Классификация и область применения легированных сталей

Область применения легированных сталей распространяется на сферу машиностроения. Благодаря высокой прочности и временному сопротивлению от 800 до 2000 МПа их используют для производства наружных конструкций, функционирующих при низких отрицательных и высоких положительных температурах, под воздействием ударных знакопеременных нагрузок и агрессивных рабочих сред. Некоторый вид таких легированных сталей находит применение в армировании железобетонных рам.

Состав легированных сталей

Легированные стали помимо традиционных примесей имеют в своем составе специфические вещества, намеренно добавленные в регламентированном объеме с целью обеспечения конкретных физико-механических характеристик. Эти элементы называются легирующими.

Легирующие элементы стали значительно увеличивают прочностные свойства металла, его коррозийную устойчивость, уменьшают хрупкость. Среди таких добавок наиболее востребованы хром, никель, медь, азот (в химически связанном состоянии), ванадий и др. Смешиваясь с железом, они изменяют и рушат симметричное расположение кристаллической решетки, поскольку владеют иными атомными величинами и формой наружных оболочек электронов. Значительная конструкционная прочность приобретается за счет рационализированного подбора химического состава легированной стали, ее структуры, терморежимов обработки, способов упрочнения поверхности, повышением металлургических характеристик. Уровень содержания легирующих элементов увеличивает себестоимость стали, это обуславливает строгую обоснованность диапазона добавок.

Ключевая роль в составе легированной стали принадлежит углероду, который повышает ее прочность, но понижает пластические и вязкие качества, из-за чего возрастает порог хладоломкости. В связи с этим его содержание сдерживается в определенных рамках и только в исключительных случаях бывает выше 60 %. По уровню легирования различают металл низко-, средне- и высоколегированный. Согласно этой классификации легированные стали в первом случае содержат менее 2,5 % добавок, во втором – 2,5…10 %, в третьем – 10…50 %. Кроме того, различают сталь коррозионно-устойчивую относительно электрохимической и межкристаллитной коррозии; окалино- и жароустойчивую относительно химического распада поверхности при 550 °С и выше; жаропрочную, которая отличается значительной жаростойкостью и способностью к работе под нагрузкой длительное время при 1000 °С и выше.

Жаропрочная высоколегированная сталь представляет собой такую категорию металла, которая может применяться при максимально критических температурах (1/3 от температуры плавления) под действием слабой нагрузки без явных остаточных деформаций и распада. Главными особенностями данного вида металла являются продолжительная пластическая деформация и прочность во времени, которая выражается в сопротивлении распаду при долгом влиянии температуры. Жаропрочные качества главным образом выделяются температурой плавления базового элемента сплава, его легированной добавки и параметрами предыдущей термической обработки, которые определяют структурную фазу сплава.

Существенное возрастание конструктивной прочности в легированном железе обуславливается высокой прокаливаемостью, снижением критической скорости закаливания, дроблением зерна. Использование упрочняющей термообработки повышает ряд механических качеств. В результате этого в легированных конструкционных сталях улучшены механические характеристики (тепло-, жаро- и коррозионная стойкость) и существенно изменены физико-химические и технико-эксплуатационные свойства.

Основные характеристики легированных сталей

Преимущественные свойства легированных сталей заключаются в следующих особенностях:

•    сочетание значительных прочностных и ударно-вязких параметров при позитивной и негативной температуре;
•    прекрасные технологические качества;
•    экономичность;
•    большие объемы производства;
•    серьезные параметры сопротивления пластичным деформациям;
•    легирующие добавки способствуют стабилизации аустенита, что сказывается на повышении прокаливаемости таких сталей;
•    возможность применения легких охладителей уменьшает риск возникновения брака по трещинам и короблению при закалке, поскольку снижается разрушение аустенита;
•    увеличивается запас пластичности и вязкости, что обуславливает высокую надежность готовых изделий;
•    полезные свойства выявляются только после термической обработки легированной стали, поэтому производимые изделия проходят обязательный этап термического воздействия.

Для описания марок легированных сталей используется буквенно-цифровой алгоритм. Легирующие добавки соответствуют определенной букве алфавита. Цифры, указанные перед буквами, означают уровень углерода в десятых или сотых долях % в зависимости от класса стали. Цифры, расположенные следом за буквами, означают уровень легирующих добавок в процентах. Когда их уровень составляет больше 1,5 %, то цифровое обозначение не используется. Указывание буквы А в конце маркировки легированных сталей свидетельствует о том, что металл высококачественный.

Низколегированная сталь характеризуется прекрасной пластичностью, достаточной свариваемостью и крепким сопротивлением хрупкости. Отличные механические качества она получает в ходе закаливания, нормализации и дальнейшего высокого отпуска. У нее в составе низкий уровень углерода. Высокие прочностные характеристики получаются за счет введения марганцевых, хромовых, никелевых или кремниевых добавок. Влияние легирующих элементов на сталь проявляется в отличной свариваемости и способности поглощать механическое воздействие при деформировании и распаде под ударной нагрузкой с низкой границей хладноломкости. Такая сталь отличается мелкозернистой текстурой. Но высокая чувствительность к концентрированию напряжений обуславливает пониженную вибрационную устойчивость.

Процесс сварки легированных сталей

Главные параметры сварки низколегированных сталей состоят в их сопротивляемости к локальным межкристаллическим трещинам и хрупкому разрушению. Показателями при выборе режимов сварочных операций являются предельно-допустимые наибольшая и наименьшая скорости остывания околошовной области стали. Максимум скорости остывания выбирается с учетом предотвращения холодных трещин в этой области. Величина тока процесса сварки принимается в соответствии с типом и толщиной электрода, также оценивают расположение шва, категорию соединения и слой свариваемого железа. Сварку технологических зон следует осуществлять беспрерывно, без охлаждения шва ниже температуры первоначального нагревания и подогревания его перед проведением дальнейшего прохода выше 200 °С.

Газовое сваривание таких сталей отличается высокой степенью разогревания сварных кромок, низкой коррозионной устойчивостью и сильным выгоранием легирующих элементов, что значительно ухудшает свойства сварных соединений. Для предотвращения отрицательных моментов при такой сварке используют присадочную проволоку, проковывание при 800 °С с дальнейшей нормализацией.

Конструкционные низколегированные стали используются для производства сварных устройств разного назначения. В эту категорию входит термоустойчивая сталь, легированная молибденовыми, вольфрамовыми или ванадиевыми элементами для увеличения температуры разупрочнения металла при нагревании и хромом для увеличения жароустойчивости.

Высоколегированная сталь легко подвергается межкристаллической коррозии, что исключает использование газовой сварки. Допускается такой вариант соединения лишь в случае обработки жаропрочных экземпляров слоем до 2 мм, но при этом все равно остается риск появления короблений.

Сварка высоколегированной стали под флюсом является оптимальным способом соединения металла толщиной до 5 см, поскольку при обработке обеспечиваются стабильные характеристики состава полотна на протяжении всего шва.

Большая часть легированных инструментальных сталей принадлежит к металлам перлитного класса. Они имеют в своем составе небольшое число легирующих веществ, отлично подлежат компрессионной обработке и резанию. Сталь инструментального типа востребована в производстве режущего инструментария, форм горячей деформации повышенной износостойкости. Металлургическая индустрия производит большой ассортимент продукции из такого материала, соответствующего конкретному ГОСТу. Основное назначение легированных сталей состоит в изготовлении горячекатаного проката.