- Легированная сталь: определение, типы и использование
- Что такое легированная сталь?
- Состав легированной стали
- Сколько углерода в легированной стали?
- Как изготавливают легированную сталь?
- Где используется легированная сталь?
- Свойства легированной стали
- Температура для закалки легированной стали
- Основные типы легированной стали
- Низколегированная сталь
- Высокопрочная низколегированная сталь (HSLA)
- Высоколегированная сталь
- Нержавеющая сталь
- Микролегированная сталь
- Усовершенствованная высокопрочная сталь (AHSS)
- Стареющая сталь
- Инструментальная сталь
- Подходит ли легированная сталь для литья под давлением?
Легированная сталь: определение, типы и использование
Легированная сталь — это тип стали с добавлением легирующих элементов, отличных от углерода, для улучшения ее свойств.
Некоторые из распространенных добавок к легированной стали включают: хром, кобальт, колумбий, молибден, марганец, никель, титан, вольфрам, кремний и ванадий.
Легированные стали известны своими улучшенными свойствами по сравнению с обычной углеродистой сталью, такими как: коррозионная стойкость, твердость, прочность, износостойкость и ударная вязкость.
Легированные стали используются для изготовления производственной оснастки и конечной продукции практически во всех отраслях промышленности. Точная марка и состав легированной стали могут быть адаптированы к требованиям применения.
В этой статье будут обсуждаться различные классы легированных сталей, включая их составы, свойства и области применения.
Что такое легированная сталь?
Легированная сталь представляет собой материал на основе железа, который помимо углерода содержит один или несколько преднамеренно добавленных элементов.
Легирующие элементы добавляются в сталь для улучшения одного или нескольких ее физических и/или механических свойств, таких как: твердость, прочность, ударная вязкость, жаростойкость, коррозионная стойкость и износостойкость.
Эти элементы обычно составляют 1-50 мас.% состава металла. Существует множество способов группировки легированных сталей.
Их можно сгруппировать по основным легирующим элементам (например, нержавеющая сталь содержит значительное количество хрома) или по процентному содержанию всех легирующих элементов, содержащихся в стали (например, высоколегированная сталь обычно содержит более 8 % легирующих элементов, в то время как в низколегированной стали менее 8 %).
Состав легированной стали
В зависимости от желаемых свойств материала легированная сталь может содержать самые разнообразные и переменные количества легирующих элементов.
Каждый из этих элементов добавляется для улучшения некоторых свойств стали, таких как твердость или коррозионная стойкость.
Типичные легирующие элементы включают: бор, хром, молибден, марганец, никель, кремний, вольфрам и ванадий. Другие менее распространенные элементы, которые могут быть добавлены: алюминий, кобальт, медь, свинец, олово, титан и цирконий.
Сколько углерода в легированной стали?
Содержание углерода в легированной стали будет зависеть от типа используемой легированной стали. Большинство сталей имеют содержание углерода ниже 0,35% углерода по весу.
Например, низкоуглеродистая сталь, предназначенная для сварки, имеет содержание углерода ниже 0,25% масс., а часто содержание углерода составляет менее 0,15% масс.
Однако инструментальные стали представляют собой тип легированной стали с высоким содержанием углерода, обычно от 0,7 до 1,5.
Как изготавливают легированную сталь?
Легированная сталь производится путем плавки основных сплавов в электропечи при температуре свыше 1600 °С в течение 8-12 часов. Затем его отжигают при температуре более 500 ° C, чтобы изменить химические и физические свойства и удалить примеси.
Прокатная окалина (полученная в результате отжига) удаляется с поверхности плавиковой кислотой. Отжиг и удаление окалины повторяются до тех пор, пока сталь не расплавится. Расплавленная сталь отливается для прокатки и придания окончательной формы в зависимости от требуемых размеров.
Как правило, сталь создается с использованием одного из двух процессов: электродуговой печи (ЭДП) или доменной печи.
Доменная печь — это начальный процесс превращения оксидов железа в сталь. Чугун производится в доменной печи из кокса, железной руды и известняка.
ЭДП отличается от доменной печи тем, что она создает расплавленную сталь путем плавления стального лома, железа прямого восстановления и/или чугуна с использованием электрического тока.
Где используется легированная сталь?
Область применения легированной стали очень широка и зависит от типа легированной стали. Некоторые легированные стали используются для производства труб, особенно для использования в энергетике.
В то время как другие используются в производстве коррозионно-стойких контейнеров, столового серебра, кастрюль, сковородок и нагревательных компонентов для тостеров и другого кухонного оборудования.
Легированные стали можно разделить на две основные категории: низколегированные стали и высоколегированные стали.
Применение легированных сталей в основном определяется категорией, к которой они относятся.
Низколегированные стали используются в различных отраслях промышленности из-за их прочности, обрабатываемости и доступности. Их можно найти на кораблях, трубопроводах, сосудах под давлением, буровых платформах, военной технике и строительной технике.
С другой стороны, высоколегированные стали могут быть дорогими в производстве и сложными в работе. Тем не менее, они идеально подходят для автомобильной промышленности, химической обработки и оборудования для производства электроэнергии благодаря своей высокой прочности, ударной вязкости и коррозионной стойкости.
Свойства легированной стали
Легированная сталь может иметь широкий диапазон свойств в зависимости от конкретных легирующих элементов и их количества, добавленного в сталь.
Некоторые из ключевых свойств, связанных с некоторыми легированными сталями: высокая производительность, долговечность, высокая прочность, хорошие характеристики в жестких условиях и коррозионная стойкость.
Температура для закалки легированной стали
Не все легированные стали поддаются термообработке. Примеры легированных сталей, которые нельзя подвергать термообработке, включают ферритные и аустенитные нержавеющие стали.
Чтобы сталь была достаточно закаливаемой, для ее упрочнения необходим углерод. Стали, такие как мартенситные стали, например, могут быть закалены до относительно высокого содержания углерода.
Для легированных сталей с достаточным содержанием углерода для закалки температура, необходимая для закалки легированной стали, обычно составляет 760-1300 °C (в зависимости от содержания углерода).
Как и в случае с другими типами стали, закалка легированной стали включает контролируемый нагрев при критических температурах с последующим регулируемым охлаждением.
Основные типы легированной стали
Легированную сталь можно разделить на семь основных категорий, как показано в таблице 1 ниже:
| Тип стали | Классификация |
|---|---|
|
Низколегированная сталь |
Менее 8% легирующих элементов |
|
Высокопрочная низколегированная (HSLA) сталь |
Низколегированная сталь |
|
Высоколегированная сталь |
Более 8% легирующих элементов |
|
Нержавеющая сталь |
Высоколегированная сталь |
|
Усовершенствованная высокопрочная сталь (AHSS) |
Низкий сплав и низкое содержание углерода |
|
мартенситностареющая сталь |
Низкое содержание углерода |
|
Инструментальная сталь |
Высокое содержание углерода |
Низколегированная сталь
К низколегированным относятся стали, легирующие элементы которых составляют менее 8% от состава металла. Эти легирующие элементы добавляются для улучшения механических свойств стали.
Например: молибден повышает прочность; никель увеличивает ударную вязкость металла, хром добавляет жаропрочность, коррозионную стойкость и твердость.
Низколегированная сталь широко используется в производстве и строительстве.
Обычно эта сталь используется в военных транспортных средствах, строительной технике, кораблях, трубопроводах, сосудах под давлением, конструкционной стали и платформах для бурения нефтяных скважин.
Высокопрочная низколегированная сталь (HSLA)
Высокопрочная низколегированная (HSLA) сталь или микролегированная сталь обеспечивает как высокую прочность, так и хорошую устойчивость к атмосферной коррозии.
Существует шесть основных категорий стали HSLA: атмосферостойкая сталь, игольчатая ферритная сталь, сталь с уменьшенным перлитом, двухфазная сталь, сталь с контрольным прокатом и микролегированная ферритно-перлитная сталь.
Как правило, медь, хром, фосфор и кремний используются для повышения коррозионной стойкости, а ванадий, ниобий, титан и медь — для повышения прочности.
Высокая прочность сталей HSLA может затруднить их формование. В определенных ситуациях добавляют цирконий или кальций, чтобы облегчить их формирование.
Высокопрочная низколегированная сталь широко используется в автомобильной промышленности.
Горячекатаная сталь HSLA может использоваться для систем подвески, шасси, колес и механизмов сидений. Принимая во внимание, что холоднокатаные стали HSLA могут использоваться для усиления и кронштейнов сидений.
Высоколегированная сталь
Высоколегированная сталь отличается высоким содержанием легирующих элементов более 8% от общего состава стали. Производство высоколегированной стали может быть дорогим, и с ней может быть сложно работать.
Тем не менее, эти марки идеально подходят для автомобильной промышленности, конструкционных компонентов, оборудования для химической обработки и производства электроэнергии благодаря их твердости, коррозионной стойкости и ударной вязкости.
Нержавеющая сталь
Нержавеющая сталь является одной из самых известных легированных сталей и самой коррозионностойкой. Как правило, в качестве основных легирующих элементов в нем присутствует некоторое сочетание никеля, хрома и молибдена, которые составляют около 11-30% состава стали. Существует три типа нержавеющей стали: аустенитная, ферритная и мартенситная.
Аустенитные стали обычно используются для содержания агрессивных жидкостей и оборудования в горнодобывающей, химической, архитектурной или фармацевтической промышленности.
В аустенитных сталях содержится большое количество никеля (до 35%), молибдена, хрома (16—26%), ниобия, углерода до 0,15%.
Аустенитные стали часто обладают лучшей коррозионной стойкостью из всех нержавеющих сталей. Эти стали также обладают высокой формуемостью и прочностью и обычно востребованы благодаря своим свойствам при экстремальных температурах.
Ферритная сталь, используемая в промышленном оборудовании и автомобилях, представляет собой нержавеющую сталь с содержанием углерода менее 0,10% и более 12% углерода.
Эта марка стали была разработана для защиты от коррозии и окисления, в частности от коррозии под напряжением. Эти стали практически не упрочняются термической обработкой и лишь слегка упрочняются холодной прокаткой.
Мартенситные стали, в основном используемые для изготовления столовых приборов, имеют типичное содержание хрома от 11,6 до 18% с добавлением 1,2% углерода и никеля.
Как группа, самое высокое содержание хрома в мартенситных сталях ниже, чем самое высокое содержание хрома в ферритных и аустенитных сталях.
Мартенситные стали известны своей исключительной прокаливаемостью при умеренной коррозионной стойкости. Это делает их идеальными для столовых приборов, гаечных ключей, хирургических инструментов и турбин.
Микролегированная сталь
Высокопрочные низколегированные стали (HSLA) часто называют микролегированными сталями.
Усовершенствованная высокопрочная сталь (AHSS)
Усовершенствованная высокопрочная сталь (AHSS) в основном используется в автомобильной промышленности. Этот металлический сплав играет ключевую роль в снижении общего веса транспортных средств.
Она обладает уникальными свойствами, такими как: высокая прочность и оптимизированная формуемость, что делает его идеальным для применения в автомобилестроении.
Стареющая сталь
Мартенситно-стареющая сталь представляет собой особый вид стального сплава с низким содержанием углерода.
Эта сверхвысокопрочная сталь обладает превосходной ударной вязкостью и хорошей пластичностью по сравнению с большинством сталей.
В отличие от других стальных сплавов мартенситностареющая сталь упрочняется за счет осаждения интерметаллических соединений, а не за счет присутствия углерода.
Мартенситно-стареющая сталь сочетает в себе высокую прочность и твердость с относительно высокой пластичностью благодаря отсутствию углерода и использованию интерметаллических осадков.
Основными типами выделений являются Ni3Mo, Ni3Ti, Ni3Al и Fe2Mo, которые также встречаются в больших объемных фракциях.
Мартенситно-стойкие стали в основном используются в аэрокосмической отрасли, а также в производстве инструментов и оружия.
Инструментальная сталь
Инструментальная сталь — это термин, используемый для описания ряда углеродистых и легированных сталей, которые хорошо подходят для производства инструментов.
Эти стали отличаются твердостью, износостойкостью, ударной вязкостью, устойчивостью к размягчению при высоких температурах.
Инструментальная сталь идеально подходит для производства инструментов, включая (но не ограничиваясь) штампы для станков и ручные инструменты.
Подходит ли легированная сталь для литья под давлением?
Да, легированная сталь подходит для литья под давлением. Низколегированные стали являются одним из материалов, используемых в процессе литья под давлением.
Легированная сталь марки Р20, например, используется для пресс-форм, которые используются для обычных пластмасс, поскольку они не вызывают коррозии или сильного износа.
В этой статье представлена легированная сталь, объясняется, что это такое, и рассказывается, как она играет решающую роль в производстве.
