Легированная сталь — это сталь, легированная различными элементами в общем количестве от 1 до 50% для улучшения ее механических свойств. Легированные стали делятся на две группы: низколегированные и высоколегированные. Чаще всего термин «легированная сталь» относится к низколегированным сталям.
Строго говоря, каждая сталь является сплавом, но не все стали называются легированными. Самой простой легированной сталью является сплав железа (Fe)с углеродом (C) (примерно от 0,1% до 1%, в зависимости от марки). Однако термин «легированная сталь» является стандартным термином, относящимся к сталям и с другими легирующими элементами, специально добавленными в дополнение к углероду.
Эффекты легирования
Легирующие элементы могут изменить углеродистую сталь несколькими способами. Легирование может влиять на микроструктуру, условия термообработки и механические свойства стали. Современные технологии, использующие мощные компьютеры, позволяют вычислять свойства и микроструктуру стали, когда она подвергается холодной деформации, термообработке, горячекатаному прокату или легированию. Например, если для некоторых применений стали требуются такие свойства, как высокая прочность и свариваемость, то углеродистая сталь сама по себе не будет служить этой цели, поскольку присущая углероду хрупкость сделает шов ненадежным. Проблема решается путем уменьшения части углерода и добавления других элементов, таких как марганец или никель. Это один из способов получения высокопрочной стали с необходимой свариваемостью.
Легированная сталь — свойства
Легированные стали могут содержать самые разнообразные элементы, каждый из которых может улучшать различные свойства материала, такие как механическая, термическая и коррозионная стойкость. Элементы, добавляемые в небольших количествах (менее чем 5%) могут улучшать механические свойства, например, повышать прокаливаемость и прочность. Элементы, которые добавляются в больших количествах (до 20%) повышают коррозионную стойкость и стабильность при высоких или низких температурах .
Эффекты добавления различных элементов в сталь наряду с типичными количествами в весовой доле суммированы в таблице ниже.
| Элемент | Условное обозначение | мас. % | Функция |
| Алюминий | Al | 0.95–1.30 | Легирующий элемент в азотированных сталях |
| Висмут | Bi | – | Улучшает обрабатываемость |
| Бор | B | 0.001–0.003 | Улучшает прокаливаемость |
| Хром | Cr | 0.5–2.0 | Улучшает прокаливаемость |
| 4–18 | Устойчивость к коррозии | ||
| Медь | Cu | 0.1–0.4 | Устойчивость к коррозии |
| Свинец | Pb | – | Улучшает обрабатываемость |
| Марганец | Mn | 0.25–0.40 | Предотвращает хрупкость в сочетании с серой |
| >1 | Улучшает прокаливаемость | ||
| Молибден | Mo | 0.2–0.5 | Тормозит рост зерен |
| Никель | Ni | 2–5 12–20 | Увеличивает прочность Улучшает коррозионную стойкость |
| Кремний | Si | 0.2–0.7 | Увеличивает прочность и прокаливаемость |
| 2 | Увеличивает предел текучести (пружинная сталь) | ||
| Больший % | Увеличивает магнитные свойства | ||
| Сера | S | 0.08–0.15 | Улучшает обрабатываемость (свойства стали без механической обработки) |
| Титан | Ti | – | Уменьшает мартенситную твердость в хромистых сталях |
| Вольфрам | W | – | Увеличивает твердость при высоких температурах |
| Ванадий | V | 0.15 | Увеличивает прочность при сохранении пластичности, способствует тонкой структуре зерна |
Легированные стали, по сравнению с углеродистыми сталями, имеют ряд улучшенных свойств: прочность, твердость, ударная вязкость, износостойкость, коррозионная стойкость, прокаливаемость и твердость при высокой температуре. Для получения некоторых из этих улучшенных свойств металл может потребовать термообработки.
Легированная сталь — производство и обработка
Методы легирования и обработки легированной стали зависят от желаемого результата. Требуемая комбинация элементов сначала плавится в печи при температуре свыше 1600 °С в течение 8-12 часов. Затем сталь отжигают при температуре выше 500 °С, чтобы удалить примеси и изменить физические и химические свойства.
Затем окалину (смесь оксидов железа), полученную в результате процесса отжига, удаляют с поверхности стали плавиковой кислотой перед повторением процесса отжига и удаления накипи. Наконец, сталь выплавляется и отливается для прокатки или формовки в окончательную отливку.
Изделия из легированной стали и их применение
Существуют сотни изделий, которые могут быть изготовлены из легированных сталей различного состава. К ним относятся трубы из легированной стали, пластины из легированной стали, листы и рулоны, прутки из легированной стали, стержни и провода, кованые фитинги из легированной стали, стыковые фитинги из легированной стали, фланцы из легированной стали, крепежные элементы и многое другое.
Низколегированные стали используются в широком спектре отраслей промышленности благодаря их исключительной прочности, обрабатываемости, экономичности и доступности. Они используются в военных транспортных средствах, строительной технике, судах, трубопроводах, сосудах высокого давления, буровых платформах и в конструктивных элементах.
Высоколегированные стали могут быть дорогими в изготовлении и сложными в обработке. Тем не менее, их превосходная твердость, ударная вязкость и коррозионная стойкость делают их идеальными для конструкционных компонентов, автомобильных применений, химической промышленности и оборудования для производства электроэнергии. Некоторые из них находят использование в очень требовательных применениях, таких как лопасти турбин реактивных двигателей и ядерных реакторах. Из-за ферромагнитных свойств железа некоторые стальные сплавы находят свое применение в изделиях, где их реакция на магнетизм очень важна, в том числе, в электродвигателях и трансформаторах.