Что такое легированные стали, их классификация и маркировка с расшифровкой

Сталь – это особый вид искусственно созданного металла, который повсеместно используется в промышленности и строительном производстве. Классическая сталь – это сплав железа и углерода в разных пропорциях, что определяет её прочностные свойства и технические характеристики. В наше время также широко применяется легированная сталь, подробное описание которой приводится далее.

Какие стали называются легированными

Легированная сталь – это сплав железа (Fe) (от 45% и более) и углерода (C) (от 0,02% до 0,40%), в который специально добавляются легирующие компоненты. Добавки в легированную сталь обеспечивают изменение кристаллической решётки металла, что положительно сказывается на физико-механических свойствах материала, таких как модуль упругости для стали, ковкость, хрупкость, прочность и других характеристиках, в зависимости от доли добавленного в состав стали компонента.

В качестве легирующих добавок в современной металлургической промышленности используются следующие химические элементы:

• Хром (Cr).
• Марганец (Mn).
• Ванадий (V).
• Мель (Cu).
• Алюминий (Al).
• Вольфрам (W).
• Молибден (Mo).
• Никель (Ni).
• Титан (Ti).
• Кремний (Si).
• Бор (B).
• Азот (N).
• Цирконий (Zr).
• Ниобий (Nb).

Благодаря введению легирующих добавок, сталь может использоваться при изготовлении сложных деталей станков, машин или транспортных средств, которые работают в условиях экстремальных температур, повышенного трения, а также под воздействием агрессивной окружающей среды. Также, легированная сталь широко применяется при создании ответственных большепролетных несущих конструкций многоэтажных зданий и сооружений различного функционального назначения.

История происхождения легированной стали

Аналоги первой легированной стали начали производиться ещё в древние времена, когда на вооружение армий в Европе начали поступать термически упрочнённые клинки из булатных и дамасских сплавов.

Промышленное распространение легирование, как один из наиболее эффективных способов упрочнения стали получило в 18 веке. Этому прорыву способствовали множественные научные разработки в области химии, а также открытие новых химических элементов. Это стимулировало учёных на проведение различных опытов с температурной обработкой металлов, введением в состав сплава меди, титана, вольфрама и других компонентов. Первое металлургическое предприятие, изготавливающее легированную сталь, появилось в начале 19 века.

Как выполняется легирование

Легирование – это процесс введения в состав стали легирующих компонентов. При производстве рассматриваемых сплавов на металлургических предприятиях, соблюдаются следующие правила и принципы, согласно ранее разработанным технологическим картам и нормативам:

• Каждый легирующий ингредиент должен добавляться в пластичную массу на заводе целенаправленно, согласно рецептуре.
• Процентное отношение упрочняющих добавок в легированной стали должно быть не менее 1%.
• Неметаллические компоненты в легированной стали подразделяются на добавки и примеси. К добавкам относятся такие элементы, как бор (В), азот (N), кремний (Si) и другие, а к примесям, образующимся при производстве – сера (S), водород (H), фосфор (P), а также некоторые другие химические элементы.
• Легирующие добавки вводятся в сплав по специальной технологии. Существует две базовые методики легирования сплава – объёмное и поверхностное. В первом случае, добавки вводятся в состав при производстве сплава, а во втором – методом поверхностного диффузионного насыщения верхнего слоя заготовки.

По мере введения добавок, различные химические компоненты изменяют кристаллическую решётку металла, что обеспечивает улучшение его физико-механических свойств.

Особенности маркировки

Все виды легированных сталей обладают индивидуальной маркировкой, которая состоит из различных символов и условных обозначений.

Буквенная аббревиатура стали, которая ставится в левой части формулы:

• Р – инструментальная.
• Е – с магнитными свойствами.
• Ш – шарикоподшипниковая, предназначенная для работы с повышенным трением.
• Ж – не подвергающаяся коррозии (нержавеющая).
• Я – нержавеющая с добавлением хрома и никеля в определённых пропорциях.

Буквенная аббревиатура стали, которая ставится в правой части формулы:

• Н – сплав, полученный методом нагартовки.
• ТО – сплав, прошедший термическую обработку.
• А – высококачественный сплав.
• Ш – особо высококачественный сплав.

Буквенные обозначения внутри формулы:

• Азот – А
• Алюминий – Ю.
• Бериллий – М.
• Бор – П.
• Вольфрам – В.
• Ванадий – Ф.
• Кобальт – К.
• Кремний – С.
• Марганец – Г.
• Медь – Д.
• Молибден – М.
• Магний – Ш.
• Ниобий – Б.
• Никель – Н.
• Селен – Е.
• Титан – Т.
• Фосфор – П.
• Хром – Х.
• Цирконий – Ц.
• Редкоземельные металлические элементы – Ч.

Цифровые обозначения внутри формулы обозначает процентное содержание легирующих добавок, обозначенных приведёнными выше буквами. В случае, если данное количество является дробным числом, оно округляется до целых чисел, а, при содержании конкретной добавки в количестве менее 1,5%, числовой индекс рядом с буквой не ставится.

Таким образом, используя перечисленные выше расшифровки, можно прочитать любую марку легированной стали, например:

• Сталь 40Х – 0,4% углерода, до 1,5% хрома.
• 30ХГТ – 0,3% углерода, до 1,5% хрома, марганца, титана.
• 38ХН3МФА – данным шифром маркируется сплав, содержащий 0,38% углерода, с добавлением хрома в количестве до 1,5%, с использованием от 3,0% до 3,5% никеля, с добавлением менее 1,5% молибдена и ванадия. Буква “А” в конце говорит от том что сталь является высококачественной.
• 40ХФМА – высококачественная сталь в составе которой 0,4% углерода, а также добавлены хром, ванадий, молибден и азот менее 1,5% для каждого из данных элементов.

Производитель всегда указывает данную маркировку в виде штампа на заготовках, отправляемых на реализацию, а также в паспорте качества к каждой партии товара, что позволяет потребителям подобрать для своих нужд легированный сплав в полном соответствии технологическими требованиями.

Классификация

Учитывая широкое применение разных модификаций легированной стали в современной промышленности, она классифицируется на следующие основные категории по различным признакам.

По структуре:

• ферритные;
• перлитные;
• мартенситные;
• аустенитные;
• карбидные (ледебуритные).

По видам:

• Низколегированная. Менее 2,5% легирующих добавок, относится к упрочнённым сплавам, что влияет на износостойкость, но дополнительные характеристики – пластичность, хрупкость или упрощённая обработка остаются практически неизменными, по сравнению с обычной сталью.
• Среднелегированная. Содержание легирующих добавок составляет от 2,5% до 10%. Данные сплавы являются самыми, широко распространёнными в станкостроении, автомобилестроении, строительстве и других отраслях промышленности.
• Высоколегированная. Процентное соотношение легирующих компонентов к общей массе данных сплавов варьируется от 10% до 50%. Используется для изготовления деталей механизмов, двигателей, турбин, камер сгорания, поверхностей трения, работающих при самых неблагоприятных условиях. Являются самыми дорогими сплавами, из-за чего во многих случаях их использование нерентабельно.

По назначению:

• Конструкционная. Используется в машиностроении, станкостроении, в автомобильной и других отраслях промышленного производства, предназначена для интенсивной эксплуатации под воздействием повышенных статических, династических и импульсных разовых, либо циклических нагрузок на протяжении длительного времени.
• Инструментальная. Высокопрочная жаростойкая легированная сталь, предназначенная для изготовления рабочих органов промышленных станков, а также бытовых электроинструментов, которые подвергаются повышенному трению, что вызывает разогрев металла. Данная сталь отличается стойкостью кристаллической решётки, не меняет основных свойств при длительном воздействии силы трения и повышения температуры до экстремальных значений.
• Особая. Изготавливается по особым формулам и технологиям, предназначена для применения в тех отраслях промышленности, где требуется повышенная температурная, химическая, коррозионная и другие стойкости, функциональные свойства. Преимущественно используется там, где невозможно применить конструкционные и инструментальные сплавы.

По основным свойствам:

• С повышенной устойчивостью против экстремально высоких температур. Характеризуется сохранением базовых свойств при нагреве структуры заготовки из данного металла до 1000 ^оС.
• С повышенной стойкостью против развития коррозии. Поверхность заготовок не окисляется при эксплуатации в условиях повышенной влажности, в том числе, при длительном воздействии морской воды, что существенно расширяет применение данных сплавов.
• Ударопрочные, устойчивые против образования окалины. Кристаллическая решётка остаётся целой при длительном воздействии высоких температур, без разрыва краевых связей между молекулами.

Каждая из перечисленных выше разновидностей сплавов отличается индивидуальными техническими характеристиками, которые достигаются разным соотношением легирующих компонентов, технологии их введения, а также методам изготовления самого материала в заводских условиях.

Какие бывают добавки

Улучшение физико-механических и функциональных свойств легированных сплавов достигается при введении следующих компонентов, химических элементов на стадии производства рассматриваемой стали.

Таблица металлических легирующих добавок

Таблица неметаллических добавок

Рассматриваемые выше добавки могут использоваться в комплексе, согласно химической формуле конкретного типа сплава, требований к его характеристикам, предполагаемой сфере применения.

Марки конструкционных легированных сталей – таблица

В приведенной ниже таблице указаны маркировки и химический состав легированных сталей согласно ГОСТ 4543-2016 “Металлопродукция из конструкционной легированной стали”. Каждая из марок должна соответствовать нормам по химическому составу в независимости от способа выплавки.

Таблица инструментальных легированных сталей

В приведенной ниже таблице указаны маркировки и химический состав легированных сталей согласно ГОСТ 5950-2000 “Прутки, полосы и мотки из инструментальной легированной стали”.

Посмотреть марки и химический состав легированных нержавеющих сталей, а также сплавов коррозионо-стойких, жаростойких и жаропрочных, можно в ГОСТ 5632-2014. Также рекомендуем к изучению статью в которой вы найдете ответ на часто задаваемый вопрос – магнитится ли нержавейка.

Сфера применения легированной стали

Легированная сталь – это широко распространённые металлические сплавы, которые, благодаря широкому ассортименту разных типов продукции, физико-механических свойств, могут использоваться в следующих типах промышленного производства, в быту и других сферах:

• В машиностроении – рабочие органы для режущих, сверлильных, фрезерных станков, изготовление оправок, оснастки для промышленных машин.
• Различные высокопрочные функциональные детали для нужд автомобилестроительной промышленности.
• Режущие части ножей, зубил, стамесок, гильотин и другого оборудования, ручного инструмента, бытовых приборов.
• Посуда из нержавейки – кастрюли, сковородки, сотейники и другие товары.
• Шариковые подшипники, детали станков, механизмов, подвергающиеся повышенному трению и нагреву.
• Ударопрочные корпуса для различного оборудования.

Большинство изделий и деталей, изготовленных из легированной стали, отличаются повышенной механической прочностью, надёжностью, износостойкостью, практичностью, универсальностью и долговечностью.