Легированная сталь – марки, состав, классификация и применение

Что такое легированная сталь

Легированная сталь – сплав железа с углеродом, в который дополнительно вводят легирующие добавки (хром, никель, молибден) для изменения структуры стали.

Цель легирования стали – улучшение эксплуатационных характеристик стали под конкретные условия применения (высокие температуры, нагрузки, коррозионная среда).

Легированная сталь

Классификация и виды легированной стали

Легированные стали подразделяют на группы по признакам.

1. По количеству легирующих элементов:

• Низколегированные (до 2,5 % добавок) – хорошая прочность и высокая свариваемость.
• Среднелегированные (2,5–10 %) – повышенная износостойкость и термостойкость.
• Высоколегированные (более 10 %) – устойчивость к коррозии, кислотам и высоким температурам.

2. По назначению:

• Конструкционные – для деталей, работающих под нагрузкой (вали, шестерни, оси).
• Инструментальные – для режущих, штамповых и измерительных инструментов.
• Специальные – с особыми свойствами: жаропрочные, коррозионностойкие, магнитные и др.

3. По типу кристаллической решётки (структуре):

• Ферритные – магнитные, пластичные и устойчивы к коррозии.
• Аустенитные – немагнитные, высокопластичные, жаро- и коррозионностойкие.
• Мартенситные – структура образуется при быстром охлаждении аустенита; характеризуются высокой твёрдостью и прочностью, но меньшей пластичностью.

Примеры видов легированных сталей:

• AISI 304 – аустенитная нержавеющая сталь с коррозионной стойкостью, хорошо сваривается и полируется. Содержит около 18% хрома и 8% никеля. Сталь AISI 304 применяют в пищевой, химической и медицинской промышленности.
• AISI 316 – улучшенная версия стали 304 с добавлением молибдена (около 2-3%), который повышает стойкость к воздействию солей, кислот и морской воды. Сталь AISI 316 используют в морской технике, фармацевтическом оборудовании, производстве химич. реакторов и трубопроводов.

Маркировка легированной стали

Марки легированных сталей указывают химич. состав и свойства материала. В России и СНГ используют систему обозначений по ГОСТ:

• Число в начале марки показывает среднее содержание углерода в сотых долях процента.
• Буквы – легирующие элементы.
• Число после буквы – содержание элемента в процентах.
• Если цифр после буквы нет – содержание элемента менее 1%.

Например, в составе легированной стали 12Х18Н10Т:

• 0,12% углерода,
• 18% хрома,
• 10% никеля,
• добавка титана.

Таблица легирующих элементов

Применение легированной стали

Легированные стали применяют во всех отраслях промышленности, где требуется высокая прочность, износостойкость или устойчивость к коррозии и температурам.

Основные направления применения:

• Машиностроение и транспорт – из конструкционных сталей изготавливают шестерни, оси, валы, коленчатые валы, детали трансмиссий и подвесок.
• Энергетика и нефтегазовая отрасль – применяют жаропрочные и термостойкие стали для турбин, котлов, трубопроводов, бурового оборудования.
• Инструментальное производство – из быстрорежущих и штамповых сталей делают резцы, свёрла, пресс-формы, штампы.
• Кабеленесущие системы и инженерные конструкции – нержавеющую и легированную оцинкованную сталь используют для металлических кабельных лотков (защита и укладка кабелей), кабельных коробов, перфорированных профилей, strut-профилей и консолей strut, кабельных стоек и полок для кабельных лотков, крепежа лотков, монтажных подвесов и опор.
• Химическая и пищевая промышленность – нержавеющие и кислотостойкие марки (например, AISI 304, AISI 316) используют для реакторов, резервуаров, труб и оборудования, контактирующего с агрессивными средами.
• Строительство и мостостроение – низколегированные прочные стали применяют в металлоконструкциях, несущих элементах и сварных соединениях.
• Медицина и бытовая техника – коррозионностойкие сплавы используют для хирургических инструментов, кухонных принадлежностей, мойек, лифтов и декоративных панелей.

Сверла из легированной инструментальной стали

Характеристики легированных сталей

Легирующие добавки придают стали разные полезные свойства:

• Высокая прочность – сталь выдерживает нагрузки и деформации без разрушения.
• Повышенная твёрдость – материал становится стойким к истиранию и механическому износу.
• Коррозионная стойкость – хром, никель и молибден защищают металл от ржавчины, влаги и химически агрессивных сред.
• Жаропрочность и жаростойкость – сталь сохраняет прочность и форму при высоких температурах, не окисляется и не разрушается.
• Прокаливаемость – способность равномерно упрочняться при термической обработке.
• Пластичность и ударная вязкость – материал не ломается и не трескается при динамических и ударных нагрузках.
• Свариваемость и обрабатываемость – упрощает производство и монтаж конструкций особенно у низколегированных сталей.

Методы легирования стали

Легирование – процесс введения в сталь легирующих элементов. Способ добавления легирующих компонентов выбирают в завимисимости от стадии производства и требуемого результата.

• При выплавке – легирующие элементы вводят в жидкий металл в процессе плавки, благодаря чему добавки равномерно распределяются по всему объему металла.
• Поверхностное легирование – добавки внедряют в поверхностный слой готового изделия при высоких температурах. В результате верхний слой становится твёрдым, а сердцевина пластичная и прочная. Способы поверхностного легирования: цементация (насыщение углеродом), нитрирование (азотом), борирование и алитирование.
• Термомеханическое легирование – сочетание нагрева и пластической деформации для улучшения структуры стали на микроуровне, повышения прочности, пластичности и стойкости к усталости. Метод эффективен при микролегировании малыми дозами элементов.
• Лазерное и электронно-лучевое легирование – легирующие элементы наносят на поверхность и вплавляют лазером или электронным пучком. В результате получают прочное и износостойкое покрытие без деформации детали.
• Механическое легирование – легирующие элементы вводят в виде порошков или гранул при механическом смешивании с металлом для получения специальных сплавов и порошковых сталей.

Отличие легированной и углеродистой стали

Главная разница между обычной и легированной сталью – в составе и свойствах.

• Углеродистая сталь содержит только железо, углерод и незначительные примеси (кремний, марганец, сера, фосфор). Углеродистые стали дешевле и проще в обработке, но быстрее ржавеют и теряют прочность при нагреве.
• Легированная сталь, помимо углерода, включает добавки – хром, никель, молибден, ванадий, титан и другие элементы для придания сплаву особых свойств. Легированные стали прочнее, твёрже, устойчивее к износу и коррозии, сохраняют форму и прочность при высоких температурах.

Таблица отличий углеродистой и легированной стали

Чем отличаются легированная и нержавеющая сталь

Нержавеющая сталь – разновидность легированной, но с особым составом: не менее 10,5% хрома, который образует защитную оксидную плёнку и предотвращает ржавчину.

Кабельный неперфорированный лоток из нержавеющей стали

Каждая нержавеющая сталь – легированная, но не каждая легированная сталь – нержавеющая. Нержавейка отличается повышенной стойкостью к коррозии и эстетичным внешним видом, а легированные стали подбирают под конкретные механические и эксплуатационные требования.

Таблица отличий нержавеющей и легированной стали

Ржавеет ли легированная сталь?

Защита от коррозии зависит от состава и типа легирующих элементов:

• Низколегированные и среднелегированные стали могут ржаветь, особенно при воздействии влаги и агрессивных сред, если в составе мало хрома или никеля.
• Высоколегированные стали с хромом, никелем, молибденом и другими коррозионно-стойкими элементами почти не подвержены ржавчине. На их поверхности образуется тонкая защитная оксидная плёнка, которая препятствует окислению.
• Нержавеющая сталь – отдельный вид легированной стали. Нержавейка содержит не меньше 10,5% хрома, поэтому устойчива к ржавчине.