Легированная сталь, ее свойства и применение
Легированная сталь широко используется в современной промышленности. Этот материал сочетает в себе высокую прочность, пластичность, коррозионную стойкость и другие ценные качества.
Основы металлургии легированной стали
Легированная сталь отличается от обычной углеродистой наличием в составе помимо железа и углерода еще и других химических элементов - легирующих добавок. К ним относят хром, никель, марганец, кремний, вольфрам, молибден и др. Эти добавки придают стали нужные свойства.
По количеству легирующих элементов различают:
- низколегированные стали (до 2,5%)
- среднелегированные стали (2,5-10%)
- высоколегированные стали (свыше 10%)
Легированная сталь используется в машиностроении, энергетике, транспорте и многих других отраслях.
Технология производства легированной стали
Производство легированной стали включает следующие основные этапы:
- Подготовка шихты - смешивание железной руды, легирующих добавок, флюсов
- Плавка металла в дуговых печах или конвертерах
- Внепечная обработка - ковшовый обезуглероживающий передел
- "легированная сталь" разливается в изложницы или непрерывнолитые заготовки
Для повышения качества стали используют дополнительную вакуумную или электрошлаковую переплавку.
Влияние легирующих элементов на свойства
Разные добавки по-разному воздействуют на характеристики стали:
- Никель повышает прочность и пластичность
- Хром улучшает коррозионную стойкость
- Кремний увеличивает прочность и твердость
- Марганец способствует закаливаемости стали
Комбинируя разные добавки, можно получать стали с нужным комплексом свойств.
Легированная сталь, благодаря легирующим элементам, приобретает ценные качества, которых нет у обычных углеродистых сталей.
Физико-механические свойства легированной стали
Легирование значительно улучшает физико-механические характеристики стали:
Прочность и твердость
Благодаря легирующим добавкам прочность легированной стали может в 2-3 раза превосходить прочность углеродистых аналогов. Например, предел прочности при растяжении для стали 20Х13 составляет 1470 МПа, а для Ст3 - всего 490 МПа.
Высоколегированные стали отличаются еще бóльшей твердостью за счет упрочнения твердыми карбидами и нитридами легирующих элементов.
Пластичность
Легированная сталь сохраняет пластичность даже после закалки и может выдерживать большие степени деформации без разрушения.
| Сталь | Относительное удлинение, % |
| 12X18H10T | 45 |
| 40Х | 16 |
Высокая пластичность важна при изготовлении сложных деталей методом штамповки.
Вязкость
Легированная сталь обладает высокой вязкостью - способностью сопротивляться хрупкому разрушению. Это обеспечивается за счет легирующих элементов, замедляющих процессы распада аустенита при закалке.
Например, добавка 2% молибдена в сталь 40Х повышает ее ударную вязкость с 30 Дж/см2 до 100 Дж/см2. Благодаря этому уменьшается опасность хрупкого разрушения ответственных деталей при динамических и ударных нагрузках.
Тепло- и электропроводность
Легирование незначительно снижает теплопроводность стали (на 5-15%), что может быть как плюсом, так и минусом в зависимости от условий эксплуатации. Зато удельное электросопротивление легированных сталей в 2-3 раза выше, чем у углеродистых.
Благодаря этому легированные электротехнические стали широко используются для изготовления трансформаторов, электрических машин, приборов и др. Устройств, работающих с сильными магнитными полями.
Магнитные свойства
Магнитная проницаемость легированных ферромагнитных сталей (08Х22Н6Т, 36Н3МФА) в 1,5-2 раза выше, чем у кильно углеродистых аналогов. Это позволяет создавать из таких сталей эффективные магнитопроводы с минимальными потерями.
Кроме того, легированные ферритные стали (20Х13, 40Х13) обладают высокой магнитной индукцией насыщения (до 2,2 Тл) и используются для изготовления постоянных магнитов.
Коррозионная стойкость
Добавки хрома, никеля, меди, кремния значительно повышают стойкость легированных сталей к электрохимической и химической коррозии в агрессивных средах.
Нержавеющие и кислотостойкие хромоникелевые стали (08X18Н10, 10Х17Н13М2Т) используются там, где нужна высокая коррозионная стойкость - химическое машиностроение, пищевая промышленность, морские сооружения.