Легирующие элементы — добавки в сталь (Cr, Ni, Mo, Mn, Si, V, Ti, Nb и др.), целенаправленно меняющие её прочность, стойкость и свариваемость.
Суть
Чистое железо мягко и мало пригодно для конструкций. Углерод делает его сталью, но одним углеродом нельзя одновременно получить прочность, вязкость при морозе, коррозионную стойкость и хорошую свариваемость. Для этого в расплав вводят другие элементы — легирующие: они растворяются в железе, образуют карбиды и нитриды, меняют структуру и температуру превращений.
Важно отличать легирование от примесей. Марганец и кремний в углеродистой стали 20 (ГОСТ 1050) — технологические раскислители, а не легирование; сера и фосфор — вредные примеси. Легирующим элемент становится, когда его вводят выше «фонового» уровня ради конкретного свойства: тот же марганец при 1,3–1,7 % уже делает 09Г2С низколегированной сталью. Порог, за которым сталь считают легированной (а не низколегированной), — суммарно около 2,5 % добавок.
Что даёт каждый элемент
- Марганец (Mn). Упрочняет феррит, повышает прокаливаемость, связывает серу в MnS — основа низколегированных трубных сталей 09Г2С, 17Г1С, 10Г2.
- Кремний (Si). Раскислитель; при 0,5–0,8 % заметно поднимает σт и предел упругости, но снижает пластичность и свариваемость.
- Хром (Cr). Повышает прочность, твёрдость и жаростойкость; от ~12–13 % Cr в твёрдом растворе (в европейских нормах — от 10,5 %) сталь становится нержавеющей — на поверхности образуется пассивная оксидная плёнка.
- Никель (Ni). Повышает вязкость и хладостойкость, стабилизирует аустенит: 12Х18Н10Т немагнитна и пластична при −196 °C именно благодаря никелю.
- Молибден (Mo). Даёт жаропрочность (стойкость к ползучести) и стойкость к питтингу в хлоридах; в котельной 12Х1МФ его 0,25–0,35 %, в 15ХМ — 0,4–0,55 %.
- Ванадий (V), титан (Ti), ниобий (Nb). Микролегирование в сотых долях процента: образуют дисперсные карбонитриды, измельчают зерно, повышают σт без потери свариваемости.
- Медь (Cu), алюминий (Al), бор (B), азот (N). Медь — атмосферная стойкость, алюминий — раскисление и мелкое зерно, бор в тысячных долях резко повышает прокаливаемость, азот упрочняет аустенитные стали.
Обратная сторона легирования — рост стоимости и ухудшение свариваемости: почти все элементы повышают эквивалент углерода. По ГОСТ 19281 его считают по формуле:
Cэкв = C + Mn/6 + Si/24 + Cr/5 + Ni/40 + Cu/13 + V/14 + P/2
Как читать легирующие в марке
В российской маркировке каждому элементу присвоена буква, а число после неё — примерное содержание в целых процентах (без числа — до ~1 %). Так, 12Х18Н10Т — это 0,12 % C, 18 % Cr, 10 % Ni и титан до 1 %; 09Г2С — 0,09 % C, до 2 % Mn (фактически 1,3–1,7 %) и кремний до 1 %.
| Буква | Элемент | Буква | Элемент |
|---|---|---|---|
| Х | хром | Ф | ванадий |
| Н | никель | Т | титан |
| М | молибден | Б | ниобий |
| Г | марганец | Д | медь |
| С | кремний | Ю | алюминий |
| В | вольфрам | Р | бор |
Ключевые числа
| Сталь 20 (ГОСТ 1050): Mn / Si — не легирование | 0,35–0,65 % / 0,17–0,37 % |
|---|---|
| Ст3сп (ГОСТ 380): Mn | 0,40–0,65 % |
| 09Г2С (ГОСТ 19281): Mn / Si | 1,3–1,7 % / 0,5–0,8 %; C ≤ 0,12 % |
| 17Г1С (ГОСТ 19281): Mn / Si | 1,15–1,60 % / 0,4–0,6 % |
| 12Х1МФ (ГОСТ 20072): Cr / Mo / V | 0,9–1,2 % / 0,25–0,35 % / 0,15–0,30 % |
| 12Х18Н10Т (ГОСТ 5632): Cr / Ni / Ti | 17–19 % / 9–11 % / ≤ 0,8 % |
| Граница нержавеющих сталей | ≥ 12–13 % Cr в твёрдом растворе |
| Граница низколегированных / легированных | сумма легирующих 2,5 % |
Где встречается в трубах
Марка трубной стали — это прежде всего набор легирующих: марганец и кремний дают хладостойкую 09Г2С для северных трубопроводов, хром с молибденом и ванадием — котельную 12Х1МФ для пара 540–560 °C, хром с никелем — нержавеющие трубы для пищевой и химической среды. Чем сложнее легирование, тем внимательнее подбирают режим сварки и термообработки.
- Низколегированные трубы из 09Г2С и 17Г1С — марганцево-кремнистое легирование для газопроводов и металлоконструкций.
- Котельные трубы из хромомолибденованадиевых сталей — см. статью котельные трубы в энергетике.
- Нержавеющие трубы из хромоникелевых сталей: подробнее — хром, никель, молибден и нержавеющая сталь.
- Как легирование влияет на выбор марки трубы — в статье стали для труб; химсостав по маркам — в библиотеке стандартов.
Связанные термины
- СтальСплав железа с углеродом (до 2,14 % C) и другими элементами; основной конструкционный материал для труб.
- Легированные сталиСтали с суммой легирующих выше 2,5 %: жаропрочные, коррозионностойкие, износостойкие — для особых условий работы.
- Нержавеющая стальСталь с содержанием хрома не менее 10,5 %, образующая на поверхности самовосстанавливающуюся пассивную плёнку оксида хрома.
- Маркировка сталей: как читать маркуРоссийская марка кодирует состав: цифры впереди — углерод в сотых, буквы — легирующие элементы, цифры после букв — их проценты.
- Хром, никель, молибденТри главных легирующих элемента: хром даёт коррозионную стойкость, никель — вязкость и аустенит, молибден — жаропрочность и стойкость к хлоридам.