Легированные марки стали классификация и маркировка

Автор: Волков Семён

Дата публикации: 25.04.2024

Термин "легирование" происходит от латинского слова ligare, что значит "связывать". Этим словом обычно обозначают стали с химическим составом, в которой присутствуют и другие металлы. Однако для легирования недостаточно просто смешать компоненты в расплаве, все элементы образуются на молекулярном уровне, создавая новые соединения и типы кристаллических структур.

Долго прежде чем прокофьев овладел знанием о легировании, человечество уже знало обо всем этом. В прошлом, некоторые горные формации обилие железых руд с примесями молибдена и ванадия. Эти материалы использовались для создания дамасских и булатных лезвий, катан и другого коллекционного оружия. "Метеоритное железо" было настолько дорогостоящим, что его стоимость превышала стоимость золота. Однако, только в конце XIX века человек смог использовать этот метод для оптимизации свойств материала по своему усмотрению.

Композиция стали:

  • Не менее 45% составляет железо, как основной компонент.
  • Материал, содержащий до 2,14% углерода, считается чугуном, если процентное содержание этого элемента повышено.
  • Примеси, которые имеют пользу: кремний, марганец;
  • Опасные: сульфур, фосфор.

Открытие возможности включения некоторых элементов в железо-углеродную структуру, изменение её химических и физических свойств, произошло с помощью изменения подхода к химии. Прорывом в области легирования стал эксперимент Р. Мюшета в 1858 году, который привел к созданию сплава с 9% вольфрама и 2,5% марганца. Позднее, ученый улучшил свою технологию и в заводе в Шеффилде начали массово выпускать стали. Из того, что тогда называли "самокалью", начали производить инструменты для обработки дерева и металла.

Джулиус Баур был первым, кто провел испытания по хромированию, после которых французский металлург Анри-Ами Брустляйн дополнил его работу, составив детальное описание 12 хромовых составов. В то же время, Джеймс Райли начал выпускать никелевую сталь в Англии.

Начали использовать сталь, укрепленную никелем, в производстве велосипедных цепей и автомобильных осей. Главной движущей силой развития технологии стала автомобильная индустрия, когда новые модели на границе веков появлялись каждые 2-3 недели, принося огромные прибыли. Первыми объектами строительства на большую шкалу, где применялось легирование, стали мосты: Манхэттенский и Куинсборо. С началом войны количество исследований и разработок значительно увеличилось.

Долю углерода признают за упрочнение сплава, однако это снижает его пластичность, делая его уязвимым к ударным нагрузкам и нежелательно использовать в холодных условиях. Железо является одним из наиболее химически активных элементов, следовательно, оно в естественных условиях не встречается в чистом виде. Даже в составе соединений оно способно вступать в реакции с более агрессивными химическими веществами.

Процесс легирования решает множество проблем:

  • Придает структуре единообразие;
  • Способствует предотвращению окислительных процессов.
  • Предупреждает гидрогенную патологию;
  • Усиливает одновременно как прочность, так и ударную вязкость.
  • Обеспечивает дополнительные физико-химические свойства.

В наше время от материалов ожидают выполнения различных условий, таких как устойчивость к износу и экстремально-низким температурам, а также способность на протяжении длительного времени поддерживать функционирование оборудования для печей. В пищевой отрасли существуют правила, которые запрещают наличие в материалах вредных примесей.

 /><p>Прогресс в технологическом секторе позволил металлургам обрабатывать расплавленные металлы при температуре до 20 тысяч градусов. Это открыло новые перспективы для легирования трудноплавкими металлами.</p><p>Главные составляющие для легирования:</p><ul class=
  • Хром повышает устойчивость и надежность материалов, сохраняя при этом их пластичность. Он также обеспечивает защиту от кислоты и высоких температур.
  • Никель способствует повышению ударной вязкости, сопротивления образованию окалины и термостабильности в агрессивных условиях.
  • Кремний укрепляет структуру, увеличивает уровни прочности и текучести.
  • Марганец действует как антиоксидант, повышает устойчивость к износу.
  • Вольфрам используется в материалах для быстрого резания и инструментальных марках.
  • Ванадий, как элемент, формирующий карбиды, увеличивает износостойкость, прочностные характеристики и способность противодействовать нагрузкам, совмещаясь с углеродом.
  • Молибден используют в качестве добавки в материалы, обладающие высокой скоростью резания и жаростойкостью.
  • Процедура обогащения металла начинается с удаления засорителей, снижения углеродного содержания и десульфурации, после чего добавляются сплавляющие элементы. Не редко стоит отметить, что после производства окончательного продукта в полуфабрикатах необходима дополнительная перекристаллизация.

    Элементы, используемые для легирования, не просто интегрируются в структуру, но и формируют межметаллические включения и дисперсные частицы, которые укрепляют молекулярную структуру. Среди технических свойств стали можно выделить такие, как укрепление под воздействием температуры и усиление под давлением.

    Количество углерода в составе материала определяет его характеристики. Если его концентрация варьируется от 0,25 до 2,14%, такую сталь обычно классифицируют как углеродистую. Классификация проводится по следующему принципу:

    • Содержание углерода высокое: 0,6-2%
    • Сталь среднего углеродистого содержания: от 0,3 до 0,6%.
    • Содержание углерода составляет до 0,25% для низкоуглеродистых материалов.

    Чтобы внести нововведения, необходимо убрать некоторые элементы, в противном случае интеграция не будет успешной. В процессе очистки снижается уровень вредных примесей и кислорода. Удаляют углерод методом горения, отделением карбидных соединений и другими техниками. Присадки можно добавлять в любой тип стали, однако не всегда этот подход дает ожидаемый результат.

    Классификация присадок определяется по их общей массе в легированной стали, где содержание углерода выражено десятыми долями процентного соотношения.

    • С содержанием легирующих элементов до 2,5% - низколегированные.
    • Легированные среднего уровня - 2,5-10%;
    • Сплавы с высоким уровнем легирования обычно содержат более 10% легирующих элементов.

    Добавление присадок приводит к рекристаллизации и созданию новой структуры. Стали классифицируются по виду кристаллической решетки:

    • Ферриты обладают магнитными свойствами, однако их структурная решетка непрочна и может менять свои формы в соответствии с нагревающими и охлаждающими процессами, превращаясь в перлит, сорбит или тростит. К этому классу относятся все стали, которые характеризуются низким содержанием легирующих элементов и углерода. Данные стабильные связи образуются при уменьшении содержания углерода до 0.15% и легировании с использованием хрома.
    • Структуры аустенитные формируются при значительном содержании никеля, хрома и марганца. Их свойства включают устойчивость к термическим воздействиям, коррозии и высокую пластичность. Этот класс представлен нержавеющими хромоникелевыми сплавами.
    • В процессе охлаждения после термической обработки возникают мартенситы, результатом чего является мартенситное превращение. В результате формируются кубические клетки, они выстраиваются в кристаллы, имеющие форму иголок или ребер. Данный процесс позволяет металлу "запомнить" свою форму и восстановиться после деформации до определенной степени. В основном, это возможно для сталей, ютилизующих добавки, такие как хром, молибден, ванадий, вольфрам, ниобий и другие, что способствует повышенной термостойкости.

    Структура металлического кристаллического решетка обычно представляет собой некоторые фазы, зачастую имеющие два состояния. Популярное сочетание таких состояний - аустенит и феррит. Для увеличения нужной фазы используют регулирование количества добавок и термических обработок.

    Название Процент добавок
    Низколегированная Около 2,5% Положительные качества прибавились, но при этом ковкость и прочие характеристики для металлообработки не сильно поменялись
    Среднелегированная От 2,5% до 10% Используется такое соединение чаще всего
    Высоколегированная От 10% до 50% Максимальная прочность и дороговизна – отличительные черты таких изделий

    Процесс извлечения чугуна из руды начинается с его получения, а затем его очищают от газов, оксидов и других примесей. Это процедуру часто обозначают термином "рафинирование". Удаление кислорода осуществляется за счет использования угля, шлака, марганца и других средств, которые могут генерировать газы или тяжелые оксиды. Последние затем оседают.

    Водород используется для дегазации, процесса, в ходе которого карбиды сгорают с образованием монооксида углерода и шлака. В настоящее время, на отдельных производствах применяются современные технологии, включающие в себя, например, газокислородную очистку.

    Качество стали определяется исходя из итогов данных процедур.

    • Самые бюджетные и обычные представители ряда - это материалы, в которых содержание углерода не превышает 0,6%, а в толщине можно найти воздушные пузырьки. Самые часто встречающиеся среди них - СтО, Ст3сп, Ст5кп.
    • В составе содержатся такие элементы как кислород, азот, водород, благодаря чему они классифицируются как высококачественные. Под это определение попадают спокойные, полуспокойные и кипящие марки. Наиболее высокое содержание газов наблюдается в кипящих сплавах. Сплавы могут быть как углеродистыми, так и легированными. Примеры включают в себя Ст08кп, Ст10пс, Ст20, 7ХФ, 8ХФ.
    • Качество на высшем уровне: главным образом выплавка происходит в электропечах и не требует применения угля. Содержание серы и фосфора уменьшено до уровня в 0,03%. Примеры таких видов стали - 6ХВ2С, 6Х3ФС.
    • Расплавы проходят тщательную отчистку от оксидов, сульфидов и неорганических примесей, их содержание серы не превышает 0,01%, а фосфора - 0,025%. В качестве примера можно привести 30ХГС3-Ш, который отличается особенно высоким качеством.

    Существует систематизация легированных сталей в зависимости от их предназначения:

    • Структурные - для производства строительных структур и нагруженных устройств;
    • Режущие и штамповые инструментальные добавки увеличивают устойчивость и поддерживают однородность, при этом металл, как правило, подвергают термической обработке.
    • Нержавеющие, жаропрочные, износостойкие и другие с особенными свойствами образуют обширную классификацию, объединяющую различные характеристики.

    Планируется выделение конкретных групп:

    • Шарикоподшипниковые;
    • Пружинно-рессорные;
    • Автоматные;
    • Быстрорежущие;
    • Жаростойкие/жаропрочные;
    • Криогенные;
    • Вы не предоставили текст для перефразирования. Если вы повторите попытку и приложите полный текст, я с удовольствием помогу вам его переформулировать.

    Модернизированные сплавы представляют собой комплексно-легированные соединения с уникальными свойствами. Например, сплав 15Х2НМФА может обслуживать радиационный ресурс реакторного оборудования в течение века, а 17ХНГТ применяют в изготовлении пружин специального предназначения.

    В соответствии с ГОСТ, для идентификации марок применяется алфавитно-цифровая система, которая применяется исключительно на просторах стран СНГ. При этом, в США, азиатских и европейских государствах используются свои системы маркировки.

    Давайте изучим процесс создания маркировки для легированных сталей, используя модель 25Х2МФА:

    • Величина содержания углерода, округленно составляющая 25 сотых процента, варьируется в пределах от 0,22% до 0,29%.
    • Х2 обозначает содержание хрома от 2,5 до 3%, поскольку двойка указывает на то, что концентрация этого элемента не всегда достигает своего максимального значения.
    • Марганец присутствует в массовой доле от 0,3% до 0,6%, ее значение обычно не превышает 1%, конкретное значение обычно не определяется.
    • Ванадий в данном контексте составляет от 0,25% до 0,35% от общего содержания в элементе Ф.
    • В итоге это свидетельствует о высоком уровне качества, тщательной очистке от загрязнений.

    Альтернативные обозначения:

    • Если массовая доля вещества не достигает 2%, то единицу не используют, а значит, не указывают никакую цифру.
    • В завершении: К обозначает нелегированные материалы высокого качества, А символизирует материалы очень высокого качества, Ш отражает наличие материалов с особым качеством, в то время как Л указывает на литейные продукты.
    • Буква после пробела имеет следующее значение: "С" обозначает строительные материалы, "Т" указывает на термоустойчивые материалы, "К" отвечает за коррозионную стойкость, а "Д" обозначает материалы с высоким содержанием меди.

    В некоторых случаях маркировка может обозначать компанию, владеющую патентом на производство конкретного металлического изделия, например ЭИ417, ЭП767, ЗИ8. После мастерства металлургических заводов, эти нестандартные обозначения преобразуются в стандартные маркировки согласно ГОСТ.

    Стали, обогащенные другими элементами, эффективно функционируют в разнообразных температурных условиях, но при этом сильно реагируют на термическую обработку. Каждый добавленный элемент обладает уникальными свойствами, а также имеет свою точку плавления и рекристаллизации. Создавая сварные соединения, нужно обязательно привлекать квалифицированный персонал. Подходящий метод сварки определяют после детального анализа технических данных и советов от производителя.

    При подогреве происходит раскисление карбидов, перераспределение примесей в толщине сварного шва и одновременное окисление. Чтобы избежать появления дефектов, используются защитные материалы и определенные температурные условия. Легирование уменьшает теплопроводность, и без правильного отвода тепла легко вызвать перегрев и разрушение некоторых химических соединений.

    Установление характерных особенностей по ключевым легирующим составляющим:

    • Содержание углерода в хромистых составляет от 0,1% до 0,4%. Для предотвращения выгорания используются покрытия или инертные газы, а также выбираются соответствующие хромистые электроды. Предусматривается процесс, включающий предварительный нагрев свариваемой области электрическим током и последующую тепловую обработку.
    • Для электродов с содержанием марганца или марганцево-никелевых существует необходимость в превентивных мерах по предотвращению формирования трещин. Такие меры включают сокращение периода нагрева и немедленное охлаждение поверхности.
    • Сплавы хромоникелевые могут быть представлены в формах аустенитного или мартенситного состояния. Проводятся исследования для определения комбинации элементов и определения назначения сварной конструкции.

    Специфика сварочных работ в зависимости от количества добавок:

    • Продукты из низколегированных материалов обычно подвергаются закалке, они хорошо свариваются, однако швы часто реагируют на локализованные зоны напряжений. Для избежания образования холодных трещин, необходимо проводить начальный прогрев и последующее замедленное охлаждение.
    • С целью поддержания надежности выбирают электроды с аналогичными элементами, но в более низком содержании. В серединных сплавах обычно добавляют такие элементы как молибден, ванадий, и вольфрам. Учитывается необходимость защиты от водородной болезни, окисления и перегрева.
    • Составы, богатые никелем и хромом, а также содержащие множество других элементов для легирования, относятся к высоколегированным. Выбор свойств сварных соединений производится с учетом намеченного применения изготавливаемых деталей.

    Список основных элементов для легирования

    Элемент Влияние
    Хром Значительно защищает от коррозии, способствует повышению твердости, а также ударопрочности Показательно то, что много хрома добавляют в нержавейку
    Никель С добавлением данного вещества сплав становится более вязкий и пластичный, уменьшается его хрупкость, что очень важно, например, перед обработкой давлением прессованием или штамповкой
    Титан Снижает зернистость, делает структуру более однородной, а значит, менее подверженной появлению трещин и расколов Дополнительно улучшается восприимчивость к металлообработке и устойчивость к ржавлению
    Ванадий Как и после внедрения титана, можно заметить менее зернистую форму Также характерно увеличение текучести и порога прочности на разрыв
    Молибден После него намного эффективнее процесс закалки, а также снижается хрупкость, появляется большая выносливость к ржавлению
    Вольфрам Кроме повышения твердости, он еще и помогает при термообработке зернистость не увеличивается при нагреве, а при отпуске не сильно страдает ломкость
    Кремний Его задача одновременное увеличение прочности и сохранение уровня вязкости Но если его будет более 15%, то можно наблюдать за повышением магнитной проницаемости и сопротивляемости электричеству однако нужно быть осторожным, поскольку сталь становится более хрупкой
    Кобальт Хорошо защищает от быстрого разрушения под воздействием высоких температур; делает выше ударопрочность
    Алюминий Добавляет окалиностойкость, то есть при большом жаре не происходит быстрого окисления

    Исследование технических и описательных документов позволяет понять возможные методы сварки. Например, существует только несколько секунд для использования стальных элементов ступенек ракет-носителей, однако даже короткий период времени в сложных обстоятельствах требует усилий для достижения. На планете Земля, стандартный цикл использования конструкций превосходит десятилетия.