Для чего легируют стали

Содержание

• Свойства легированных сталей
• Классификация легированных сталей
• Какие стали относятся к легированным

Изобретение легирования – великий дар науки человечеству. Термин «ligare» происходит от латинского – связывать, и обозначает усиление требуемых характеристик с помощью добавок. Таким образом, можно повысить прочность, стойкость к холоду, влаге и агрессивным веществам.

Стальной расплав получают из чугуна. Первоначально он имеет тот же химический состав: железо, углерод, незначительные доли кремния и марганца, вредные примеси в виде серы и фосфора, кроме этого присутствуют соединения атмосферных газов. В середине XIX века с изменением взгляда на химию, было открыто, что присадки некоторых металлов могут встраиваться в углеродную структуру, изменяя ее химические и физические свойства. Первым изобретением стал прототип режущих марок с присадками вольфрама, созданный английским металлургом Р. Мюшеттом в 1858 году.

Массовое применение легированных сталей началось в 1882 с производства цепей велосипедов, но главный толчок распространению технологии дали первые автомобильные концерны. Позже влияние легирующих элементов на качество металлов дало возможность возводить масштабные инфраструктурные сооружения: мосты, стадионы, сложные инженерные системы. Дополнительный толчок получили сферы производства трубопропроводной арматуры и сверхпрочных крепежей.

Производство легированной стали

Металлургическая промышленность во многом изменилась, так как обработка легированной стали требовала новых знаний. Сплавы оказались чувствительны к термическим режимам, было открыто явление отпускной хрупкости, заготовки начали остужать не на воздухе, а в воде или масле. Изменение показателей теплопроводности привело к поискам эффективных способов сварки.

В основе легирования лежит образование новой структуры – перекристаллизация. Каркасом молекулярного строения служит твердый раствор, сформированный карбидами. Согласно правилам Юм-Розери, атомы присадок встраиваются в металл по алгоритмам внедрения или замещения. Для этого перед легированием из расплава частично удаляют углерод. Его концентрация в составе стали указывается в начале маркировки в сотых долях процента. Например, в сплаве 15Х25Т1 его содержание составляет 0,15%.

Характеристика конструкционных и легированных сталей

Дополнительная прочность легированных сталей достигается благодаря дисперсному твердению – выделению наноразмерных частиц. При нагреве легирующий элемент может целиком уйти в твердый раствор, а при охлаждении образует второстепенную фазу, равномерно распределяясь внутри кристаллической решетки.

Существует специальная категория коррозийно-стойких легированных сталей:

• Активное железо в системе Cr-Ni-Mn-Si связывается и не может взаимодействовать с агрессивными веществами.
• Некоторые добавки увеличивают жаростойкость – способность противостоять реагентам при высоких температурах.
• Марганец является активным раскислителем и не допускает образования оксидов.

Свариваемость легированных сталей благодаря современным методам находится на высоком уровне. Выбор способа зависит от количества добавок: учитывают терморежимы, подбирают защитную среду и присадочные материалы, подходящие всем компонентам.

Чем выше содержание углерода, тем больше добавок можно связать твердым раствором. Однако у каждого компонента есть предел, при котором увеличение концентраций становится неэффективным. Дисперсионное твердение широко применяется с 1950-х годов. Частицы формируются из интерметаллидов, свободных от карбидных соединений. Упрочнение присуще комплекснолегированным материалам.

Стальные сплавы классифицируют по количеству присадок:

• Низколегированные (до 2,5%) – имеют улучшенные механические свойства в сравнении с нелегированными, применяются для изготовления ответственных сварных конструкций, подшипников, кованых изделий.
• Среднелегированные (2,5-10%) – стойкость в тяжелых условиях: агрессивные среды, ударные нагрузки.
• Высоколегированные (от 10%) – специального назначения, используемые во всех областях промышленности и в быту.

Баланс достигается благодаря взаимодействию нескольких элементов, это не только придает устойчивость химической структуре, но и создает комплекс уникальных качеств. Например, особо прочные медицинские инструменты проходят многоступенчатую закалку, но этот же материал без сложной термообработки можно использовать для работы с кислотосодержащими продуктами: в виноделии, на молочном производстве.

Распространено определение, относящее сплав с нехарактерными примесями к легированным. Его нельзя назвать точным. Технологический процесс подразумевает замещение атомов углерода металлами, стабилизирующими молекулярное строение, придающими дополнительные качества.

Готовая легированная сталь

Сегодня разработано более тысячи стальных сплавов, применяемых в морском судостроении, в добывающей и перерабатывающей промышленности и других отраслях.

Примеры легированных сталей:

• Низколегированная сталь 09Г2С в сравнении с очищенными углеродными аналогами имеет высокую механическую прочность, что позволяет создавать более тонкие элементы масштабных сварных конструкций, а хорошая свариваемость позволяет быстро их монтировать. Отличительной особенностью является стойкость к охрупчиванию при низких температурах, благодаря чему 09Г2С широко используется для прокладки инженерных сетей и строительства зданий в условиях крайнего севера.
• Универсальный нержавеющий материал 08Х18Н10 широко применяется в пищевом производстве, изготовлении лестничных перил и мебели, кухонных и столовых приборов.
• Из 40ХН2МА производят тяжелонагруженные детали буровых установок, поршней, коленчатых валов. Ванадий и молибден усиливают прочностные характеристики, изделия подвергаются азотированию и поверхностные слои достигают высочайшей микротвердости, сердцевина при этом сохраняет ударную вязкость. Это свойство предотвращает образование трещин и обеспечивает долгую службу дорогостоящих установок.