Любая сталь с формальной точки зрения может считаться легированной. Из-за специфики состава рудного сырья и металлургических процессов, превращающих его в сталь, в конечном продукте всегда, кроме железа и углерода, содержится некоторое количество иных химических элементов. В углеродистых сталях это обязательно кремний и марганец, но часто также никель, медь, другие металлы. Однако их доля суммарно не превышает 2…5 %, поэтому основные свойства стали они не изменяют. Иное дело, когда сталь легируют значительным количеством элементов: тогда процесс приводит к кардинальному изменению эксплуатационных характеристик материала.
При классификации по степени легированности условно принято подразделять стали массового производства на три группы – легированные, среднелегированные и высоколегированные.
Что такое высоколегированная сталь?
Единого мнения по поводу границы, которая разделяет вышеперечисленные стали, не выработано. Суммируя все обоснования, можно считать, что стали, в составе которых содержится от 5..10 до 50…55% легирующих элементов - высоколегированные. Данные приняты по мировой металлургической практике, поскольку в отдельных случаях всегда находятся исключения. Кроме того, существуют специфические высоколегированные сплавы на железоникелевой и никелевой основах. Содержание железа в этих сплавах – менее 50%, поэтому к сталям они уже не относятся.
Ассортимент высоколегированных сталей описан в ГОСТ 5632 – 2014, где по состоянию на 2024 год представлено более 90 марок сплавов, соответствующих указанным ограничениям. Химические элементы должны придавать стали особые свойства, среди которых:
- Повышенная прочность;
- Коррозионная стойкость;
- Жаропрочность и жаростойкость;
- Размерная стабильность независимо от температуры.
Всё определяется конкретным предназначением материала.
Функциональные особенности взаимодействия некоторых легирующих элементов
Высоколегированная сталь обычно характеризуется высокой прочностью, долговечностью и способностью противостоять экстремальным условиям, что делает её предпочтительным материалом в различных сложных условиях. Наличие и количество каждого из легирующих элементов устанавливается экспериментальным путём, поскольку иначе трудно определить эффекты так называемого вторичного взаимодействия, когда в химсоставе оказываются элементы – антагонисты.
В сталях антагонистами считаются углерод, с одной стороны, и сера и фосфор – с другой. В то время как углерод имеет важное значение для прочности стали, чрезмерное количество или присутствие серы и фосфора может привести к хрупкости и снижению свариваемости.
Углерод считается ключевым компонентом, поскольку от него зависит прочность и твердость стали. Однако чрезмерно высокое содержание этого элемента (выше 0,20…0,25%) уменьшает пластичность (способность вытягиваться в проволоку) и свариваемость .
Сера обычно считается нежелательной примесью в стали. В количествах, превышающих 0,05%, она может вызывать хрупкость, снижать свариваемость и создавать включения, негативно влияющие на ударную вязкость.
Как и сера, фосфор обычно считается примесью, которая может привести к хрупкости закаленных высокоуглеродистых сталей и снижению их свариваемости. Хотя присутствие фосфора до 0,10% повышает прочностные показатели основного металла и его сопротивляемость коррозионным явлениям.
Антагонистические эффекты присущи и некоторым легирующим элементам. В частности, марганец способен существенно снизить эффект хрупкости серы, но в то же время увеличивает риск трещинообразования, если деталь в дальнейшем подвергнуть упрочняющей термообработке. Наконец, значительный процент хрома, увеличивая сопротивляемость коррозии, способствует уменьшению свариваемости.
Характеристика составляющих элементов
Углерод (марки ст 20,ст 45)
В значительных (для сталей) количествах приводит к росту механических характеристик металла. Известно, что в рассматриваемых видах сталей содержание углерода меняется в очень широком диапазоне, а для ряда инструментальных сталей может даже немного превышать 2%. Такой инструмент предназначен преимущественно для холодной пластической обработки заготовок сложной конфигурации из среднеуглеродистых сталей.
Хром (марки стали 20Х13, 30Х13, 40Х13, импортный аналог AISI430)
При наличии в количестве от 10% и выше , увеличивает стойкость к коррозии, жаростойкость и длительную прочность при повышенных температурах. Наличие хрома учитывается при горячей прокатке нержавеющей стали из-за способности данного металла образовывать поверхностный пассивирующий слой на базе оксидов.
как правило к таким маркам с высоким содержание Cr (хрома) , относят 20Х13,30Х13, 40Х13 (20Х13 - массовая доля хрома 12-14%) по ГОСТ 5632-2014, AISI430 (Cr до 17%)
Никель и молибден 12Х18Н10Т (AISI321), 08Х18Н10Т (AISI321), 10Х17Н13М2Т(AISI316Ti), 08Х21Н6М2Т, 20Х23Н18 (AISI310S), AISI321, AISI 304)
Оба элемента в сталях проявляют схожие свойства - повышают ударную вязкость, прочность, способствуют улучшению устойчивости от высокотемпературного окисления. Стали с повышенным содержанием никеля более пластичны, а увеличенным процентом молибдена – более температуростойкои.
пример марок с никелем(Ni) и молибденом(Mo) , а также с добавлением титана (Ti):
12Х18Н10Т (AISI321)- Ni 10%, Ti 1%,
10Х17Н13М2Т(AISI316Ti) - Ni13%,Mo2%, Ti1%
Прочие элементы
Во многих марках высоколегированных сталей имеются такие металлы, как ванадий, вольфрам и кобальт, каждый из которых улучшает определенные свойства материала (ванадий – ударную вязкость, вольфрам – твёрдость, кобальт – механическую обрабатываемость). Поэтому часто применяют комплексное легирование.
Эксплуатационные преимущества высоколегированных сталей
Высоколегированная сталь выпускается различных марок, каждая из которых имеет рациональные сферы применения.
Так, хромоникелевые стали универсальны, поэтому имеют широкий диапазон прокатных профилей, рассчитанных и на производство кухонной посуды, и на изготовление медицинского оборудования. Инструментальная сталь, отличающаяся твердостью, способностью длительное время сохранять остроту режущей кромки и долговечностью, идеально подходит для изготовления металлорежущей и штамповой оснастки. В отдельную категорию включают специализированные стали – мартенситностареющую, которая выгодно выделяется своей ударной вязкостью, и марганцевую сталь Гадфильда, уникальным достоинством которой считается упрочнение при ударных нагрузках.
Каждый тип высоколегированной стали обладает уникальными свойствами:
- Благоприятным соотношением прочности к плотности. Это делает их идеальными для применений, требующих долговечности и устойчивости к деформации под нагрузкой.
- Коррозионной стойкостью. Благодаря таким элементам, как хром, высоколегированные стали обладают отличной устойчивостью к коррозии и окислению, что делает их пригодными для использования в суровых условиях окружающей среды.
- Свойства, специфичные для применения. В зависимости от легирующих элементов и термической обработки, эти стали также могут проявлять такие свойства, как высокотемпературная прочность, износостойкость и магнитная проницаемость, что расширяет спектр их использования.
Систематизация высокопрочных сталей, которые производит отечественная металлургическая промышленность, приведена в ГОСТ Р 54384-2011.
|
Тип стали |
Характеристика |
|
Ферритная нержавеющая |
Содержит 12…25% хрома с низким содержанием углерода. Сталь обеспечивает умеренную защиту от коррозии и часто используется в автомобильных выхлопных компонентах, кухонных устройствах и промышленном оборудовании. Хотя такие стали не могут быть закалены с помощью термической обработки, они все же могут набрать прочность за счет применения процессов холодного деформирования (упрочнением) |
|
Мартенситная нержавеющая сталь |
Содержит 12…18% хрома и больше углерода по сравнению с ферритной нержавеющей сталью. Это единственный закаливаемый вид нержавеющей стали. Обладает высокой прочностью и износостойкостью. Мартенситная нержавеющая сталь широко используется в столовых приборах, лопастях турбин и хирургических инструментах, где твердость и удержание краев имеют решающее значение. |
|
Аустенитная нержавеющая сталь |
Самая устойчивая к коррозии нержавеющая сталь, содержащая 18% хрома и 8…12% никеля. Сталь немагнитна, легко поддается деформации и устойчива к агрессивным химическим веществам. Это делает её идеальным выбором для оборудования пищевой промышленности, хранения химических веществ и медицинских имплантатов. В состав некоторых марок входит молибден для дополнительной устойчивости к агрессивным средам. |
|
Мартенситностареющая сталь |
Прочная высоколегированная сталь, известная своей высокой ударной вязкостью и обрабатываемостью. Содержит 18% никеля, 7% кобальта и минимальное количество углерода, полагаясь на осаждение, а не традиционное закаливание на основе углерода. Сталь достигает предела прочности на разрыв до 1900 МПа, что делает её идеальным материалом для аэрокосмических конструкций, военных применений и высокопроизводительных промышленных редукторов. Несмотря на свою чрезвычайную прочность, мартенситностареющая сталь легче поддается обработке, чем другие сверхтвердые сплавы, что снижает сложность производства. |
|
Стали с повышенным содержанием марганца |
Высокопрочный материал, известный своей способностью затвердевать при ударе или ударных нагрузках. Этот эффект деформационного упрочнения используется при изготовлении дробилок, зубьев ковшей экскаваторов и других ударопрочных промышленных узлов. Сталь немагнитна и сохраняет отличную пластичность, что делает её полезной в железнодорожных путях, горнодобывающем оборудовании и защитном снаряжении. |
Заключение
Несмотря на то, что цена проката высоколегированных сталей достаточно высока, в некоторых случаях обойтись без них просто невозможно. Например, из холоднокатаного нержавеющего листа должны изготавливаться сварные резервуары для хранения химически агрессивных жидкостей, в частности, кислот. Из стального квадрата сталей типа Х12ВМ могут производить пуансоны штампов для холодного выдавливания, а из сталей типа Р18Ф2К5 - резцы для механической обработки высокоуглеродистых конструкционных сталей.
Высоколегированные марки стали, как правило, дороже, чем низколегированные или углеродистые из-за повышенного содержания дорогостоящих легирующих элементов. Некоторые типы могут быть сложными для механической обработки из-за их твердости.
Компания ЗАО "ТФД "Брок Инвест Сервис и К" имеет возможность заказать прокат (круг, лист, труба, поковки) высоколегированных сталей, используя форму индивидуального договора. Это гарантирует выгодную цену и качество товара, а также строгое соблюдение сроков поставки продукции.