Легированные стали – это один из лучших материалов в современном производстве, строительстве и машиностроении. Под разные условия использования на заводах добавляют легирующие элементы, которые меняют механические, физические и химические характеристики металла. Ниже собрали основные элементы, которые используются в качестве добавок, а также их влияние на сплав.
Что такое легирование стали?
Легирование стали – это введение в сплав добавок в виде металлов или неметаллических материалов для изменения его свойств. Цель легирования – это улучшение свойств марок стали по типу прочности, стойкости к коррозии, ударной вязкости, жаропрочности. Легируют материал никелем, хромом, молибденом, ванадием, титаном и кобальтом. Элементы добавляются при плавке стали или температурной обработке.
Первые формы легированной стали появились в древности. Природные примеси, такие как углерод, уже влияли на свойства созданных изделий. Например, сталь из Сибири была прочнее аналогов благодаря высокой концентрации углерода и других металлов.
В Средние века кузнецы использовали разные виды руд и добавляли в состав разные примеси для создания более прочных мечей и инструментов. Так как кузнечное дело в эти века развивалось, качество марок стали также росло.
В XIX веке началась промышленная революция, и появился интерес к созданию высококачественной стали для удовлетворения новых запросом заводчиков. В 1856 году Генри Бессемер показал метод создания стали из чугуна с контролем содержания углерода.
В начале XX века ученые систематически изучали влияние легирующих добавок на характеристики стали. Так на рынке появилась новая классификация марок сплавов под разное применение.
Сегодня легирование стали химическими элементами используется от автомобилестроения до аэрокосмической отрасли.
Основные цели легирования
Основные цели легирования – это:
Улучшение механических свойств, в первую очередь, твердости, пластичности и усталостной прочности материалов.
Повышение стойкости к коррозии – легирующие элементы (хром или никель) повышают стойкость металла к неблагоприятным условиям среды.
Изменение физических характеристик – легированные стали получают улучшенные свойства теплопроводности, электропроводности, магнитные теплового расширения. Это адаптирует материал под конкретные условия использования.
Легирование улучшает свариваемость, обрабатываемость и формуемость марок стали для адаптации к существующим и новым техпроцессам.
Легированием создают улучшенные версии известных сплавов с заданными свойствами, которые необходимы в промышленности или строительстве.
Классификация легированных сталей
Классификация легированных сталей – это важный раздел для материаловедения и металлургии. По содержанию химических добавок бывают низколегированные сплавы с содержанием примесей до 2,5%. Такой металл более устойчив к коррозии, прочный и долговечный в сравнении с простыми углеродистыми сталями. Его используют в строительстве, судостроении и машиностроении.
В среднелегированном металле содержание добавок от 2,5% до 10%. У материала более выраженные механические свойства, повышенная жаропрочность, стойкость к агрессивным средам. Такие марки актуальны при создании автомобильных деталей, конструкций, работающих в условиях высоких нагрузок, энергетическом оборудовании.
Высоколегированные стали содержат в составе более 10% легирующих добавок, которые гарантируют материалу уникальные свойства. Такие сплавы применяют в авиастроении, ядерной энергетике и химической промышленности.
По назначению все легированные стали бывают конструкционными. У таких сплавов высокая прочность, жесткость и стойкость к внешней среде. На рынке есть и инструментальные сплавы для создания комплектующих и манипуляторов, конкретных изделий. Такой металл часто легируют вольфрамом, молибденом, хромом и ванадием, которые повышают механические и эксплуатационные свойства.
Благодаря классификации сталей по содержанию легирующих элементов и назначению можно выбрать материал, соответствующий конкретным требованиям промышленности и применения.
Основные легирующие элементы и их влияние
Мы разобрали основные легирующие добавки, использование которых в стали повышает ее прочность, стойкость к внешним воздействиям, механические свойства.
Легирующий элемент
Хром (Cr)
Никель (Ni)
Молибден (Mo)
Ванадий (V)
Титан (Ti)
Марганец (Mn)
Кремний (Si)
Особенности
Хром улучшает стойкость материала к коррозии, особенно в кислых и щелочных средах за счет создания пассивной оксидной пленки. Добавка также повышает прочность сталей, сохраняет их механические свойства при высоких температурах.
Никель улучшает пластичность, износостойкость и стойкость коррозии в агрессивных средах. Сталь с высоким содержанием никеля подходит для использования в условиях низких температур.
Молибден улучшает стойкость к межкристаллитной коррозии и окислению под напряжением. Легирующая добавка увеличивает прочность, жаропрочность, твердость сплавов при высоких температурах.
Ванадий улучшает структуру стали, повышает ее прочность в связи с созданием мелкозернистой структуры. Материал становится более адаптированным к высоконагруженным конструкциям.
Титан улучшает структуру стали, значительно повышает ее прочность и жаропрочность, свариваемость. Механические характеристики также растут за счет образования карбидов.
Марганец улучшает устойчивость металла к коррозии, прочность и атмосферостойкость стали. Легирующий элемент улучшает исходную прочность и пластичность, закаливаемость марки стали, ударную вязкость.
Кремний повышает защитные свойства материала при наличии в составе хрома. Добавка также усиливает прочность и износостойкость стали, ее механические свойства при высокой температуре.
У каждого из описанных выше легирующий добавок есть уникальные свойства и применение для улучшения характеристик стальных сплавов.
Технологии легирования
Легирование предполагает использование добавок в сплав для улучшения его физических и химических свойств. Сам процесс бывает объемным и поверхностным.
Объемный вид легирования – это введение легирующих элементов в состав сплава при его литье или обработке. Главная цель состоит в изменении свойств всего расплава или заготовки, например, прочности, стойкости к коррозии или пластичности.
Поверхностное легирование распространяется только на верхние слои материала, улучшая его свойства. Такой метод часто используют для защиты деталей, работающих под высокими нагрузками. На заводах используют для изменения свойств металла используют карбонизацию, то есть насыщение поверхности углеродом для повышения твердости, нитрацию (азота на поверхность для упрочнения).
Еще есть мелирование, то есть обработка поверхности заготовки или детали керамическим материалом и покрытие тонким металлическим или неметаллическим слоем.
На рынке предлагают и более современные методы легирования стали для улучшения механических и химических свойств:
Введение добавок в процессе порошковой металлургии для точного контроля содержания и структуры получаемых материалов.
Аддитивные технологии в виде 3D-печати, где легирующие добавки вводят в процессе распечатки детали или заготовки.
Криогенное легирование – это использование очень низких температур для изменения структуры материала и улучшения его свойств.
Использование плазменных и лазерных технологий для поверхностной обработки и легирования.
Эти и другие методы улучшения свойств стали дает производителям новые возможности и идеи для создания принципиально новых видов сплавов с контролируемым результатом.
Маркировка легированных сталей
Маркировка легированных сталей важна для идентификации их состава и свойств. В России она организована по системе ГОСТ, где обозначение сплава состоит из нескольких частей. Цифры указывают на содержание углерода в сотых долях процента. Например, 0.45 – это 0.45% углерода. Буквы показывают на содержание в составе конкретных легирующих добавок. Например, Х – хром, Н – никель, М – молибден, В – ванадий, Т – титан, С – кремний, А – алюминий. Цифры после букв обозначают содержание добавки в процентах. Например, 20Х13 – это 20% хрома и 0.13% углерода.
На мировом рынке используются другие стандарты для маркировки металлов. В системе AISI/SAE обозначение состоит из двух чисел, которые указывают на вид стали. 10XX – это углеродные стали, 41XX – это легированные сплавы с хромом и молибденом, а 30XX – это аустенитные нержавеющие материалы.
Чтобы комфортно читать маркировку легированных сплавов:
Определите содержание углерода, обычно это первая часть обозначения (например, 0.45).
Изучите легирующие добавки по буквам и их количественным обозначениям.
Высокое содержание хрома и никеля, как правило, указывает на хорошую стойкость к коррозии.
Молибден часто добавляется для повышения прочности и жаропрочности.
Чтобы лучше понимать особенности маркировки, лучше перед покупкой конкретной марки изучить соответствующие таблицы и нормативные документы.
Применение легированных сталей
Легированные стали актуальны в разных видах промышленности благодаря эксплуатационным и механическим свойствам. Основные применения собрали в сводной таблице ниже.
Область применения
Машиностроение, автомобильная промышленность
Строительство, архитектура
Медицинская техника, инструменты
Аэрокосмическая промышленность
Оборонная промышленность
Конкретные примеры
Создание кузовов автомобилей, рам и компонентов подвески, двигателей и трансмиссий, другие детали, работающие при больших нагрузках.
Балки, колонны, арматура для усиления конструкций, облицовочные материалы, крыши и фермы.
Хирургические инструменты, импланты, медицинские аппараты и оборудования.
Конструкционные элементы самолетов, космических аппаратов, двигатели за счет высокой термостойкости.
Бронетехника, орудия и другого оборонительное оборудование.
Легированные стали – это универсальный материал благодаря относительной легкости, высокой прочности и стойкости к внешним воздействиям.
Преимущества и недостатки легированных сталей
У легированных марок стали есть преимущества и недостатки, анализ которых поможем в выборе конкретного вида металла под решение поставленных задач. Сильные стороны сплавов с содержанием легирующих элементов:
Улучшенные механические свойства – высокая прочность, твердость и износостойкостью по сравнению с углеродными сталями.
Стойкость к окислению благодаря использованию хрома, никеля и молибдена.
Повышенная жаропрочность благодаря легирующим добавкам, что актуально при использовании деталей в энергетике, авиации.
Устойчивость к ударным нагрузкам, что помогает металлу выдерживать резкие нагрузки без разрушения.
Универсальность применения в виде ответственных конструкций, автомобильных деталей, авиационных компонентов, строительных элементов.
Экономия материалов – благодаря повышенной прочности можно использовать более тонкие и легкие конструкции.
Не обошлось у легированных сплавов и без слабых сторон. Для некоторых это высокая стоимость в сравнении с более простыми аналогами. Технология обработки модифицированных марок сложнее, поэтому техпроцесс более растянут во времени, выше требования к технологичности оборудования.
При низких температурах отдельные виды легированной стали становится хрупкими, а упрочнение потребует сложных схем термообработки. Из-за некоторых добавок в составе, стали будут нужны специальных условий эксплуатации и уход.
Чтобы всегда покупать качественный металл, используйте наш агрегатор Е-Металл. Благодаря умной системе фильтров вы всегда сможете найти нужный сортамент по разумным ценам, с выгодными условиями доставки. Пробуйте и пользуйтесь одним из лучших решений на рынке.
Часто задаваемые вопросы
Чем отличается легированная сталь от обычной?
В легированной стали есть добавки, улучшающие ее характеристики по типу прочности, твердости, износостойкости. В составе простой углеродной стали углерод и железо.
Какой элемент наиболее эффективно повышает прочность?
Хром, молибден и ванадий значительно повышают прочность, однако добавление углерода также увеличит твердость стали.
Можно ли легировать сталь в домашних условиях?
Техпроцесс сопряжен с точным контролем температуры и содержанием легирующих добавок. В домашних условиях можно вводить определенные элементы в расплав, но потребуются знания и специализированное оборудование.
Какая марка стали лучше подходит для ножей?
Для ножей часто используют стали семейства 440 и 1095, марки VG-10 и S30V. Такой материал хорошо держат заточку, износостойкий.
Как легирование влияет на стоимость стали?
Легирование повышает стоимость стали, так как добавки зачастую дороже обычных углеродных веществ.
Какие стали лучше сопротивляются коррозии?
За стойкость к коррозии, как правило, отвечает хром (обычно более 10,5%). Стали по типу AISI 304, AISI 316 активно используют в условиях высокой влажности, агрессивных сред.
Как определить легированную сталь без маркировки?
Определить легированную сталь без маркировки можно после химического анализа (например, через спектрометрию) или анализа магнитного свойства. Проверить можно по внешнему виду, срезу и прочностным характеристикам.
А если вы хотите всегда покупать качественную легированную сталь, попробуйте агрегатор Е-Металл. Наши умные алгоритмы помогут найти самое выгодное предложение на рынке, проверить надежность поставщиков, обсудить сроки поставок и многое другое.
Заказать звонок
Написать на почту
Telegram
0 комментариев