Содержание
Высоколегированные стали содержат более 10% легирующих компонентов. В своем составе, они не должны содержать более 0,045% фосфора и серы, вместе взятых.
Высоколегированные стали в основном представлены нержавеющей сталью здесь она, является наиболее важной из высоколегированных сталей. Все нержавеющие стали, имеют, по меньшей мере, 12 процентов хрома и многие из них высокое содержание никеля. Три основных типа нержавеющих и жаростойких сталей:
1. Аустенитные
2. Ферритные
3. Ферро-аустенитные
4. Мартенситные
5. Дуплексная (двухфазная)
Аустенитные нержавеющие стали (110Г13Л, 110Г13Х2Л, 12Х18Н9ТЛ, 35Х18Н24С2Л) в качестве основных легирующих элементов содержат хром и никель (7% и более).
Стали этой группы имеют самые высокие коррозионную стойкость, свариваемость и пластичность. Аустенитные нержавеющие стали сохраняют свои свойства при повышенных температурах, но не стабильны при комнатной температуре. Следовательно, определенные легирующие элементы должны быть добавлены для стабилизации аустенита. Наиболее важным стабилизатором аустенита является никель и другие, включая углерод, марганец и азот.
Применение нержавеющих сталей: химическое оборудование, пищевое оборудование, кухонные мойки, медицинское оборудование, теплообменники, части печей.
Ферритные нержавеющие стали (Х28Л, 15Х25ТЛ) в качестве легирующих элементов содержат только хром. Кристаллографическая структура ферритных сталей (ОЦК кристаллическая решетка) стабильна при всех температурах. Стали этой группы имеют низкую стоимость и обладают лучшей обрабатываемостью. Пластичность и ковкость ферритных сталей низкая. Умеренная коррозионная стойкость и свариваемость. Ферритные стали при нагревании не поддаются изменениям из-за низкого содержания углерода, поэтому они широко используются в отожженном состоянии.
Применение ферритных сталей: специальные и конструкционные детали, автомобильные узлы, высокотемпературные емкости.
Аустенитно-ферритные сплавы (20Х25Н19С2Л, 40Х24Н12СЛ, 35Х23Н7СЛ, ХН65МВУ, 15Х18Н10Г2С) их микроструктура обычно содержат от 5 до 40% феррита, в зависимости от конкретной марки и баланса феррит и аустенит элементов, в химическом составе.
Мартенситные нержавеющие стали (20Х13Л) в качестве легирующих элементов содержит хром и увеличенное количество углерода (по сравнению с классом ферритные). В связи с увеличенным содержанием углерода стали из этой группы подвергаются термообработке. Стали с аустенитной структурой после обработки при высокой температуре, путем закалки, переходит в мартенситную структуру. Мартенситные стали имеют плохую свариваемость и пластичность.
Коррозионная стойкость этих сталей является умеренной (немного лучше, чем у ферритных сталей).
Применение мартенситных нержавеющих сталей: турбинные лопатки, ножи, хирургические инструменты, штифты, пружины.
Произошедшие улучшения нержавеющей стали в производственной практике (например: электронно-лучевой очистки, вакуумного и аргонно-кислородного обезуглероживания и вакуумной индукционной плавки) создали второе поколение дуплексные (двухфазные) нержавеющие стали. Они стали отличаться стойкостью к коррозии, значительно более устойчивы к хлорид ГТК, чем аустенитные нержавеющие стали, хорошей прочностью, и предел текучести в два-три раза выше, чем у обычных и жаропрочных нержавеющих сталей.
Термостойкие высоколегированные стальные отливки широко используется для сфер, где рабочие температуры свыше 650 ° C. Предел прочности при этих повышенных температурах является лишь одним из критериев, по которым эти материалы выбираются, потому что использование стали, часто связаны с эксплуатацией в агрессивных средах, где материалы должен быть устойчивыми к таким показателям.
В этом материале не решается вопрос о том, какая сталь «лучше». Это устаревшая формулировка, которой не один десяток лет, и она некорректна: для каждого случая выбор свой. Поэтому мы просто и непредвзято рассмотрим характеристики обеих сталей и их пригодность для конкретных целей.
Здесь мы будем употреблять единый термин «углеродистая сталь» для средне- и высокоуглеродистых видов. Между собой они отличаются, но при сравнении с так называемой нержавейкой эта разница нам не важна.
Просто и доступно про углеродку и нержавейку
Начнем с разъяснения, что устоявшаяся терминология не очень точно отражает саму суть противостояния: название «углеродистая» говорит о составе стали, а «нержавеющая» – о ее способности противостоять коррозии, то есть понятия, в принципе, не очень сравнимые.
Нож Hiroo Itou, выполненный по технологии «дамаск» из нержавеющего сплава. Не подвержен коррозии, но его режущие свойства не так хороши, как у углеродки
Что имеем по факту?
-
Любая сталь содержит какое-то количество углерода. Соответственно, углеродистая – в большей степени, но и в так называемой нержавейке этот элемент тоже присутствует.
Почему названные материалы ржавеют с разной скоростью?
- Железо в составе углеродистой стали быстро окисляется, когда углерод контактирует с кислородом в составе воздуха или воды.
- В нержавеющей стали есть присадки (хром, молибден), которые делают ее более устойчивой к окислению и, соответственно, коррозии.
Способность или неспособность сопротивляться коррозии (ржавчине) – это главное и принципиальное отличие одной стали от другой. Но есть и другие, не менее важные для выбора.
Нож Santoku Всемогущий из углеродистой стали Shirogami: требует чуть более тщательного ухода, но обладает отличными режущими свойствами
Сравнение углеродной стали с нержавеющей
Способность впитывать запахи
Углеродистая сталь сама по себе имеет приятный запах (особенно чистая и свежезаточенная), но при этом она быстро впитывает посторонние запахи. Если мы строгаем ножом из углеродки дерево, это даже здорово, а вот для нарезки продуктов не очень хорошо: от «аромата» лука или копченой рыбы инструмент придется отмывать довольно долго. С нержавеющей сталью таких проблем нет; сама по себе она также не имеет запаха. Для кухонных ножей это однозначный плюс.
Заточка
При равном количестве углерода клинки из коррозионностойких сталей будут сложнее в заточке за счет повышенной износостойкости. Поэтому и правка клинков из высокоуглеродистой коррозионностойкой стали потребует специального инструмента: мелкозернистого водного камня или керамического доводочного стержня. Клинки из углеродистой стали, напротив, можно править даже обычным поварским мусатом. Достигаемая при этом острота, по мнению практиков, намного превосходит остроту ромок из коррозионностойких аналогов, хотя и несколько уступает им в долговечности и износостойкости. Проще говоря, клинок из углеродки точится легче, правится проще и режет лучше нержавеющего аналога, но уступает ему в стойкости к коррозии и длительности удержания остроты.
Простота в уходе
Обе стали однозначно требуют регулярной чистки, правки, заточки и правильного хранения. Причем если делать это действительно постоянно, то уход в обоих случаях будет простым; но чувствительнее к «невниманию» все-таки углеродистая сталь. Бросьте одновременно уход за высокоуглеродистой и нержавеющей сталями, и первая скорее «отомстит» появлением ржавчины.
Режущие свойства
Тут высокоуглеродистая сталь однозначно выигрывает. За счет более податливой структуры она чувствительнее к заточке, да и режущая кромка из высокоуглеродистой стали может быть куда тоньше, чем из нержавеющей. А это и обусловливает, как говорят, «резучесть».
Эстетическая сторона вопроса
- Нержавеющая сталь не требует дополнительной защиты от коррозии, поэтому часто просто полируется. А вот высокоуглеродистая сталь выглядит в итоге куда разнообразнее, так как к клинкам из нее применяют самые разные способы обработки: назначение у них функциональное, но они же «дарят» стали и индивидуальность. Например, воронение дает клинку элегантный черный цвет, покрытие blackwash – необычный серо-зеленый оттенок и тысячи микроцарапин, порошковые напыления – матовую текстуру. В принципе, то же самое можно сделать и с нержавейкой, но обычно это не практикуется.
- Рано или поздно на углеродке образуется темный равномерный налет, который естественным образом защищает клинок от дальнейшего окисла; нравится нам такая самовольная окраска клинка или нет – вопрос индивидуальный. С нержавеющей сталью ничего подобного не происходит.
По всем перечисленным характеристикам и на форумах, и в литературе есть расхождения (особенно касательно заточки – и трудозатрат на нее, и времени, которое клинок ее держит). Дело в том, что на практике мало кто испытывает чистую сталь того или другого вида: чаще всего клинок обработан каким-либо способом или от коррозии, или от механических повреждений. Это здорово искажает объективную картину.
Важный момент: проблема с коррозией у углеродки решается обработкой клинка, а вот проблема режущих свойств у нержавейки пока никак не решена полностью.
Если мы готовы регулярно ухаживать за ножом, то есть держать его в чистоте и сухости, то для многих целей подойдет клинок из углеродистой стали – он подарит нам куда более комфортную работу за счет «резучего» лезвия. Если нам нужен просто надежный кухонный или охотничий нож, которому мы не готовы уделять много времени, стоит выбрать нержавеющую сталь.
Уже более 3 000 лет человечество обрабатывает железо изготавливая различные орудия, машины, домашнюю утварь. Несмотря на относительно высокие механические свойства этого металла его разрушение в результате коррозии не способствует долговременному использованию железных изделий на открытом воздухе.
Ещё одним существенным ограничением в использовании данного металла является его невысокие эстетические качества. Чтобы существенно улучшить данные свойства при производстве стали используются добавки придающие устойчивость к окислению, появлению на её поверхности блеска и существенному увеличению прочности металла.
Что такое легированная сталь
Это углеродистая сталь для улучшения технологических свойств которой введены специальные легирующие элементы. Процент добавок в составе невелик, но даже при незначительной концентрации, физические свойства металла улучшаются в несколько раз.
В зависимости от вида используемых добавок при производстве стали металл приобретает следующие свойства:
- неподверженность коррозии;
- упругость;
- тугоплавкость;
- прочность.
Для придания перечисленных качеств в состав добавляют следующие металлы:
Зачастую в углеродистую сталь достаточно добавить 1 — 3% легирующих элементов для придания ей необходимых свойств и качеств.
Виды легированных сталей
От процентного содержания добавок стали разделяются на:
- Низколегированные — содержание добавок менее 2,5%
- Среднелегированные — 2,5 — 10%.
- Высоколегированные — более 10%.
Также легированные стали подразделяются на следующие виды:
- конструкционные;
- инструментальные;
- с особыми физическими свойствами.
Конструкционные и инструментальные изделия используются в тех областях применения металлов, где необходима повышенная прочность. Легированные стали с особыми физическими свойствами могут быть устойчивыми к коррозии, высокой температуре и к химически агрессивным средам.
Маркировка легированных сталей
Из-за большого разнообразия сплавов с улучшающими добавками появилась необходимость в их маркировке. Легированные стали классификация и маркировка которых будет приведена ниже очень легко идентифицировать по буквенному обозначению, а также по указанию процентного состава тех или иных веществ в металле.
Маркировка включает в себя буквы, которые обозначают предназначение металла.
- Ж, Х, Е — обозначение нержавеющих, хромистых и магнитных сплавов.
- Я — хромоникелевая нержавеющая сталь.
- Ш — шарикоподшипниковая.
- Р — режущая.
- А, Ш — качественная и высококачественная легированная сталь.
Также в сплавах могут содержаться следующие элементы:
- Азот — А
- Алюминий — Ю
- Бериллий — М
- Бор — П
- Вольфрам — В
- Ванадий — Ф
- Кобальт — К
- Кремний — С
- Марганец — Г
- Медь — Д
- Молибден — М
- Магний — Ш
- Ниобий — Б
- Никель — Н
- Селен — Е
- Титан — Т
- Фосфор — П
- Хром — Х
- Цирконий — Ц
- Редкоземельные металлы — Ч
Если легированные стали маркировка которых после букв не имеет цифр не содержат ниобия, молибдена, ванадия, алюминия, азота, бора, титана, циркония и редкоземельных металлов, то это будет говорить о том, что в материале содержание легирующего элемента менее 1,5%. Для перечисленных выше металлов имеется исключение из данного правила, по причине влияния на механические свойства сплава даже десятых долей процента.
Если перед буквенным обозначением стоит цифра, то это показатель содержания кремния, а расположение цифр после буквы указывает процентное соотношение обозначенных химических элементов.
Применение легированных сплавов
Благодаря высоким эксплуатационным характеристикам легированная сталь применение находит в машиностроении, изготовлении инструментов, труб и строительных материалов.
Детали машин обычно изготавливают из перлитных металлов. К этой категории материалов относятся низколегированные и среднелегированные стали, которые после отжига имеют структуру позволяющую легко обрабатывать металл с помощью режущего инструмента.
Низколегированные стали благодаря повышенным прочностным характеристикам позволяют существенно экономить денежные средства при строительстве крупногабаритных сооружений и машин. Например, в судостроительстве благодаря использованию материала удаётся уменьшить толщину применяемого металла.
Легированные стали с добавками хрома широко используются для производства изделий, которые устойчивы к воздействия молочной и уксусной кислоты, а также следующих деталей работающих под значительным давлением:
- Поршневые пальцы, карданные крестовины и другие изделия предназначенные для эксплуатации в условиях повышенного износа.
- Кулачковые муфты, плунжеры и шлицевые валики.
- Шестерни коробок передач и червячные валы, а также другие изделия для работы на малых и средних скоростях.
Высоколегированная сталь широко используется для производства деталей устойчивых к коррозионному разрушению. Такие изделия также устойчивы к высоким температурам и способны работать в условиях до +1100 градусов.
Некоторые виды сплавов благодаря особым тепловым качествам имеют специальное применение, например:
- ЭН42 — материал обладает коэффициентом расширения таким же как и у стекла, поэтому применяется в качестве электродов в лампах накаливания.
- Х8Н36 — обладает постоянной упругостью, которая не изменяется в температурных пределах от минус 50 до +100 градусов. Благодаря неизменяемой упругости такой материал широко используется для
производства пружин для часовых механизмов и стрелочных измерительных приборов. - И36 — сплав обладает нулевым коэффициентом температурного расширения, поэтому идеально подходит для изготовления различных эталонов и калибровочных изделий.
Сварка легированных сталей: особенности
Легированные сплавы обладают хорошей пластичностью, поэтому из них можно изготовить сложные конструкции методом сварки. По причине различного содержания добавок каждый тип легированных изделий имеет свои особенности.
Сварка низколегированных сталей
Особенность сварных соединений низколегированных сталей заключается в высокой сопротивляемости холодным трещинам и хрупкому разрушению. Но, такие свойства соединительного шва можно достичь только при правильном сваривании.
Если процесс предварительного нагрева будет нарушен либо сварной шов подвергнется слишком быстрому остыванию металл может получить в местах соединения микроскопические повреждения, которые значительно уменьшат прочность всей конструкции.
Низколегированные стали марки 10Г2СД, а также 14ХГС и 15ХСНД свариваются с использованием аппарата постоянного тока с обратной полярностью. Электроды для сваривания должны иметь фтористо-кальциевое покрытие. Величина сварочного тока должна точно соответствовать типу электрода, толщине металла и типу сплава. Несоблюдение этого требования также отразится на качестве сварного шва и, как следствие, на прочности изготавливаемой конструкции.
Сварка низколегированной стали должна осуществляться без перерыва, чтобы весь шов был выполнен без при температуре металла не менее 200 градусов. Средняя скорость сварки составляет 20 м/ч, при напряжении 40 В и силе тока 80 А.
Сварка среднелегированных сталей
При изготовлении конструкций из среднелегированных сталей необходимо использовать сварочные материалы, в которых содержание легирующих элементов должно быть меньше, чем в свариваемом материале.
Только при использовании таких материалов можно добиться получения шва с высокой устойчивостью к деформации. Если при изготовлении изделий из среднелегированных сталей толщина листа не превышает 5 мм, то высокого качества соединения можно достичь при использовании аргонодуговой сварки.
Если для соединения деталей используется газовая сварка, то в качестве источника горения следует применять ацетилен в смеси с кислородом.
Сварка высоколегированных сталей
Если для производства металлических деталей применяется высоколегированная сталь, то в этом случае следует применять сварочное оборудование с минимальным тепловым захватом материала. Это необходимо для снижения вероятности коробления металла во время сварки, по причине большого содержания в составе металла различных примесей.
Электрическая сварка высоколегированных сплавов осуществляется с использованием электродов с фтористокальциевым покрытием. В этом случае удаётся добиться высоких показателей механической и химической прочности сварного шва.
Применение газовой сварки при изготовлении конструкций из высоколегированных сталей нежелательно. В исключительных случаях возможно использование газовой сварки для соединения жаропрочного высоколегированного стального листа толщиной не более 2 мм.
Заключение
Применение легированных сплавов при изготовлении металлических деталей и конструкций позволяет придать ним необходимые физические качества. При работе с такими металлами обозначение легирующих элементов в стали помогает подобрать заготовку с нужными параметрами, из которой затем будет изготовлена конструкция.
При использовании таких сплавов необходимо не только знать их состав, но и способы соединения при помощи сварки. Поэтому если следовать рекомендациям изложенным в данной статье, то можно получить высококачественное изделия с заданными параметрами.
