Мабуть, немає в світі такої людини, яка б не чула про найпоширеніший сплав заліза на землі - сталь. Крім того, що матеріал має чимало різновидів, він використовується у виробництві практично будь-яких залізних конструкцій і предметів. Причому окремої уваги заслуговує леговані сплави, які мають особливі властивості. У сучасній промисловості складно знайти якусь галузь, де не використовується легована сталь. Що таке і чим цей різновид відрізняється від усіх інших?
Що це за матеріал?
Звичайна сталь - це з 'єднання заліза вуглецю і ряду домішок. Під визначенням "" легована сталь "" (ЛС) мається на увазі особливий сплав, який отриманий шляхом впровадження деякої кількості хімічних елементів. Це робиться з метою отримання необхідних фізичних і хімічних властивостей металу.
Як правило, додаються такі елементи періодичної таблиці Менделєєва, без яких складно обійтися залежно від конкретної ситуації:
- Нікель - Н (Ni).
- Мідь - М (Cu).
- Ніобій - Б (Nb).
- Хром - Х (Cr).
- Марганець - Г (Mn).
- Кремній - С (Si).
- Ванадій - Ф (V).
- Вольфрам - В (W).
- Молібден - М (Mo).
- Титан - Т (Ti).
- Алюміній - А (Al).
- Цирконій - Ц (Zr).
- Кобальт - К (Co).
Але крім них знаходять застосування молібден з алюмінієм. При цьому кожен з цих елементів додається з певною метою. І їх кількість безпосередньо впливає на отримання необхідних якостей. Тепер вже стає трохи зрозуміло, що таке легована сталь.
Додавання
Деякі з них, підвищуючи якісь певні властивості матеріалу, занижують інші якості. Наприклад, за допомогою марганцю можна істотно підвищити міцність і твердість металу поряд з поліпшенням ріжучих якостей. Водночас це призводить до збільшення зерна, що знижує стійкість до ударних навантажень.
Додавання хрому, навпаки, може підвищити ці якості і одночасно з цим збільшити жаропрочність. Завдяки нікелю сплав стає більш пружним, а якщо його кількість переважає, то метал набуває високі показники корозійної стійкості і жаропрочності. Нержавіюча сталь, про яку знає кожен, це якраз сплав з останніх двох металів або матеріал з вмістом хрому 27%.
Кожного, хто знає, що собою являє легована сталь, що таке легування - розуміє не до кінця. Так от, суть його якраз полягає в додаванні цих елементів. Але повернемося до наших "домішок" - молібден з одного боку підвищує твердість, але з іншого - призводить до зменшення крихкості. За рахунок вольфраму можна підвищити не тільки твердість, але і міцність, а разом з цим і ріжучі якості металу. До того ж при нагріванні до високої температури (600-650 ° С) ці властивості не втрачаються (червоностійкість).
Кремній дозволяє збільшити пружність матеріалу, а також стійкість до впливу кислот. Додавання ванадію сприяє збільшенню пластичних властивостей за рахунок зменшення зерна. Титан дозволяє отримати міцніший матеріал.
Домішки
Тепер точно зрозуміло, що таке легована сталь. Але разом з цим слід знати про наявність деяких домішок, які, незалежно від марки сталі, в ній завжди присутні. У більшості випадків це неметали:
- Вуглець.
- Сіро.
- Фосфор.
- Кисень і Азот.
- Водень.
Вуглець найбільше впливає на властивості сталі. Якщо його міститься не більше 1,2%, то матеріал відрізняється високою твердістю і міцністю. Також збільшується межа плинності. Перевищення цієї норми призводить до зниження міцності і пластичності.
Великий вміст сірки теж не на користь. Більше 0,65% - знижується ударна в 'язкість, корозійна стійкість, пластичність. Але, крім цього, істотно знижується зварюваність сталі.
З фосфором треба бути гранично уважним, оскільки його перевищення, навіть незначно, негативно позначається на металі. Знижується в 'язкість і пластичність, водночас крихкість і плинність зростають. Все це може позначитися на обробці легованих сталей.
Перевищення кисню та азоту призводить до зайвої крихкості матеріалу, а також знижують його в 'язкість.
Високий вміст водню теж наділяє метал крихкістю, що небажано.
Різновиди ЛС
Залежно від кількості легуючих добавок сталь може розділятися на три види:
- Низьколегована сталь - містить не більше 2,5% добавок.
- Середньолегована сталь - кількість легуючих елементів варіюється від 2,5 до 10%.
- Високолегована сталь - тут мова йде про більший вміст 10% і вище.
При цьому враховується саме сумарна кількість легуючих добавок.
Щоб отримати певні якості, леговані сталі проходять процес нормалізації. Це коли матеріал нагрівається до температури 900 ° C, а після цього він охолоджується на повітрі.
Виходячи з цього, "маркування" легованих сталей може виглядати так:
- Перлітна - вміст легуючих добавок у таких сталей коливається від 5% до 7%. Виходять такі структури: перліт, сорбіт, тростить.
- Мартенситна - тут легуючих елементів більше 7-15%, вуглецю при цьому не більше 0,55%.
- Аустенітна - крім вмісту легуючих елементів (більше 15%), тут присутній нікель (8%) і марганець (13%). Вміст же вуглецю тут не більше 0,2%.
- Ферритна - у такої структури вуглецю також міститься не більше 0,2%. У той час як хрому тут 17-30%, кремнію 2,5% (не менше). Такі сталі можна віднести до маловуглецевих.
- Карбидная (ледебуритная) - это уже высокоуглеродистые марки (0,7% С). Переважно містять вольфрам, ванадій, молібден і хром.
Отримання різної марки легованої сталі, точніше її структури, залежить не тільки від швидкості охолодження металу на повітрі, але і від кількості легуючих добавок і вуглецю.
Особливості маркування ЛС
На початку статті у списку легіючих елементів біля кожного з них стоять літери, що не випадково. Саме ними проводиться маркування подібних металів, але крім них присутні ще цифри. Приклад наведено нижче.
Все це робиться згідно з ГОСТом 4543-71. Буквено-цифрове позначення прийнято невипадково, адже всі леговані сталі мають широкий асортимент. А в такому різноманітті нескладно заплутатися, і тому виникла необхідність систематизації.
При цьому кожна буква кирилиці (йде першою) у позначенні вказує на присутність того чи іншого елемента, а цифра (як правило, після букви) - зміст у відсотках. При цьому, якщо мова йде про кількість менше 0,99%, то число зазвичай не ставиться.
Іноді в сплав можуть бути додані і рідкоземельні метали, такі як ітрій, лантан і ряд інших. У цьому випадку у позначенні сталі легованої за ГОСТом вказується лише одна літера - Ч. У маркуванні сталі є й інші особливості:
- Перші дві цифри завжди вказують на процентний вміст вуглецю, який буквено ніколи не позначається.
- Якщо це швидка сталь, вміст вольфраму вказується в цілих частках відсотка. Хрому в таких сплавах зазвичай 4%.
- Для кулькопідшипникової сталі після букв ШХ слідує позначення вміст хрому в десятих частках відсотка.
- Присутність двох літер "А" вказує на особливо чисту леговану сталь.
Візьмемо для прикладу два маркування:
- 03Х13АГ19 - ЛС містить 0,03% вуглецю, 13% хрому, 1% азоту і 19% марганцю.
- 18ХГТ - у цієї сталі вуглецю 0,18%, а хрому, титану і марганцю по 1%.
Крім цього, на самому початку будь-якого маркування легованих сталей може стояти буква, яка вказує на матеріал спеціального призначення:
- Електротехнічна - Е.
- Швидкоріжуча - Р.
- Шарикопідшипникова - Ш.
- Автоматна - А.
Леговані сталі ще можуть належати категорії високоякісних або особливо високоякісних металів.
У цьому випадку наприкінці маркування стоятиме літера "А" або "Ш" відповідно.
Переваги
Всі леговані сталі володіють низкою цінних переваг, серед яких варто виділити:
- підвищену стійкість до деформацій пластинчастого характеру;
- високу твердість;
- стійкість до холодоломкості та в 'язкості;
- технологічні якості на високому рівні.
Крім цього, така сталь не схилу до короблення або появи інших дефектів в ході процесу гарту.
Недоліки
При всіх очевидних достоїнствах, якими володіють леговані інструментальні сталі або інші, недоліки теж присутні:
- Для них характерна дендритна ліквація, але, на щастя, цього можна уникнути проведенням дифузійного відпалу.
- Високолеговані марки можуть містити залишковий аустеніт, через що знижується опірність до втоми і твердості матеріалу.
- Не виключається поява флокенів - так званих тріщин у структурі сталі. Даного дефекту можна уникнути шляхом уповільнення охолодження металу, а також зниження вмісту водню в ході виплавки.
Залежно від різновиду термічної обробки дозволяють уникнути появи більшості дефектів. В результаті чого сталь набуває необхідних, часом унікальних якостей.
Виробництво ЛЗ
Процес виробництва легованих інструментальних сталей чи інших проходить у кілька етапів з використанням електродугових печей:
- Залізна руда очищається.
- Плавлення металу.
- Додавання легіючих елементів.
У процесі очищення залізна руда позбувається небажаних домішок, таких як сірка і фосфор. Все це відбувається в плавильній печі відкритого типу. Також використовується технологія позапічної обробки сталі. Інший технологічний необхідний процес - це вакуумна плавка, в результаті якого видаляється миш 'як і ряд домішок кольорових металів.
Для плавки металу вже використовується електродугова піч, для чого в ній сировина розігрівається до високої температури 400-600 ° C. Тут залізо починає перетворюватися на чавун, для якого характерна нестійка кристалічна решітка. Але за допомогою стабілізації з нього виходить якась марка легованої сталі.
Робиться це наступним чином. У робочу камеру надходить кисень, при згорянні якого атмосфера камери забезпечується вуглецем. Він починає змішуватися з залізом, що і веде до освіти стали.
Потім вже в сировину починають додавати різні добавки залежно від необхідних властивостей металу. Кристалічна решітка стає більш щільною, і в результаті виходить легована продукція.
Термообробка ЛЗ
На виплавці виробництво ЛС не закінчується. Після цього необхідно її загартувати. Виплавлені зразки проходять процедуру загартовування при температурі 1100 ° C. Після неї потрібна відпустка вуглецевих і легованих сталей, причому робиться вона поступово, щоб уникнути появи тріщин.
Цей процес необхідний для всіх загартованих деталей. Його головне завдання полягає у знятті внутрішніх напружень. При цьому знижується твердість, а пластичність збільшується. Для відпустки можуть використовуватися різні засоби:
- Ванни:
- масляні;
- селітрові;
- з розплавленою лужею.
- Пекти з примусовою повітряною циркуляцією.
Що стосується температури відпустки, то вона залежить від марки ЛЗ і необхідної твердості матеріалу. Наприклад, для HRC 59-60 це 150-200 ° C. Для швидкощих ЛС потрібен температурний режим трохи більше - 540-580 ° C. Це ще називається як вторинне відвердження, оскільки твердість деталі зростає.
Як правило, після процесу відпустки сталь охолоджується на відкритому повітрі. Але хромонікелеві вироби виняток - для них потрібна ванна з водою або маслом. Якщо охолодження затягнеться, це призведе до зайвої крихкості металу.
Область застосування
Що стосується призначення легованих сталей, то це практично будь-яка сфера людської життєдіяльності. Інструментальний метал йде на виробництво різців, фрез, штампів, вимірювальних пристроїв, шестерень, пружин, підвісок, розтяжок і багато чого іншого. Нержавіюча ЛЗ ідеальна для виготовлення посуду, корпусів побутової техніки.
Зварювання ЛС
Процес зварювання ЛС повною мірою залежить від хімічного складу металу. Причому на відміну від легуючих елементів найбільше впливає вуглець. Водночас самі добавки по-різному впливають на зварювання. Наприклад, наявність хрому і марганцю більшою мірою призводить до утворення тріщин, ніж нікель. А ось титан на цей процес діє цілком сприятливим чином.
Через велику кількість сірки, фосфору і розчинених газів зварюваність сталі в рази погіршується. Тому їх утримання не повинно бути більше 0,020-0,055%, що жодним чином не позначиться на зварюванні легованих сталей.