисляет, предотвращает рост аустенитных зерен.
• Титан – понижает зернистость, что приводит к большей устойчивости к появлению расколов и трещин. Улучшает восприимчивость к металлообработке.

Легирующих добавок может быть несколько, и для получения тех или иных характеристик их введение может производиться на разных этапах плавки.

Помимо того, что в состав стали вводят различные добавки, в самом материале также присутствуют примеси, которые полностью убрать из состава невозможно:

• Углерод – способствует повышению твердости, прочности и ударостойкости. Однако его превышение в составе металла понижает пластичность и все вышеперечисленные характеристики.
• Марганец – раскислитель, защищающий от кислорода и серы.
• Сера – высоким считается ее содержание выше 0,6%, что плохо сказывается на пластичности, прочности, свариваемости и коррозионной устойчивости.
• Фосфор – ведет к повышению текучести и хрупкости, понижает вязкость и пластичность.
• Кислород, азот, водород – делают сплав более хрупким, снижают показатели его выносливости.

Благодаря таким характеристикам, как прочность, устойчивость к нагрузкам, твердость, уменьшение намагниченности и нужный уровень вязкости, легированную сталь используют в самых разных сферах человеческой деятельности. Из нее производят:

• медицинские инструменты, в том числе, и режущие;
• детали с высокой опорной и радиальной нагрузкой;
• элементы станков для металлообработки;
• нержавеющую посуду;
• детали автомобилей;
• аэрокосмические детали;
• пресс-формы и другие элементы для горячей штамповки, сохраняющие свои свойства при температуре до + 600 градусов;
• измерительные приборы и так далее.

Принимая принцип разделения по структуре, образованной в условиях медленного охлаждения стали в диапазоне температур, близких к солидусу, или в отожженном состоянии, сталь можно классифицировать следующим образом:

• подевтектоид с ферритно-перлитной структурой;
• эвтектоид с перлитной структурой;
• гиперэвтектоид, содержащий вторичные карбиды, отделенные от аустенита;
• ледебуритная сталь, в структуре которой встречаются первичные карбиды, выделившиеся при кристаллизации;
• ферритная или аустенитная с осаждением карбидов или интерметаллических фаз. Обычно это стали с высоким содержанием легирующих элементов и низким содержанием углерода;
• ферритно-мартенситная или ферритно-аустенитная сталь с наиболее часто высокотемпературным ферритом δ.

Все марки легированных сталей разделяют на три подвида в зависимости от количества полезных примесей:

• Низколегированная – процентное содержание добавок около 2,5%. Прибавление некоторых положительных качеств при практически неизменных основных характеристиках.
• Среднелегированная – процентное содержание добавок около 10%. Наиболее часто используемое соединение.
• Высоколегированная – процентное содержание добавок варьируется от 10 до 50%. Высоколегированная сталь является максимально прочной и дорогой.

Независимо от того, какое процентное содержание добавок в составе металла, сталь разделяется на 3 подвида:

1. Инструментальная – жаропрочный материал, используемый при производстве станочных и ручных инструментов (сверла, фрезы, стальные резцы и так далее).
2. Конструкционная – прочная сталь, способная выдерживать высокие динамические и статические нагрузки. Используется при изготовлении двигателей и стальных механизмов в машиностроении, применяется в сфере строительства и станкостроения.
3. С особыми свойствами – сталь, отличающаяся химической и термической устойчивостью (нержавеющая, кислотостойкая, магнитная, износостойкая, трансформаторная и другие виды). Ряд исследователей предлагают отдельное деление для данного вида сталей:

• Жаропрочные – способны выдерживать температуру до 1000 градусов.
• Окалиностойкие и жароустойчивые – стали, невосприимчивы к распаду.
• Устойчивые к коррозии – применяются при производстве изделий, работающих в условиях высокой влажности.

В СНГ используется буквенно-цифровая маркировка легированных сталей. Буквами обозначают основные легирующие добавки, цифрами, идущими следом за буквами, обозначают процент их содержания в сплаве (округляя до целого числа).

Если в металле присутствует не более 1,5% той или иной добавки, цифра не ставится. Процентное содержание углерода × 100 указывается вначале наименования стали. Буква A, стоящая в середине маркировки, указывает на содержание азота.

Если две буквы A стоят в конце, это указывает на особо чистую сталь. Буква Ш в конце обозначает сталь особо высокого качества.

Маркировка может быть дополнена и другими обозначениями, к примеру:

• Э — электротехническая;
• P — быстрорежущая;
• A — автоматная;
• Л — полученная литьем.

Исчерпывающие перечни марок легированной стали указаны в ГОСТ 4543-71.

Каждый отдельный элемент придает стали в зависимости от его доли определенные специфические свойства. В случае присутствия нескольких элементов эффект может быть увеличен.

Но существуют варианты сплавов, в которых отдельные элементы в отношении определенного поведения оказывают свое влияние не в одном направлении, а могут противодействовать друг другу.

Наличие легирующих элементов в стали создает только предпосылку для желаемых свойств; их можно достичь лишь с помощью переработки и тепловой обработки. Ниже перечислены главные виды влияния, которые оказывают на сталь легирующие и сопутствующие элементы.

Алюминий (Al) Температура плавления 658° C

Это наиболее сильное, очень часто применяемое дезоксидационное и, кроме этого, денитрирующее средство; благодаря этому оно очень благоприятно воздействует на нечувствительность к старению. В небольших добавках он поддерживает образование мелких зерен.

Поскольку Al образовывает с азотом нитриды высокой твердости, он является преимущественно легирующим элементом в азотированной стали. Он повышает стойкость к окалинам и поэтому часто добавляется в ферритную жаростойкую сталь. В нелегированной углеродной стали можно с помощью „алитирования“ (добавления Al в поверхность) повысить стойкость к окалинам. Al сильно суживает — зону.

Из-за сильного повышения коэрцитивной силы алюминий является легирующим элементом в магнитотвердых сплавах железа, никеля, кобальта, алюминия.

Свинец (Pb) Температура плавления 327.4° C

Добавляется в автоматную сталь в содержании прибл. 0.2-0.5%, поскольку благодаря его чрезвычайно тонкому суспензионному распределению достигается образование краткой стружки и чистой поверхности разреза. Указанные содержания свинца практически не влияют на механические свойства стали.

Бор (B) Температура плавления 2300° C

Поскольку бор имеет большое эффективное поперечное сечение для абсорбции нейтронов, им легируют сталь для регуляторов и экранов в установках по атомной энергии.

Аустенитная 18/8 CrNi-сталь может с помощью бора благодаря дисперсионному твердению получить более высокий предел текучести при растяжении и прочность, при чем уменьшается антикоррозионная стойкость. Вызванные бором выделения улучшают прочность высокожаропрочных типов аустенитной стали в зоне повышенных температур.

В строительной стали этот элемент улучшает глубокую цементацию и вызывает, таким образом, повышения прочности зерна цементируемой стали. Следует рассчитывать на сокращение сварочных работ в легированной бором стали.

Хром (Cr) Температура плавления 1857° C

Cr делает сталь способной к закалке в масле и воздухе. Вследствие понижения необходимой для образования мартензитов критической скорости охлаждения он повышает закаливаемость и улучшает, таким образом, способность к повышению качества.

Однако ударная вязкость уменьшается, но сокращает растяжение лишь немного. Свариваемость сокращается в чистой хромовой стали при увеличении содержания хрома. Прочность стали на растяжение повышается на 80-100 н/мм на каждый 1% Cr. Cr является образователем карбида.

Его карбиды повышают стойкость к режущим инструментам и износостойкость. Термическая стойкость и стойкость к напорному водороду увеличиваются благодаря хрому.

В то время, как увеличение содержания хрома повышает стойкость к окалинам, для антикоррозионной стойкости стали необходимо минимальное содержание хрома прибл. 13%, который должен быть растворен в матрице.

Элемент отсекает зону и расширяет, таким образом, ферритную зону; стабилизирует аустенит в аустенитной стали Cr-Mn- или Cr-Ni. Теплопроводимость и электрическая проводимость уменьшаются. Тепловое расширение понижается (сплавы для впаивания в стекло). При одновременно более высоком содержании углерода содержание хрома до 3% повышает остаточный магнетизм и коэрцитивную силу.

Углерод (C) Температура плавления 3540° C

Углерод является наиболее важным и влиятельным легирующим елементом в стали. Наряду с углеродом каждая нелегированная сталь содержит кремний, марганец, фосфор и серу, которые добавляются при изготовлении непреднамеренно.

Добавление дальнейших легирующих элементов для достижения особых эффектов, а также сознательное повышение содержания марганца и кремния вызывает образование легированной стали.

При увеличении содержания углерода повышаются прочность и твердость стали, напротив его расширение, ковкость и обрабатываемость уменьшаются (режущими инструментами). Углерод практически не влияет на антикоррозионную стойкость к воде, кислотам и горячим газам.

Медь (Cu) Температура плавления 1084° C

Медь добавляется только к небольшому количеству сортов стали, поскольку она обогащается под слоем окалины и вследствие проникновения в пределы ядра вызывает большую нечувствительность поверхности при процессах тепловой деформации, поэтому она рассматривается частично как вредитель для стали.

Предел текучести при растяжении и соотношение предела текучести при растяжении и прочности повышаются. Содержание выше 0.30% может вызвать дисперсионное твердение. Закаливаемость улучшается. Медь не влияет на сварочные работы.

В нелегированной и слаболегированной стали благодаря меди достигается значительное улучшение стойкости к атмосферным явлениям.

Марганец (Mn) Температура плавления 1221° C

Марганец дезоксидирует. Он связывает серу как сульфиды марганца и сокращает, таким образом, неблагоприятное влияние сульфида железа. Это имеет особое значение при автоматной стали: опасность красноломкости уменьшается. Марганец очень сильно сокращает скорость охлаждения и, таким образом, повышает закаливаемость.

Предел текучести при растяжении, а также прочность благодаря марганцу повышаются, кроме этого, марганец благоприятно влияет на ковкость и свариваемость и сильно увеличивает глубину прокаливемости. Содержание выше 4% вызывают также при медленном охлаждении образование хрупкой мартензитной структуры, так что легирующая зона почти не используется.

Сталь с содержанием марганца выше 12% являются при одновременном высоком содержании углерода аустенитной, потому что марганец значительно расширяет зону.

Такие виды стали получают при ударной нагрузке поверхности очень высокое холодное упрочнение, в то время, как ядро остается вязким; поэтому они при ударном воздействии имеют высокую износостойкость.

Сталь с содержанием марганца выше 18% остаются немагнетизируемыми также после сравнительно сильной холодной обработки давлением и применяется как специальная сталь и как вязкая в холодном состоянии сталь при температурной нагрузке. Под влиянием марганца повышается коэффициент теплового расширения, в то время, как тепловая проводимость и электрическая проводимость понижаются.

Молибден (Mo) Температура плавления 2622° C

Молибден легируют преимущественно вместе с другими элементами. Вследствие сокращения критической скорости охлаждения улучшается закаливаемость.

Молибден существенно уменьшает хрупкость отпуска, например, в хромо-никелевой и марганцевой стали, способствует образованию мелкого зерна и благоприятно влияет также на свариваемость. Повышение предела текучести при растяжении и прочности.

При высоком содержании молибдена затрудняется ковкость. Сильный образователь карбида; благодаря этому улучшаются режущие свойства быстрорежущей стали.

Он принадлежит к тем элементам, которые повышают антикоррозионную стойкость и поэтому часто используется в высоколегированной хромовой стали и аустенитной хромо-никелевой стали; высокое содержание молибдена уменьшает склонность к сквозной коррозии. Очень сильное сужение зоны; повышение теплостойкости, стойкость к окалинам сокращается.

Никель (Ni) Температура плавления 1453° C

Вызывает в строительной стали значительное повышение ударной вязкости образца с надрезом и поэтому легируется для повышения вязкости в цементируемой, улучшенной и вязкой в холодном состоянии стали. Все точки преобразований (A1-A4), понижаются под влиянием никеля; он является образователем карбида.

Благодаря сильному расширению зоны никель в химически стойкой стали с содержанием больше 7% придает аустенитную структуру до уровня ниже комнатной температуры.

Сам никель с высоким процентным содержанием делает сталь только инертной к коррозии, в аустенитной хромо-никелевой стали создает стойкость к влиянию восстанавливающихся химикатов; стойкость этих видов стали достигается благодаря хрому.

Аустенитная сталь имеет при температурах выше 600° C более высокую теплостойкость, поскольку температура её рекристаллизации высокая; она практически не намагничивающаяся. Тепловая проводимость и электрическая проводимость сильно уменьшаются. Высокое содержание никеля в точно ограниченных легирующих зонах создают физическую сталь с определенными физическими свойствами, например, температурное расширение (тип инвар).

Фосфор (P) Температура плавления 44° C

Рассматривается преимущественно как вредитель стали, поскольку фосфор вызывает сильную первичную сегрегацию при затвердении плавки и возможность вторичной сегрегации в твердом состоянии вследствие сильного отсекания зоны.

Вследствие сравнительно небольшой скорости диффузии, как и в альфа-, так и в гамма–твёрдом растворе (смешанном кристалле) указанные сегрегации могут с трудом уравновешиваться.

Поскольку вряд ли возможно достичь гомогенного распределения фосфора, стремятся удерживать содержание фосфора на очень низком уровне и соответственно в высококачественной стали достигать верхний предел 0.03-0.05%. Размер сегрегации нельзя определить с точностью. Фосфор повышает уже в минимальном содержании чувствительность к хрупкости отпуска.

Фосфорная хрупкость увеличивается при увеличении содержания углерода, при увеличении температуры твердения. Размера зерна и при уменьшении степени уковки. Хрупкость появляется как хладноломкость и чувствительность к ударной нагрузке (склонность к хрупкому разрушению). В слаболегированной строительной стали с содержанием углерода прибл. 0.

1% фосфор повышает прочность и антикоррозионную стойкость к атмосферным явлениям; медь поддерживает улучшение антикоррозионной стойкости (инертная к коррозии сталь). Добавки фосфора в аустенитную хромо-никелевую сталь вызвать повышение предела текучести при растяжении и эффекты выделения.

Сера (5) Температура плавления 118С

Из всех примесей в стали даёт самую сильную ликвацию. Сульфид железа приводит к красноломкости, или «горячеломкости».

поскольку низкоплавкая сульфидная эвтектика в виде сетки охватывает кристаллиты, так что имеет место низкое сцепление последних, и при горячей деформации преимущественно разрушаются границы зерен; эффект усиливается под действие кислорода.

Сера имеет особенно высокое сродство к марганцу, ее связывают в виде сульфида марганца, поскольку из всех присутствующих обычно включений он является наименее опасным, распределен в стали точечно и имеет высокую температуру плавления. Сера в среднем существенно снижает вязкость.

Серу намеренно добавляют в сталь автоматной обработки в количестве до 0.4%, поскольку благодаря смазывающему действию на режущую кромку уменьшение трения между заготовкой и инструментом позволяет достичь повышения его стойкости. Кроме того, у автоматных сталей при обработке резанием образуется короткая стружка. Сера усиливает склонность к образованию сварочных трещин.

Кремний (5i) Температура плавления 1414С

Кремний, аналогично марганцу, содержится в любой стали, так как уже железные руды в зависимости от состава вносят его соответствующее количество. Также и собственно при производстве стали кремний из огнеупорной футеровки печи переходит в расплав. Однако кремнистыми называют только такие стали, которые содержат более 0.40% кремния.

Кремний не является металлом, но так называемым металлоидом, как, например, фосфор и сера. Кремний раскисляет.

Он благоприятствует выпадению графита и сильно сужает гамма-область, повышает прочность и износостойкость (кремниймарганцовые улучшаемые стали); сильное повышение предела упругости, поэтому целесообразен в качестве легирующей добавки в пружинные стали. Кремний значительно повышает окалиностойкость, так что им легируют жаростойкие стали.

Однако вследствие отрицательного влияния на деформацию в горячем и холодном состоянии допустимые содержания ограничиваются. При 12% кремния достигается дополнительная кислотостойкость, однако такие марки могут быть изготовлены только в виде очень твердых и хрупких

отливок, которые могут быть обработаны только шлифованием. Вследствие сильного снижения электропроводности, коэрцитивной силы и активных потерь кремний используется в электротехнических листовых сталях.

Азот (N) Температура плавления –210° C

Этот элемент может проявляться как вредитель для стали, и как легирующий элемент.

Вредитель из-за уменьшения вязкости вследствие процессов выделения, увеличения чувствительности к старению и синеломкости (деформация в диапазонах голубой теплоты 300-350° C), а также из-за возможности появления межкристаллитного коррозионного растрескивания в нелегированой и низколегированной стали.

В качестве легирующего элемента азот расширяет зону и стабилизирует аустенитную структуру; повышает в аустенитной стали прочность и прежде всего предел текучести при растяжении, а также механические свойства в теплоте. Азот позволяет получить высокую твердость поверхности благодаря образованию нитридов при нитрировании (нитрирование).

Титан (Ti) Температура плавления 1680° C

Благодаря своему высокому химическому сродству с кислородом, серой и углеродом имеет сильное дезоксидирующее действие, сильное денитрирующее действие, серообразующее и сильное карбидобразующее действие.

Широко используется в стойкой к коррозии стали в качестве образователя карбида для  стабилизации по отношению к межкристаллитной коррозии; имеет, кроме этого, зерноизмельчающие свойства. Tитан очень сильно сужает y-зону. Он в более высоких долях вызывает процессы выделения и благодаря достижению высокой коэрцитивной силы добавляется в магнитотвердые сплавы.

Титан повышает длительную прочность благодаря образованию специальных нитридов. Однако титан имеет сильную склонность к сегрегации и образованию строк.

Ванадий (V) Температура плавления 1910° C

Измельчает первичное зерно и, таким образом, структуру литья; сильный образователь карбида, вследствие чего появляется увеличение износостойкости, режущей способности и теплостойкости; поэтому предпочитается использование в качестве дополнительного легирующего элемента в быстрорежущей, теплообрабатываемой и теплостойкой стали.

Значительное улучшение твердости после отпуска, уменьшение чувствительности к перегреву. Поскольку ванадий измельчает зерно и вследствие образования карбида тормозит воздушную закалку, он повышает ковкость улучшенной стали. Благодаря образованию карбида повышение стойкости к напорному водороду.

Ванадий сужает – зону и перемещает коэффициент Кюри к более высоким температурам.

Понравился материал?