Легирующие элементы. Влияние легирующих элементов на свойства стали

Драгоценные металлы

Благородные металлы – это металлы, обладающие особой химической стойкостью, тягучестью и красивым внешним видом. Такие металлы называют благородными за природные свойства (не подверженные коррозии и окислению).

За какие свойства их считают драгоценными?

Прежде всего, за их красивый вид, высокую сопротивляемость коррозии и редкую встречаемость. Это - золото, серебро, платина и некоторые металлы платиновой группы. В ювелирном деле они широко используются из-за прекрасных механических свойств: пластичности, прочности, ковкости.

Согласно федеральному закону «О драгоценных металлах и камнях» выделяют восемь металлов относящихся к драгоценным:

· Серебро

· Платина

И металлы платиновой группы (платиноиды)

· Палладий

· Рутений

Впервые на золото обратили внимание в Древнем Египте примерно 6000 лет назад. Добывали мелкие и средние самородки в аравийских пустынях, из них и делались первые золотые украшения.

Для изготовления ювелирных украшений чаще всего используют многокомпонентные сплавы золота.

единственный металл, который имеет красивый желтый цвет.

Золото высокопластично, оно может быть проковано в листки толщиной до ~0,1 мкм (сусальное золото – тончайшие листы золота, которые используются в декоративных целях); при такой толщине золото полупрозрачно и в отражённом свете имеет жёлтый цвет, в проходящем - окрашено в дополнительный к жёлтому синевато-зеленоватый. Золото хорошо полируется, имеет не высокую твердость. Из-за невысокой твердости и прочности золото используется в ювелирном производстве в виде сплавов с другими металлами и в очень редких случаях в чистом виде.

· Серебро

В Росси впервые добыча серебра произошла в 1974 году. Из-за наличия в воздухе серо-водорода имеет свойства темнеть. Серебро покрывается родием для повышения Износостойкости.

Серебро - металл белого цвета, почти не изменяющийся под воздействием кислорода при комнатной температуре, однако из-за наличия в воздухе сероводорода со временем покрывается темным налетом сульфида серебра. Серебро хорошо полируется, имеет высокую отражательную способность, обладает высокой ковкостью и самой высокой из всех металлов тепло – электропроводностью.

· Платина

За внешнее сходство с серебром окрестили платина. (с испанского «серебришко».) Первыми применение для платины нашли фальшивомонетчики. В Испании очень быстро начали распространение монеты с примесью платины Такое золото считалось грязным (испанским золотом). По указанию короля в 19740 г. найденное золото необходимо было просматривать тщательно. Платину необходимо было отделять и затапливать в реках. 3 года платина была под запретом. Настоящее применение платина нашла в 1776 году. В витринах магазинов Парижа появились украшения из платины.

металл, имеющий бело-серую окраску сходную по цвету со сталью. Платина пластична, имеет высокую отражательную способность. Имеет низкую тепло – электропроводность. Твердость по шкале Мооса = 5. Тугоплавок, очень прочен, устойчив к коррозиям

а также металлы платиновой группы (платиноиды):

Они достаточно устойчивы на воздухе (не окисляются), обладают высокой сопротивляемостью агрессивной среде (кислотам, щелочам и т.д.), мягкостью, пластичностью.

· палладий

· родий

· иридий

· рутений

· осмий

Металлы платиновой группы достаточно устойчивы на воздухе (не окисляются), обладают высокой сопротивляемостью агрессивной среде (кислотам, щелочам и т.д.), мягкостью, пластичностью, тягучестью.

Благодаря перечисленным свойствам металлы данной группы широко используются в ювелирном деле.

В чистом виде драгметаллы не используются, так как они сравнительно мягкие, и обладают малой механической прочностью.

Для придания ювелирным изделиям большей твердости и износостойкости используются сплавы других металлов.

По сравнению с чистым металлом сплавы обладают лучшими механическими свойствами, более низкой температурой плавления и определенным оттенком.

Легирующие металлы и их характеристика

Сплавы – это тела, образовавшиеся в результате затвердения жидких систем, состоящие из двух или более компонентов.

При изготовлении ювелирных изделий различного назначения к драгоценным металлам добавляют в определенных соотношениях другие металлы, которые называют легирующими, или лигатурой (легирующими металлами могут быть как драгоценные так и не драгоценные металлы. Например: медь, кадмий, никель и т.д.)

Таким способом металлам придают необходимые для дальнейшего использования свойства.

Это может быть изменение цвета, понижение илиповышение пластичности, увеличение или уменьшение твердости, изменение температуры плавления. Полученные смеси называют сплавами драгоценных металлов.

Сплавы драгоценных металлов принято различать по составу . По составу сплавы называют в зависимости от основного компонента (сплавы золота, сплавы серебра и т.д.).

Цвета ювелирных изделий

Для любого человека купить ювелирные украшения из драгоценного металла – это не только возможность удачно вложить капитал, это еще и возможность приобрести высокохудожественные ювелирные украшения, обозначив принадлежность к социальной нише в обществе. Чем больше золотых ювелирных изделий у человека, тем выше его общественное положение, так как золото все еще остается предметом роскоши.

Природа подарила нам драгоценный металл лишь одного цвета – ярко желтого, а на сегодняшний день рынок предлагает нам целую палитру для золотых украшений.

Так почему мы различаем ювелирные изделия из желтого золота, белого и красного? Цвет золота в украшениях зависит от количества добавленных легирующих металлов.

Ювелирное золото представлено в виде различных сплавов следующих цветов:

· Желтое - наиболее часто используется в ювелирном деле в Европе. Так повелось, что Европа при изготовлении ювелирных изделий добавляла в сплавы драгоценных металлов больше серебра, что придавало сплаву желтый цвет.

· Красное - так повелось, что в России в сплавы металлов добавляли больше меди, поэтому золото приобретало красноватый оттенок. Таким образом красное золото стали называть русским.

· Белое - в основном типично для ювелирных изделий с бриллиантами, так как оно гармонично выглядит с камнем. получают посредством добавления в золото легирующих металлов. Если в золотом сплаве больше палладия цвет металла приобретает бело-стальной цвет. В случае добавления никеля сплав приобретает желтоватый цвет, а покрытие родим дает сплаву холодную голубизну

Легированные стали. Основные легирующие элементы в сталях, их влияние на структуру и свойства. Промышленные стали. Их назначение, требуемые свойства, термическая обработка.

Появление и широкое распространение легированных сталей обусловлено непрерывным ростом требований, предъявляемых к материалам.

Легированными называют стали, содержащие в своем составе кроме обычных примесей специально вводимые элементы, в количестве, обеспечивающем требуемые физические и механические свойства. Эти элементы называются легирующими.

Для легирования стали применяют хром (Cr), никель (Ni), марганец (Mn), кремний (Si), вольфрам (W), молибден (Mo), ванадий (V), кобальт (Co), титан (Ti), алюминий (Al), медь (Cu) и другие элементы. Марганец считается легирующим компонентом лишь при содержании его в стали более 1 %, а кремний – при содержании более 0,8 %. Легирующие элементы либо распределяются между фазами, существующими в обычной углеродистой стали (феррит и цементит) и, таким образом, изменяют их состав и свойства, либо образуют новые фазы, характерные только для легированных сталей

(интерметаллидные соединения, специальные карбиды и т. д.).

Легирующие элементы изменяют критические точки стали и оказывают существенное влияние на кинетику фазовых превращений, протекающих в стали при термической обработке.

По характеру влияния на критические температуры полиморфного превращения железа легирующие элементы разделяются на две группы. К первой группе относятся Ni,Mn,N,Cuи другие элементы, расширяющие область существования γ - твердого раствора (рис.1а). Эти элементы сFeα иFeγ образуют твердые растворы замещения (легированный феррит и легированный аустенит), повышают точку А 4 и понижают точку А 3. При содержании некоторых элементов этой группы вышеn(рис.1а) критическая точка превращения γ-α находится ниже комнатной температуры. Такие сплавы даже при медленном охлаждении приобретают структуру γ - твердого раствора (легированного аустенита).

а)Ni,Mn,Cu,Co,N,Cи др. б)Cr,Si,W,Mo,V,Alи др.

Рис.1. Влияние легирующих элементов на критические точки железа (схема).

Ко второй группе относятся Cr,Si,W,Mo,Vи другие элементы, ограничивающие область существования γ -твердого раствора (рис.1б). Эти элементы понижают точку А 4 и повышают точку А 3 . При содержании элемента этой группы в количествах, превышающихm(рис.1б), сплавы при всех температурах вплоть до температуры плавления имеют строение α -твердого раствора (легированного феррита).

Легирующие элементы оказывают существенное влияние на положение критических точек SиEдиаграммыFe-Fe 3 C. Большинство элементов(Ni,Si,Co,Cr,W,Mn) сдвигает их влево, т.е. в сторону уменьшения содержания углерода. Сильные карбидообразующие элементы (V,Ti,Nb), наоборот, повышают содержание углерода в эвтектоиде, т.е. сдвигают точкуSвправо.

Все легирующие элементы, кроме алюминия и кобальта, увеличивают устойчивость переохлажденного аустенита (сдвигают С-образные кривые вправо) и, следовательно, уменьшают критическую скорость закалки. Поэтому закалка изделий из легированных сталей производится при относительно невысоких скоростях охлаждения (в масле или даже на воздухе).

Легирующие элементы за исключением алюминия, кобальта и кремния снижают температуру начала мартенситного превращения и тем самым способствуют увеличению количества остаточного аустенита в закаленной стали.

По отношению к углероду легирующие элементы также разделяются на две группы:

элементы, не образующие в сталях карбидов (Ni,Si,Co,Cu,Al);

элементы, образующие карбиды (Mn,Cr,W,Mo,V,Ti,Nbи др.).

элементы первой группы полностью растворяются в твердом растворе (феррите, аустените). Элементы второй группы частично растворяются в твердом растворе и частично идут на образование карбидов.

Карбидообразующие элементы обладают большим, чем железо, сродством к углероду. По возрастанию сродства к углероду, а следовательно устойчивости карбидных фаз, карбидообразующие элементы располагаются в следующий ряд: Fe-Mn-Cr-Mo-W-V-Nb-Zr-Ti. Чем устойчивее карбид, тем труднее он растворяется в аустените и выделяется при отпуске.

При введении в сталь в сравнительно небольшом количестве легирующий карбидообразующий элемент сначала растворяется в цементите, замещая часть атомов железа; при этом образуется легированный цементит, например (FeMn) 3 C. С увеличением содержания легирующего элемента сверх предела растворимости образуются специальные карбиды типа Сr 7 С 3 ,Mn 3 Cи др.

По строению кристаллической решетки различают карбиды двух типов. К карбидам первой группы относятся Fe 3 C,Mn 3 C, Сr 7 С 3, Cr 23 C 6 . Такие карбиды недостаточно прочны и при нагреве в процессе термической обработки стали распадаются с образованием твердого раствора легирующих элементов в аустените.

Карбиды второй группы Mo 2 C,WC,TiCимеют простые кристаллические решетки. Они характеризуются большей прочностью и распадаются при более высоких температурах нагрева. Все карбиды обладают высокой твердостью, но твердость карбидов второй группы несколько выше твердости карбидов первой группы.

С повышением дисперсности карбидов растет твердость и прочность стали.

Маркировка легированных сталей.

В России принята буквенно-цифровая система маркировки легированных сталей. Обозначения состоят из цифр и букв, указывающих на примерный состав стали.

Каждому легирующему элементу присвоена буква русского алфавита: А-азот, Б- ниобий, В-вольфрам, Г-марганец, Д-медь, Е-селен, К-кобальт, М-молибден, Н-никель, П- фосфор, Р- бор, С-кремний, Т-титан, Ф-ванадий, Х-хром, Ц- цирконий, Ч-иттрий и редкоземельные металлы, Ю- алюминий.

В конструкционных сталях первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента (например, в стали 30ХГСА- примерно 0,3%С).В инструментальных сталях цифры соответствуют десятым долям процента(сталь 5ХНМ- 0,5%С). Если сталь имеет более 1% углерода, то

начальную цифру, характеризующую содержание углерода, обычно опускают (стали ХВГ, В1).

Цифры, стоящие после букв, обозначающих легирующие элементы, указывают приблизительное содержание легирующего элемента в целых процентах (например, в стали 34ХН3М содержание никеля-3%). При содержании легирующего элемента менее 1% цифра после буквы не ставится.

Буква в конце марки означает: А - данная сталь относится к высококачественной, что в основном определяется количеством вредных примесей серы и фосфора; Л - сталь относится к литейным; Ш и ВД- особо высококачественная сталь, полученная электрошлаковым и вакуумно-дуговым переплавом.

Для сталей специального назначения применяют дополнительную индексацию. Буквы вначале марки стали обозначают: А - автоматная, Ш- шарикоподшипниковая, Р- быстрорежущая, Е- магнитотвердая, Э- электротехническая.

Классификация легированных сталей.

Легированные стали делятся:

2) по суммарному количеству легирующих элементов : низколегированные (до 2%), среднелегированные (2,5-10%), высоколегированные (более 10%);

3) по химическому составу : хромистые, хромоникелевые, марганцовистые и т.д.;

4) классификация легированных сталей по структуре:

По структуре в равновесном состоянии, т.е. после медленного охлаждения(отжига), стали разделяются на следующие группы:

доэвтектоидные стали , имеющие в структуре избыточный легированный феррит;

эвтектоидные , имеющие перлитную структуру;

заэвтектоидные, имеющие в структуре избыточные (вторичные) карбиды;

ледебуритные стали, имеющие в структуре первичные карбиды, выделившиеся из жидкой стали. Образование карбидной эвтектики типа ледебурита в подобных сталях при их кристаллизации связано с тем, что ряд легирующих элементов сдвигает точку Е диаграммыFe-Fe 3 Cвлево, т.е. в сторону меньшего содержания углерода. Так, например, в стали, содержащей 5% хрома, предельная растворимость углерода в аустените (точка Е) смещается до 1,3%, а при содержании хрома 10% - до 1,0% С.

Ледебуритные стали содержат таким образом, меньше углерода, чем белые чугуны, и поэтому могут подвергаться горячей обработке давлением. Врезультате ковки первичные карбиды принимают форму обособленных частиц.

К сталям ледебуритного класса принадлежат бысрорежущие стали (Р 6 М 5, Р18)

К ферритному классу относятся малоуглеродистые стали, легированные большим количеством элементов, сокращающих область существования γ-твердого раствора. Стали этого класса имеют ферритную структуру с небольшим количеством карбидов. Феррит не претерпевает превращений (перекристаллизации) при нагреве вплоть до температуры плавления. Примерами таких сталей являются трансформаторные стали, высокохромистые коррозионностойкие и жаростойкие стали (08Х13, 08Х17Т, 15Х25Т и др.)

В зависимости от структуры, получаемой при охлаждении на воздухе (нормализации) принято разделять стали на три класса:перлитный мартенситный и аустенитный.

Для легированных сталей перлитного класса кривая охлаждения на воздухе пересекает область перлитного превращения переохлажденного аустенита (рис.2а), и после нормализации образуется структура феррито-карбидной смеси (перлита, сорбита, троостита). По структуре в равновесном состоянии (после отжига) перлитные стали разделяются на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные стали. К этому классу относятся все конструкционные и некоторые инструментальные легированные стали с суммарным содержанием легирующих элементов 5-8%.

Рис.2. Диаграмма изотермического распада аустенита различных классов стали:

а – перлитного; б – мартенситного; в – аустенитного

К мартенситному классу принадлежат стали, которые после охлаждения на воздухе (нормализации) приобретают структуру мартенсита с небольшим количеством остаточного аустенита. Суммарное содержание легирующих элементов в этих сталях составляет 10-15%. Повышенное содержание легирующих элементов обусловливает значительное смещение С-образных кривых вправо, и аустенит подобных сталей в условиях нормализации переохлаждается без распада до температуры мартенситного превращения (рис.2б). К мартенситному классу относятся хромистые нержавеющие стали (20Х13) и жаропрочные (15Х11МФ и др.), применяющиеся для лопаточного аппарата паровых и газовых турбин.

Аустенитный класс составляют стали с высоким содержанием никеля или марганца, т.е. элементов, расширяющих область существования γ -твердого раствора (легированного аустенита). При комнатной температуре эти стали имеют структуру аустенита. Общее содержание легирующих элементов в аустенитных сталях составляет 10-40% и более. Столь высокое содержание легирующих элементов приводит не только к резкому смещению С-образных кривых вправо, но и к снижению температуры начала мартенситного превращения в область отрицательных температур (рис.2.в).

К аустенитному классу принадлежат нержавеющие, кислотостойкие, жаропрочные и др. стали с особыми свойствами (стали 12Х18Н9Т, Х18Н10Т и др).

К промежуточным классам относятся: мартенсито-ферритный, аустенито-мартенситный, аустенитно-ферритный.

Легированные стали - это углеродистые стали, содержащие менее 1% углерода, однако с добавками других металлов в количествах достаточных, чтобы существенио изменить свойства стали. Наиболее важные легирующие элементы

Алюминий Вплоть до 1% алюминия в легированных сталях позволяет им, в процессе азотирования образовать более твердый, износоустойчивый наружный слой.

Хром . Присутствие небольшого количества хрома стабилизирует структуру твердых карбидов. Это улучшает отклик стали на термообработку. Присутствие большого количества хрома улучшает коррозионную стойкость и термостойкость стали (например, нержавеющая сталь). К сожалению, присутствие хрома в стали приводит к росту зернистости (см. никель ).

Кобальт. Кобальт повышает критическую скорость закалки стали при tермобработке. Это позволяет инструментальным сталям работать при высоких температурах без разупрочнения (смягчающего отпуска). Кобальт - важный легирующий элемент в некоторых быстрорежущих (инструментальных) сталях

Медь. Вплоть до 0,5 % содержания меди улучшает коррозионную стойкость легированных сталей.

Свинец. Присутствие вплоть до 0,2 % свинца улучшает обрабатываемость сталей, однако за счет уменьшения прочности и вязкости.

Марганец. Этот легирующий элемент всегда присутствует в сталях до максимального содержания 1,5 % для нейтрализации вредного влияния примесей, остающихся после процессов её удаления. Он также способствует формированию устойчивых карбидов в подвергающихся закалке сталях. В больши количествах (вплоть до 12,5 %) марганец улучшает износоустойчивость сталей самопроизвольно формируя твердый наружный слой под воздействием истирания (самозакалка).

Молибден. Этот легирующий элемент поднимает сопротивление ползучести сталей при высоких температурах; стабилизирует в них карбиды; улучшает характеристики режущих инструментов при высоких температурах и уменьшает восприимчивость хромоникелевых сталей к «отпускной хрупкости».

Никель. Присутствие никеля в легированных сталях способствует увеличению прочности и улучшению структуры. Он также улучшает коррознонную стойкость стали. К сожалению, никель имеет склонность разупрочнять сталь графитизируя любые присутсвующие карбиды. Так как никель и хром обладают противоположными свойствами, их часто используют в сочетании (хромо-никелевые стали). Их преимущества дополняют друг друга, в то время как их нежелательные воздействия взаимно уравновешиваются.

Фосфор. Это остаточный элемент после процессов удаления. Он может стать причиной непрочности стали, и обычно стремятся уменьшить его присутствие до уровня ниже 0,05 %. Тем не менее фосфор способен улучшить обрабатываемость, действуя как внутренняя смазка. В больших количествах он также улучшает текучесть литых сталей и чугуна.

Кремний. Присутствие кремния вплоть до 0,3 % улучшает текучесть литых сталей и чугунов, причем в отличие от фосфора без снижения прочности. Вплоть до 1% кремния улучшает термостойкость сталей. К сожалению, как и никель, фосфор - сильный графитизирующий элемент, и его никогда не добавляют в больших количествах в высокоуглеродистые стали. Кремний используется для улучшения магнитных свойств магнитно-мягких материалов, тех, которые используются для пластин трансформаторов и штампованных листов для изготовления статоров и роторов электромотора.

Сера. Сера также является остаточным элементом после процессов удаления. Ее присутствие сильно ослабляет сталь, и используются все возможности для ее удаления; кроме того, марганец всегда присутствует в сталях, чтобы сводить к нулю влияние остаточной серы. Однако сера иногда преднамеренно добавляется в низкоуглеродистые стали для улучшения их обрабатываемости, в тех случаях, когда допустимо уменьшение прочности компоненты (сульфидированные легкообрабатываемые (автоматные) стали).

Вольфрам. Присутствие вольфрама в легированных сталях способствует формированию очень твердых карбидов и, так же как и присутствие кобальта, повышает критическую скорость закалки стали при термообработке. Это позволяет вольфрамовым сталям (быстрорежущим сталям) сохранять свою твердость при высоких температурах. Вольфрамовые сплавы составляют основу высокопроизводительных инструментов и штамповой стали.

Легированная сталь представляет собой сталь, которая кроме обычных примесей оснащена еще и дополнительными добавочными веществами, которые необходимы для того, чтобы она соответствовала тем или иным химическим и физическим требованиям.

Обычная сталь состоит из железа, углерода и примесей, без которых невозможно себе представить данный материал. В легированную сталь добавляются дополнительные вещества, которые получили название легирующих. Они используются для того, чтобы сталь стала обладать такими свойствами, которые необходимы в тех или иных ситуациях.

В большинстве случаев в качестве легирующих элементов к железу, примесям и углероду добавляются: никель, ниобий, хром, марганец, кремний, ванадий, вольфрам, азот, медь, кобальт. Также не редко в таком материале отмечаются такие вещества, как молибден и алюминий. Для придания прочности материалу в большинстве случаев добавляется титан.

Такой вид стали имеет три основные категории. Отношение легированной стали к той или иной группе обусловлено тем, сколько в ней содержится стали и примесей, а также легированных добавок.

Виды легированной стали

Есть три основных вида стали с легирующими элементами:

• Низколегированная сталь.

Она характеризуется тем, что в ней содержится около двух с половиной процентов легирующих дополнительных элементов.

• Среднелегированная сталь.

Данный материал имеет в своем составе от 2.5 до 10 процентов легирующих дополнительных веществ.

• Высоколегированная сталь.

К данному виду относятся стальные материалы, количество легирующих добавок в которых превышает десяти процентов. Количество этих компонентов в такой стали может достигать пятидесяти процентов.

Назначение легированной стали

Легированную сталь широко применяют в современной промышленности. Она обладает высоким уровнем прочности, что позволяет изготовлять из нее оборудование для резки и рубки металлического проката самых разных видов.

По своему назначению стали легированного типа могут быть представлены большим количеством групп.

Основными из них являются:

• конструкционная легированная сталь,
• инструментальная легированная сталь,
• легированная сталь с особыми химическими и физическими свойствами.

Характеристики легированных сталей могут быть разнообразными. Они их приобретают благодаря соотношению основных элементов. Стали такого типа являются в любом случае более прочными и устойчивыми к образованию коррозии.

Свойства легированных сталей являются разнообразными. Они главным образом определяются теми добавками, которые применяются в качестве легирующих при производстве отдельных видов стальных материалов.

В зависимости от добавленных легирующих компонентов сталь приобретает следующие качества:

• Прочность. Данное свойство приобретает после добавления в ее состав хрома, марганца, титана, вольфрама.
• Устойчивость к образованию коррозии. Это качество появляется под воздействием хрома, молибден.
• Твердость. Сталь становится боле твердой благодаря хрому, марганцу и другим элементам.

Внимание: Стоит отметить, что для того, чтобы легированная сталь была более прочной и устойчивой к внешнему влиянию окружающей среды необходимое содержание хрома не должно быть менее двенадцати процентов.

Сталь легированного типа при правильном процентном соотношении всех входящий в нее элементов не должна менять свои качестве при температуре нагревания до шестисот градусов Цельсия.

Производство легированной стали.

Марки легированной стали являются различными. Они представлены в большом многообразии. В зависимости от назначения стали определяется ее маркировка.

Сегодня имеется большое количество требований к маркировке легированной стали. Для данного процесса используются цифровые и буквенные обозначения. Сначала при маркировке используются цифры. Они являются показателями того, сколько содержится в том или ином виде легированной стали сотых долей углерода. После цифр стоят буквы, которые являются обозначением того, какие легирующие добавки были использованы при производстве того или иного легированного типа стали.

После букв могут стоять цифры, обозначающие количество легирующего вещества в составе стального материала. Если после обозначения какого-либо легирующего элемента не стоит цифровое обозначение, то его в составе имеется минимальное количество, не достигающее даже одного процента.

Таблица 1. Сопоставление марок стали типа Cm и Fе по международным стандартам ИСО 630-80 и ИСО 1052-82.

Таблица 2. Условные обозначения легирующих элементов в металлах и сплавах

Легировать сталь научились ещё в XIX веке – учёный Мюшетт изобрёл состав стали, содержащий 1,85% углерода, 9% вольфрама и 2,5% марганца, она использовалась для получения резцов, применяемых в .

Сталь для массового производства появилась благодаря разработкам английского металлурга Роберта Гадфильда. Легирование стали позволило получить состав: 1,0–1,5% углерода и 12–14% марганца, она отличалась повышенной износостойкостью и хорошим качеством литья. Эта марка практически без изменений сохранилась до наших дней.

Легированная сталь обладает большей прочностью, коррозионной стойкостью и пластичностью.

Стали имеют определённую классификацию в зависимости от структуры и области применения.

По структуре делятся на классы:

• мартенситный (основная структура металла);
• мартенситно-ферритный (структура содержит мартенсит + 10% феррита);
• ферритный;
• аустенитно-мартенситный (стали с комбинированной структурой аустенита и мартенсита, количество которых можно менять в больших пределах);
• аустенитно-ферритный (структура: аустенит с содержанием феррита более 10%);
• аустенитный (устойчивая структура аустенита).

По процентному соотношению легирующих добавок сталь подразделяют на:

• низколегированную – 5–10%;
• среднелегированную – 10%;
• высоколегированную – более 10%.

Дополнительная классификация

Легированные конструкционные сплавы подходят для изготовления деталей машин и механизмов в машиностроительной отрасли – производят крупногабаритные детали, которые закаляют и подвергают высокому отпуску. Большая часть легирующих добавок в стали повышают прокаливаемость. Внедрение добавок должно быть достаточным, но не чрезмерным. Большая степень легирования может вызвать:

• снижение пластических свойств;
• развитие отпускной хрупкости;
• снижение порога хладноломкости.

Исключение – никель, он смещает порог хладноломкости в область низких температур, поэтому для машин, работающих в условиях Севера, механизмы изготавливают из никельсодержащих сталей. Пружинная легированная сталь содержит 0,5–0,7% углерода, а в качестве добавок вводят хром, молибден и вольфрам. Такой состав должен обеспечивать высокое сопротивление малым пластическим деформациям и высокой усталостной стойкости.

Шарикоподшипниковые – относят к заэвтектоидным – углерод около 1% с дополнительным легированием металла хромом (1,3–1,65%). В теплостойких подшипниках хром увеличивают до 5%. К подшипниковым – предъявляют особые требования по металлургической чистоте. Применение рафинирующих переплавов, вакуумные способы переплавки, обработка синтетическими шлаками позволяют уменьшить долю и размер неметаллических включений, тем самым повышают сопротивление контактной усталости.

Инструментальные виды

Легированная инструментальная сталь предназначается для производства металлорежущего инструмента, эксплуатируемого при режимах с высокой скоростью резания и для изготовления штампового инструмента.

Быстрорежущие стали способны сохранять высокую твёрдость и износостойкость режущей кромки инструмента. В такую сталь добавляют молибден, ванадий, вольфрам, хром и кобальт.

Штамповые стали для холодной деформации с содержанием 1,0–2,0% углерода обладают износостойкостью и ударной вязкостью. Их легируют хромом до 12%, ванадием, вольфрамом, молибденом.

Штамповые стали для горячей деформации содержат углерод в пределах 0,3–0,5%, обладают высокой теплостойкостью, ударной вязкостью, сопротивлением термической усталости. В качестве добавок вводят вольфрам, молибден, ванадий.

Основные цели легирования

Слово «легирование» происходит от немецкого «legieren» (связывать, соединять). Положительное воздействие легирующих компонентов на свойства стали связано с обеспечиванием протекания двух физико-химических процессов.

Образование термодинамических устойчивых растворов замещения, сопровождающееся замещением части атомов (ионов) железа в его кристаллической решётке (ионами) легирующего элемента. Это ведёт к искажению кристаллической решётки железа, поскольку радиусы ионов (катионов) легирующих элементов отличаются от радиуса катионов железа, что повышает твёрдость и прочность железа с сохранением его пластичности.

Возникновение прочных и практически нерастворимых в жидком железе химических соединений между введёнными в расплавленный металл легирующими добавками и растворёнными в нём неметаллами (кислород, азот, сера, углерод и др.).

Результатами образования таких соединений являются:

• снижение остаточного содержания в расплавленном металле растворенных неметаллов, ухудшающих его качество;
• уменьшение общего объёма вредных примесей (растворённых и в виде неметаллических включений) в стали.

А также происходит выделение (выпадение) из жидкого металла таких мелких неметаллических включений, которые служат центрами кристаллизации и приводят к получению мелкозернистой первичной и вторичной структуры стали. Благодаря этому она имеет лучшую пластичность, малую анизотропность свойств после прокатки и т. д. Выделяющиеся во время кристаллизации мелкие неметаллические включения обладают склонностью скапливаться на поверхности растущих кристаллов, понижая скорость роста граней, а это, в свою очередь, уменьшает зернистость стали.

Основным способом легировать сталь является метод объёмного металлургического легирования. Заключается в сплавлении основного элемента с легирующими в печах разного вида (индукционные, вакуумно-дуговые, тигельные, конвертеры, дуговые, плазменные, и др.). При этом способе возможна существенная потеря активных веществ (марганца, хрома, молибдена, и др.).

Существуют также:

• механическое легирование;
• восстановление;
• электролиз;
• плазмохимическая реакция.

Механическое легирование выполняют в аттриторах – барабанах, в центре которых находится вал с кулачками. В них закладывают порошкообразные компоненты для получения нужного сплава. Во время вращения кулачки «ударяют» по смеси, и происходит «вбивание» легирующих добавок в основу.

При совместном восстановлении перемешивают оксиды элементов сплава с восстановителем, например, с гидридом кальция (СаН 2) и производят нагрев. Идёт реакция восстановления оксидов до металлов, синхронно происходит процесс диффузии, выравнивающий состав сплава. Полученный оксид кальция (СаО) промывают водой, а сплав (в виде порошка) идёт в следующую обработку. Металлотермическое восстановление подразумевает использование металлов (магния, кальция, алюминия и др.) в качестве восстановителей.

С помощью поверхностного легирования поверхности изделия придают особые свойства. На верхний слой наносится определённый элемент или сплав в виде небольшого пласта, затем на неё воздействуют с помощью энергии (лазерного излучения, плазмы, тока высокой частоты др.) - поверхность оплавляется, и на ней формируется новый сплав.

Разница между легированием и примесями

Обычные легирующие добавки - это компоненты, которые вводят в металл в значительных количествах - более 0,10%. Они вызывают изменение кристаллической решётки железа, образуя растворы внедрения, повышают прочностные и других свойства железа (матрицы).

В качестве металлов для легирования используют:

• хром Cr;
• марганец Mn;
• никель Ni;
• алюминий Al;
• молибден Mo;
• кобальт Co;
• титан Ti;
• цирконий Zr;
• медь Cu и другие.

Их внедряют в сталь в разных количествах и сочетаниях.

Примеси

Существует деление вредных примесей на обычные и остаточные. К обычным вредным примесям относят те, содержание которых в металле можно уменьшить во время плавки – это фосфор, сера, кислород, азот, углерод, т. е., неметаллы.

Под остаточными вредными примесями принято понимать такие, содержание которых невозможно снизить во время плавки ни при окислительном рафинировании, ни при обычном легировании. Это характерно для химических элементов, имеющих растворимость в жидком железе. В производственной практике обычно встречающимися вредными остаточными примесями являются:

• никель;
• олово;
• сурьма;
• мышьяк.

Маркировка легированных сталей

В России и СНГ действует система обозначения марок, состоящая из букв и цифр.

Обозначения конструкционных легированных сплавов

Маркировка такой стали состоит из цифр и букв. Буквы – это основные легирующие добавки, цифры после каждой из букв показывают содержание обозначенного элемента, округлённого до целого числа (если содержание легирующего компонента – до 1,5%, то цифра за буквой не пишется). Содержание углерода в процентах, умноженное на 100, пишется в начале наименования стали.

Маркировка основных легирующих компонентов:

Если сталь с ограничением содержанием и фосфора P <0,03% и является высококачественной, в конце маркировки указывают «А». Высококачественные стали, полученные электрошлаковым переплавом, имеют маркировку в конце наименования с буквой «Ш» через тире, например, 18ХГ-Ш.

В начале названия указывается буква «А». Если в качестве легирующей добавки идёт свинец, то маркировка будет начинаться с «АС». Для отображения других элементов, действует тот же порядок, что и для конструкционных легированных сталей.

Маркировка подшипниковых

Маркировка у них, как у легированных, только с «Ш» в начале. У стали, полученной электрошлаковым переплавом, добавляют «Ш» в окончании названия через тире. Например, ШХ8-Ш.

Обозначения инструментальных легированных

Маркируются аналогично конструкционным легированным сталям. Процентное содержание углерода указывается в начале маркировки, но отличается тем, что умножается не на 100, а на 10. Если содержание углерода менее 1%, то цифру в начале названия марки стали не указывают.

Маркировка быстрорежущих

Они маркируются в начале наименования буквой «Р» и цифрой, указывающей на содержание вольфрама в стали, затем следуют буквы и цифры других легирующих элементов.

Маркировка коррозионно-стойких

Коррозионно-стойкие (нержавеющие), жаростойкие и жаропрочные имеют в обозначении цифры и записываются так же, как маркировка конструкционных легированных сталей. У литейных добавляется «Л».