Характерные особенности легированной стали и сфера ее применения

Технология сварки стали с низким содержанием углерода

В составе инструментальной стали присутствует до 1 % углерода, что определяет ее твердость и прочность. В то же время износостойкость металла достаточно низкая, поэтому из него изготавливают только инструменты. А невысокая закупочная цена обеспечивает прибыльность производства.

Технология сварки стали этого типа предполагает использование инвертора и специально предназначенного электрода. Для обработки подходят стержни УОНИ-13/НЖ/20Х13 и сварочный инвертор.

Рекомендуем статьи по металлообработке

Марки сталей: классификация и расшифровка
Марки алюминия и области их применения
Дефекты металлический изделий: причины и методика поиска

Инструментальные легированные стали

Данный вид низкоуглеродистого железа обладает иными приоритетным параметрами, сосредоточенными на высоких показателях твердости и износостойкости. Обе характеристики улучшаются с повышением концентрации углерода в металле.

Первоочередно вопрос, затрагивающий легированные стали – применение этого вида металла. Область использования, как указывалось ранее, соответствует названию категории. Подобная сталь – это материал для производства трех основных групп инструментов:

режущий;

измерительный;

штампы.

Первая категория объединяет резцы, фрезы, долбяки. К ней относится и класс быстрорежущей стали, отличающейся красностойкостью, а также сохранением режущих характеристик при нагреве до температуры 700 0С. Другая отличительная особенность быстрорежущей стали – скорость обработки металла, превышающая аналогичный параметр обычных инструментальных марок в пять раз. Маркировка быстрорежущих марок производится литерой «Р», где последующие цифры указывают процентное вхождение вольфрама.

Документ, описывающий инструментальные легированные стали – ГОСТ 5950 – 73. Данная разновидность обладает улучшенной теплостойкостью, диапазон значений данного параметра переносится в интервал 250 – 300 0С. Увеличение данной характеристики сказывается на скорости резания, повышая ее значение на 20 – 40%.

Рассматривая, как влияют легирующие элементы на свойства стали, остановимся на нескольких элементах.

Кремний, марка – 9ХС. Введение элемента в состав инструментальной стали повышает ее прокаливаемость до 40 мм. Дополнительный эффект связан с улучшением стойкости мартенсита при отпуске. Впрочем, элемент приносит и отрицательные нюансы в легируемый металл. Стали, содержащие кремний плохо поддаются резанию.

Изделия из легированной конструкционной стали

Марганец, марки – ХВГ, 9ХВСГ. Легирование этим металлом приводит к снижению деформации инструмента в процессе закалки. Наиболее эффективен данный тип легирования для протяжек – инструментов, обладающих большим соотношением длины к диаметру поперечного сечения.

Хром. Легирование элементом применяется для улучшения твердости стали после закалки.

Что такое легированная сталь

Это углеродистая сталь для улучшения технологических свойств которой введены специальные легирующие элементы. Процент добавок в составе невелик, но даже при незначительной концентрации, физические свойства металла улучшаются в несколько раз.

В зависимости от вида используемых добавок при производстве стали металл приобретает следующие свойства:

неподверженность коррозии;
упругость;
тугоплавкость;
прочность.

Для придания перечисленных качеств в состав добавляют следующие металлы:

хром;
никель;
молибден;
вольфрам;
медь.

Зачастую в углеродистую сталь достаточно добавить 1 — 3% легирующих элементов для придания ей необходимых свойств и качеств.

Преимущества

Все легированные стали обладают рядом ценных преимуществ, среди которых стоит выделить:

повышенную стойкость к деформациям пластинчатого характера;
высокую твердость;
стойкость к хладоломкости и вязкости;
технологические качества на высоком уровне.

Помимо этого, такая сталь не склона к короблению или появлению прочих дефектов в ходе процесса закалки.

Недостатки

При всех очевидных достоинствах, которыми обладают легированные инструментальные стали либо прочие, недостатки тоже присутствуют:

Для них характерна дендритная ликвация, но, к счастью, этого можно избежать проведением диффузионного отжига.
Высоколегированные марки могут содержать остаточный аустенит, из-за чего снижается сопротивляемость к усталости и твердости материала.
Не исключается появление флокенов – так называемых трещин в структуре стали. Данного дефекта можно избежать путем замедления охлаждения металла, а также снижения содержания водорода в ходе выплавки.

В зависимости от разновидности термической обработки позволяют избежать появления большинства дефектов. В результате чего сталь приобретает необходимые, порой уникальные качества.

Стали углеродистые качественные конструкционные

Стали углеродистые качественные конструкционные соответствуют ГОСТ 1050–88. От сталей обыкновенного качества они отличаются меньшим содержанием серы, фосфора и других вредных примесей, более узкими пределами содержания углерода в каждой марке и в большинстве случаев — более высоким содержанием кремния и марганца.

Сталь маркируют двузначными числами, которые обозначают содержание углерода в сотых долях процента, и поставляют с гарантированными показателями химического состава и механических свойств. Буква Г в марках этих сталей также указывает на повышенное содержание марганца (до 1%). Сталь углеродистую качественную поставляют катаной, кованой, калиброванной, круглой с особой отделкой поверхности (серебрянка). К сталям углеродистым специального назначения относят стали (ГОСТ 1414–75) с хорошей и повышенной обрабатываемостью резанием (автоматные стали). Они предназначены, в основном, для изготовления деталей массового производства.

Автоматные стали с повышенным содержанием серы и фосфора имеют хорошую обрабатываемость. Обрабатываемость резанием улучшают также введением в стали технологических добавок — селена, свинца, теллура. Автоматные стали маркируют буквой А и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Применяют следующие марки автоматной стали: А12, А20, А30, А40Г. Из стали А12 изготовляют неответственные детали, из сталей других марок — более ответственные детали, работающие при значительных напряжениях и повышенных давлениях. Сортамент автоматной стали предусматривает изготовление сортового проката в виде прутков круглого, квадратного и шестигранного сечений.

Стали листовые (котельные, ГОСТ 5520–79 и ТУ) для котлов и сосудов, работающих под давлением, применяют для изготовления паровых котлов, судовых топок, камер горения газовых турбин и других деталей. Они должны работать при переменных давлениях и температуре до 450°С. Кроме того, котельная сталь должна хорошо свариваться. Для получения таких свойств в углеродистую сталь вводят технологическую добавку (титан) и дополнительно раскисляют ее алюминием. Выпускают следующие марки углеродистой котельной стали: 12К, 15К, 16К, 18К, 20К, 22К с содержанием в них углерода от 0,08 до 0,28%. Эти стали поставляют в виде листов толщиной до 200 мм и поковок в состоянии после нормализации и отпуска. Свойства и назначение качественных конструкционных сталей приведены в табл. 1.

Особенности материала

Свойства стали не заложены природой, они определяются человеком.

Он решает, какой состав будет у материала, каким способом его получать, как дорабатывать:

Железо делает сплав пластично-вязким, его легко обрабатывать.
Углерод придает твердости, но его не бывает более 3,39% (иначе материал станет хрупким).
Для придания нужных характеристик основу обогащают легирующими добавками. Часто это цветные металлы. Например, хром делает ее жаропрочной, никель – вязкой и невосприимчивой к коррозии.

Фосфор, сера, свободный кислород, азот понижают порог пластичности и прочности. В процессе плавки их удаляют.

Свойства сплава определяются также методом выплавки – термообработка (закалка), горячий/холодный прокат, другие.

Сталь часто путают с чугуном. Это действительно самые близкие по свойствам и составу сплавы металлов.

Характеристики стали

Плотность: 7700—7900 кг/м³ (7,7—7,9 г/см³).
Удельный вес: 75500—77500 Н/м³ (7700—7900 кгс/м³ в системе МКГСС).
Удельная теплоёмкость при 20 °C: 462 Дж/(кг·°C) (110 кал/(кг·°C)).
Температура плавления: 1450—1520 °C.
Удельная теплота плавления: 84 кДж/кг (20 ккал/кг, 23 Вт·ч/кг).
Коэффициент теплопроводности при температуре 100 °C:

Хромоникельвольфрамовая сталь	15,5 Вт/(м·К)
Хромистая сталь	22,4 Вт/(м·К)
Молибденовая сталь	41,9 Вт/(м·К)
Углеродистая сталь (марка 30)	50,2 Вт/(м·К)
Углеродистая сталь (марка 15)	54,4 Вт/(м·К)
Дюралюминиевая сталь	56,3 Вт/(м·К)

Коэффициент линейного теплового расширения при температуре около 20 °C:

сталь Ст3 (марка 20)	{\displaystyle 11{,}9\cdot 10^{-6}} 1/°C
сталь нержавеющая	{\displaystyle 11{,}0\cdot 10^{-6}} 1/°C

Предел прочности стали при растяжении:

сталь для конструкций	373—412 МПа
сталь кремнехромомарганцовистая	1,52 ГПа
сталь машиностроительная (углеродистая)	314—785 МПа
сталь рельсовая	690—785 МПа

Влияние химического состава на свариваемость аустенитных сталей

Основной тип аустенитных хромоникелевых сталей — это Х18Н10. Структура подобных сталей аустенитная, с некоторым включением дельта-феррита (около 2-7%). При содержании никеля, в количестве около 8%, аустенит частично преобразовывается в мартенсит при комнатной температуре, если сталь подвергают пластической деформации.

Жаропрочные аустенитные стали содержат в своём составе до 25% хрома, а содержание никеля может достигать 38%. Жаропрочность стали увеличивают, легируя сталь кремнием (около 1%), или алюминия.

Структуру металла сварных швов в аустенитных сталях представлена на диаграмме Шеффлера. На диаграмме видна зависимость структуры металла от эквивалентов хрома и никеля. Но, кроме элементов, указанных в диаграмме, в выражение для расчёта эквивалента никеля можно процентное содержание меди с коэффициентов 0,6 и азота с коэффициентом 10-30. А в формулу для расчёта эквивалента хрома коэффициент процентного содержания вольфрама — 0,5 и титана — 2-5.

Диаграмма Шеффлера прменяют, обычно, для условий ручной дуговой сварки. При использовании других видов сварки структура металла сварных швов может отличаться от той, которая показана на диаграмме.

Основной задачей для обеспечения качества сварки является предотвращение образования холодных и горячих трещин. Опытным путём было установлено, что склонность металла сварного шва зависит от содержания феррита в стали. При содержании феррита в пределах 2-6% риск развития трещин существенно снижается.

Исследователь Делонг усовершенствовал диаграмму Шеффлера. Но содержание ферритной составляющей существенно изменяется при учёте процентного содержания азота с коэффициентом 30. Это необходимо учитывать для всех видов сварки металлов (сварка в защитных газах, сварка плавящимся электродом и неплавящимся). Поэтому, диаграмау Делонга также нельзя считать абсолютной.

Для оценки примерного содержания феррита Сефериан вывел следующее выражение: х=3*(Crэкв — 0,93Niэкв — 6,7), %

Присутствие нужного количества феррита (2-6%) позволяет решить вопрос отсутствия трещин при сварке аустенитных сталей. Но, вместе с тем, феррит понижает удлинение металла шва, снижает вязкость, повышает температуру перехода и отрицательно действует на коррозионную стойкость.

В наплавленном металле, кроме микротрещин могут образовываться и другие виды дефектов сварных швов. И связаны они с тем, что сульфиды и окислы, имеющиеся в составе стали, не могут всплыть на поверхность жидкой сварочной ванны из-за её высокой вязкости. Поэтому, для снижения вязкости расплавленного металла рекомендуется легировать сталь кремнием в количество 0,3-0,7%.

Но, если содержание кремния будет выше указанного предела, то риск возникновения трещин опять возрастает. Аналогичным образов влияет и марганец, хотя и в гораздо меньшем масштабе. Кроме всего вышеперечисленного, аустенитные хромоникелевые стали, с повышенным содержанием углерода, при сварке, склонны к отпускным трещинам.

Свойства отдельных видов высоколегированных сталей

Благодаря своим уникальным характеристикам, которые можно формировать, меняя химический состав сплава, стали с повышенным содержанием легирующих добавок нашли широкое применение практически во всех отраслях современной промышленности. Среди большого разнообразия видов высоколегированных сплавов наибольшее распространение получили стали, основу внутренней структуры которых составляет аустенит. Базовыми элементами химического состава таких сталей являются никель, которого в них содержится не менее 8%, а также хром, содержание которого превышает 18%. За счет варьирования в составе подобных сталей количества других легирующих добавок получают марки сплавов с требуемыми характеристиками.

Химический состав некоторых легированных сталей

Жаропрочные стали, в составе которых дополнительно содержатся вольфрам и молибден (до 7%), а также бор, необходимый для измельчения зерна их внутренней структуры, не изменяют первоначальные механические характеристики даже при длительном нахождении в нагретом состоянии.

Отличительной особенностью марок высоколегированных сталей, относящихся к категории коррозионностойких или нержавеющих, является незначительное содержание углерода в их химическом составе (до 0,12%). Такие стали, кроме легирования соответствующими добавками, подвергают специальной термической обработке. Благодаря этому технологическому приему и свойствам элементов, которые формируют состав сталей, они становятся очень устойчивыми к воздействию агрессивных сред: кислотных, солевых, щелочных, газовых и др.

Влияние легирующих элементов на свойства стали

Жаростойкие стали, которые способны выдерживать повышенные температуры внешней среды в ненагруженном состоянии, получают свои свойства благодаря тому, что в их состав дополнительно вводят алюминий (до 2,5%) и кремний, за счет чего на поверхности изделий из таких сплавов формируются плотные и прочные оксиды. Такие оксиды становятся своеобразной пленкой, надежно защищающей поверхность стального изделия от взаимодействия с нагретой газовой средой.

Чтобы сформировать у изделий из высоколегированных сталей требуемые механические характеристики (прочность и пластичность), их подвергают специальной термической обработке, которая состоит из двух этапов:

закалки, предполагающей нагрев сплава до температуры 1150 градусов и его последующее быстрое охлаждение в воде;
стабилизирующего отпуска, который предполагает нагрев высоколегированной стали до температуры 850 градусов и ее последующее охлаждение на открытом воздухе до комнатной температуры.

Высоколегированная конструкционная сталь

Легированный металлолом

Обзор рынка легированного лома касается не только стали, но и чугуна. Действительно, доля объявлений купим легированный лом чугуна, не особо уступает спросу на вторичное низкоуглеродистое железо. Прием легированного лома осуществляется практически всеми пунктами, работающими с черным металлом, однако по существенно более высокой стоимости.

Стоит понимать: для пунктов приема металлолома такого разделения по легированным сталям нет (как в справочнике) — для них есть черный лом, лом нержавеющей стали и лом быстрорезов. Если с нержавейкой и быстрорезом все понятно, то в черный лом могут включаться такие стали, как: 09Г2с и другие марки, которые востребованы в данном конкретном регионе. Некоторые предприятия специализированно закупают лом стали из 09г2с.

Естественно, учитывая специфику легированных отходов и лома легированной стали, цена такого лома за килограмм определяются вхождением определенных металлов — легирующих элементов. Например, вторичная сталь, с содержанием никеля более 9.3%, может приниматься до 60 рублей за кг, тогда как более низкая концентрация Ni, приравнивает отходы к обычному черному стальному лому – 11000 за тонну.

Читать также: Регулятор оборотов коллекторного двигателя без потери мощности

Особую ценность представляют быстрорежущие марки, ценность которых даже в виде металлолома существенно выше. Однако сами по себе отходы быстрорезов многие приемщики разделяют на две категории. К первой группе относятся марки Р6М5, Р18, применяемые для обработки металлов, тех же легированных конструкционных сталей. Вторая – включает сорта Р9 и Р12, используемые для работ по камню и менее твердым материалам — см. статью лом быстрорежущей стали.

Лом быстрорежущей стали

Таким образом, стоимость лома легированной стали определяется в основном парой параметров: содержание и тип добавки, а также качество самой стали. С другой стороны, лом быстрорезов, в отличие от других стальных отходов, может быть использован как деловой. Многие инструменты, даже отработав эксплуатационный ресурс, остаются привлекательными для дальнейшего использования. Сфера их применения может включать как бытовой сектор, так и небольшие частные предприятия.

Металлические материалы не обладают достаточными высокими механическими и физико-химическими свойствами. Для получения необходимых свойств вводят легирующие элементы: Cr, Ni, W, Mo, V, Mn, Si, Nb, Ti, Al, B, Co и др. Процесс называется легированием.

Классификация

Разнообразие составов обусловило необходимость упорядочивания материала. Классификация ведется по нескольким основаниям.

По химическому составу

Самое крупное деление, подразумевает углеродистые и легированные стали.

Углеродистые

Характеристики углеродистых сталей определяет углерод. В зависимости от его количества различают три вида с разной структурой: мало-, средне, высокоуглеродистые – соответственно, до 0,30; 0,30-0,70; 0,70+% углерода.

Углеродистая сталь

Самая известная углеродистая разновидность – черная сталь. Бывает холодно- либо горячекатаной. Виды продукции: фасонная, сортовая, широкополосная, листовая сталь, катанка. Этот сплав обычных кондиций ценится машиностроителями как конструкционный материал номер один.

Легированные

Легированные – стали с элементами, добавленными для получения заданных характеристик.

Классификация базируется на совокупном объеме легирующих добавок (кроме марганца и фосфора). В зависимости от этого различают низко-, средне- либо высоколегированные стали, с, соответственно, до 2,5; 2,5-10; 10+% примесей.

Добавками служат хром, никель, молибден, другие цветные металлы.

По сфере применения

Свойства стали позволяют выбрать материал для конкретных проектов:

Строительные. Рядовые низколегированные сплавы, главное условие для которых – возможность сварки.
Инструментальные. Высокоуглеродистый, высоколегированный материал для инструментов. Тепло-, износостойкий, прочный. Различают режущие, штампованные, для метрологического инструментария.
Конструкционные. Материал с малым процентом марганца. Находит применение как основа узлов, конструкций.

Металлопрокат из стали

Как разновидность конструкционных рассматриваются специальные стали: кислотоупорные, жаростойкие, жаропрочные.

Другие виды классификации: по структуре, способу производства, содержанию примесей.

Работа с двухслойными видами сталей

Применение 2-слойной технологии позволяет снизить расход легированных сплавов и одновременно обеспечить высокие эксплуатационные характеристики изделия. Основу изготавливают из углеродистой стали, ее толщина может достигать 150 мм. Сверху наплавляют облицовку из высоколегированного сплава слоем до 12 мм.

Сварку каждой части производят раздельно, используя соответствующие материалы (флюсы, присадочную проволоку, расходники).

Действуют в следующем порядке:

углеродистый слой;
высоколегированный.

При такой последовательности облицовка не подвергается повторному нагреву, что исключает появление трещин.

Воздействие легирующих элементов

В первую очередь следует сказать, что основополагающее влияние на свойства стали оказывает углерод. Именно этот элемент обеспечивает с повышением своей концентрации увеличение прочности и твердости при снижении вязкости и пластичности. Кроме того, повышенная концентрация углерода гарантирует ухудшение обрабатываемости резанием.

Содержание хрома в стали напрямую влияет на ее коррозионную стойкость. Этот химический элемент формирует на поверхности сплава в агрессивной окислительной среде тонкую защитную оксидную пленку. Однако для достижения такого эффекта в стали хрома должно быть не менее 11,7%.

Особого внимания заслуживает алюминий. Его применяют в процессе легирования стали для удаления кислорода и азота после ее продувки, дабы поспособствовать уменьшению старения сплава. Кроме того, алюминий значительно повышает ударную вязкость и текучесть, нейтрализует крайне вредное влияние фосфора.

Ванадий – это особый легирующий элемент, благодаря которому легированные инструментальные стали получают высокую твёрдость и прочность. При этом в сплаве уменьшается зерно и повышается плотность.

Легированная сталь, марки которой содержат вольфрам, наделена высокой твёрдостью и красностойкостью. Вольфрам хорош также и тем, что он полностью устраняет хрупкость во время запланированного отпуска сплава.

Для увеличения жаропрочности, магнитных свойств и сопротивления значительным ударным нагрузкам сталь легируют кобальтом. А вот одним из тех элементов, который не оказывает какого-либо существенного влияния на сталь, является кремний. Однако в тех марках стали, которые предназначены для сварных металлоконструкций, концентрация кремния должна быть обязательно в пределах 0,12-0,25 %.

Значительно повышает механические свойства стали магний. Его также используют в качестве десульфуратора в случае использования внедоменной десульфурации чугуна.

Низколегированная сталь (марки ее содержат легирующих элементов менее 2,5%) очень часто содержит марганец, что обеспечивает ей непременное увеличение твердости, износоустойчивости при сохранении оптимальной пластичности. Но при этом концентрация этого элемента должна быть более 1%, иначе не получится достигнуть указанных свойств.

Углеродистые марки стали, выплавляемые для различных масштабных строительных конструкций, содержат в себе медь, которая обеспечивает максимальные антикоррозионные свойства.

Для увеличения красностойкости, упругости, предела прочности при растяжении и стойкости к коррозии в сталь обязательно вводят молибден, который также еще и повышает сопротивление окислению металла при нагреве до высоких температурных показателей. В свою очередь церий и неодим применяются для снижения пористости сплава.

Рассматривая влияние легирующих элементов на свойства стали, нельзя обойти вниманием и никель. Данный металл позволяет стали получить превосходную прокаливаемость и прочность, повысить пластичность и ударопрочность и понизить предел хладноломкости

Очень широко используется в качестве легирующей добавки и ниобий. Его концентрация, в 6-10 раз превышающая количество обязательно присутсвтующего углерода в сплаве, позволяет устранить межкристаллитную коррозию нержавеющей марки стали и предохраняет сварные швы от крайне нежелательного разрушения.

Титан позволяет получить самые оптимальные показатели прочности и пластичности, а также улучшить коррозионную стойкость. Те стали, которые содержит эту добавку, очень хорошо подвергаются обработке различным инструментом специального назначения на современных металлорежущих станках.

Введение в стальной сплав циркония дает возможность получить требуемую зернистость и при необходимости оказывать влияние именно на рост зерна.