Что такое легирующие добавки и как они влияют на свойства сталей?

Легирование стали — это процесс добавления в её состав дополнительных химических элементов (далее — легирующих элементов) для изменения/улучшения физических и/или химических свойств стали.

Общие сведения

Сталь — сплав железа с углеродом и другими элементами, в котором массовая доля углерода не превышает 2,14% в теории, а на практике обычно не более 1,5%.

Исходным материалом для производства стали служит чугун — сплав железа и углерода с содержанием последнего от 2,14% до 6,67%. При выплавке стали доля углерода в составе снижается до 0,05% - 2,14%.

Все примеси, содержащиеся в стали, можно разделить на четыре группы:

1. Постоянные или обыкновенные примеси (для раскисления стали, например, 0,2–0,4% кремний, 0,3–0,7% марганец, 0,01–0,02% алюминий и 0,01–0,02% титан). Вредные примеси — сера и фосфор.
2. Скрытые примеси (кислород, водород и азот).
3. Случайные примеси (из шихтовых материалов, например, уральские руды содержат медь, поэтому она попадает в сталь, выплавленную из этих руд).
4. Легирующие элементы (ЛЭ). Элементы (Mn, Cr, Ni, Ti, V, Cu и т. д.), специально вводимые в сталь в определённых количествах с целью изменения её строения и свойств, называются легирующими элементами.

Cтали, в которые для получения требуемых свойств специально вводят легирующие элементы, называют легированными сталями.

Классификация легированных сталей

Легированные стали классифицируют по степени легирования, структуре после нормализации и их назначению.

По степени легирования выделяют:

• низколегированные — легирующих элементов обычно менее 2,5% по массе;
• среднелегированные — легирующих элементов обычно от 2,5% до 10% по массе;
• высоколегированные —легирующих элементов более 10% по массе.

По назначению легированные стали классифицируют на:

• Конструкционные — используются для изготовления деталей машин, конструкций и механизмов (например, 09Г2С, 10ХСНД, 12Х18Н10Т);
• Инструментальные — применяются для производства режущего, измерительного и штампового инструмента (например, 9ХС, ХВГ, Х);
• Стали с особыми свойствами — включают коррозионностойкие, жаропрочные и износостойкие стали. (например, 20Х25Н20С2, Э4, Р18).

Для чего в сталь вводятся легирующие элементы

Целью легирования является улучшение физических и/или химических свойств проката, таких как:

В таблице ниже показано, какие химические элементы нормируются для сталей по ГОСТ 27772-2021 и какое влияние они оказывают на свойства стали:

Таблица 1. Химические элементы и их влияние на свойства стали

На рисунке 1 показано, как изменение процентного содержания легирующих элементов влияет на механические свойства стали — твердость, прочность и ударную вязкость.

Рисунок 1 — Влияние легирующих элементов на свойства феррита (а — твердость, б — ударная вязкость и в — предел прочности)

Влияние легирующих элементов на порог хладноломкости железа представлено на рисунке 2.

Рисунок 2 — Зависимость между процентным содержанием легирующих элементов и температурой порога хладноломкости

Таким образом, некоторые легирующие элементы могут оказывать разнонаправленное влияние на свойства стали: повышая одни характеристики, они нередко снижают другие.
Например, кремний (Si) увеличивает твердость, при этом уменьшает стойкость к ударным нагрузкам особенно при низких температурах.

Также невозможно бесконечно повышать долю легирующих элементов в составе стали. Улучшая одни свойства, они могут негативно влиять на другие. Так, например, увеличение общей доли легирующих элементов в составе снижает свариваемость материала.

Маркировка легированных сталей

Для обозначения марок стали в России применяется система, установленная ГОСТами. В ней каждый легирующий элемент указывается с помощью прописной буквы русского алфавита — например, Х для хрома, Н для никеля, Ф для ванадия и т.д. Такая система позволяет быстро определить химический состав стали по её марке.

Полный список обозначений выглядит следующим образом:

• Х — Хром (Cr);
• Н — Никель (Ni);
• Г — Марганец (Mn);
• С — Кремний (Si);
• М — Молибден (Mo);
• В — Вольфрам (W);
• Т — Титан (Ti);
• Ф — Ванадий (V);
• Ю — Алюминий (Al);
• Д — Медь (Cu);
• К — Кобальт (Co);
• Б — Ниобий (Nb);
• Р — Бор (B);
• Ц — Цирконий (Zr);
• А — Азот (N).

Начальные цифры указывают на среднее содержание углерода в сотых долях процента у конструкционных сталей и в десятых долях процента у инструментальных. Если цифры в начале маркировки нет (например, ХВГ), то это означает, что углерода в этой стали около 1%. Если число следует за буквой — это количество легирующего элемента. Когда содержание не превышает 1,5%, цифру не указывают.

Например, сталь марки 12Х18Н10Т содержит 0,12% углерода, 18% хрома, 10% никеля и титан менее 1,5%.

Влияние легирования на свариваемость стали

Для оценки содержания легирующих элементов в составе стали применяют такую величину как углеродный эквивалент. Ограничение величины углеродного эквивалента во многих документах рассматривается как гарантия свариваемости. При этом разные нормативные документы вводят различные способы подсчета углеродного эквивалента и ограничения его величины в зависимости от класса (марки) стали. В качестве примера можно обратиться к требованиям СП 16.13330. В таблице В.3 приведены требования к химическому составу и углеродному эквиваленту для сталей различных диапазонов прочности.

Углеродный эквивалент предлагается вычислять по формуле:

Как видно из приведенной формулы, химические элементы оказывают различное влияние на свариваемость стали. Именно поэтому в строительной отрасли чаще всего применяются низколегированные стали (суммарное содержание легирующих элементов до 2,5 %). Среди них — такие марки, как 09Г2С, 10Г2С1, 16Г2АФ, 15ХСНД и др. Эти стали хорошо свариваются, не образуют холодных и горячих трещин, и свойства сварного соединения близки к свойствам основного металла.

Хорошее сочетание механических свойств достигается при легировании низкоуглеродистой стали типа 16Г2АФ, 14Г2АФ, 18Г2АФ (0,07-0,15% V и 0,015-0,025 N). При взаимодействии ванадия с азотом образуется карбонитрид ванадия, позволяющий получить сталь с очень мелким зерном и низким порогом хладноломкости.

Введение меди и никеля или одновременно меди и фосфора увеличивает коррозионную стойкость сталей в атмосферных условиях (стали 10ХНДП, 15ХСНД) и снижает порог хладноломкости.

Выводы

Таким образом, применение легирующих элементов может значительно улучшить характеристики сталей. Но их процентное содержание в составе увеличивать без ограничений невозможно — это может радикально снизить свариваемость стали и привести к ощутимому увеличению стоимости материала. Более того, легированные стали могут быть более сложными в обработке из-за повышенной твердости и прочности. Также из-за неравномерного распределения легирующих элементов по объему металла, можно получить материал с неоднородными механическими свойствами. Необходимо помнить, что некоторые легированные стали могут быть подвержены обратимой отпускной хрупкости.

В целом, выбор между легированной и нелегированной сталью зависит от конкретных требований к материалу и условий эксплуатации. Оптимальный подбор химического состава, режимов обработки и соблюдение технологии производства позволяют минимизировать недостатки и обеспечить требуемые свойства стальных изделий.

Список литературы

1. Гуляев А. П. Металловедение: учебник для вузов. – 1986.
2. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение: учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов. – 1980.
3. СП 16.13330.2017 «СНиП II-23-81* Стальные конструкции»