Углеродистая сталь

Легированные конструкционные стали

Легированные конструкционные стали применяются для наиболее ответственных и тяжелонагруженных деталей машин. Практически всегда эти детали подвергаются окончательной термической обработке — закалке с последующим высоким отпуском в районе 550—680 °C (улучшение), что обеспечивает наиболее высокую конструктивную прочность.

Легирующие элементы — химические элементы, которые вносят в состав конструкционных сталей для придания им требуемых свойств. Ведущая роль легирующих элементов в конструкционных сталях заключается и в существенном повышении их прокаливаемости. Основными легирующими элементами этой группы сталей являются хром (Cr), марганец (Mn), никель (Ni), молибден (Mo), ванадий (V) и бор (В). Содержание углерода (С) в легированных конструкционных сталях — в пределах 0.25-0.50 %.

Маркировка

• Две цифры в начале маркировки указывают на конструкционные стали. Это содержание в стали углерода в сотых долях процента.
• Буква без цифры — определённый легирующий элемент с содержанием в стали менее 1 %.(А — азот, Р — бор, Ф — ванадий, Г — марганец, Д — медь, К — кобальт, М — молибден, Н — никель, С — кремний, Х — хром, П — фосфор, Ч — редкоземельные металлы, В — вольфрам, Т — титан, Ю — алюминий, Б — ниобий)
• Буква и цифра после неё — определённый легирующий элемент с содержанием в процентах (цифра).
• Буква А в конце маркировки — указывает на высококачественную сталь.

Например 38Х2Н5МА — это среднелегированная высококачественная хромоникелевая конструкционная сталь. Химический состав: углерод — около 0,38 %; хром — около 2 %; никель — около 5 %; молибден — около 1 %.

2 Легирующие элементы – для коррекции качества готовых сплавов

Базовая легирующая добавка – хром, в незначительной мере ухудшает пластичность готового проката, но зато существенно увеличивает прочностные характеристики стали и ее твердость. Хромистые композиции в сфере строительства машин и агрегатов незаменимы для производства подшипников качения. В легированные КС хрома добавляют не более 3 %. Следующие распространенные примеси – молибден и вольфрам, добавляются в легированные КС намного экономнее – максимум 1 %. Эти элементы имеют объективно высокую стоимость. Их нерациональное (излишнее) применение не имеет экономической целесообразности. Они обеспечивают:

• некоторое снижение вязкости проката и его показателей пластичности;
• повышение прочности и твердости металла.

Вольфрам для добавления в сталь

Еще один нюанс. Вольфрам облегчает процесс формирования структуры мелкого зерна. А молибден придает металлургическим композициям уникальную стойкость к высоким температурам (они становятся жаропрочными). В количестве 1–3 % в легированные КС добавляют никель. Наибольшее его содержание необходимо при выпуске немагнитных сплавов. Они востребованы во многих отраслях машиностроения. Никель делает сталь более вязкой и пластичной

Кроме того, что немаловажно, данный элемент повышает ее прочность

3 Группы конструкционного проката и сферы его применения

Почти все конструкционные сплавы – низколегированные. В них содержится 2–3 % добавок. Низколегированная КС подразделяется на различные категории по определенным признакам. Чаще всего ее делят на три группы по сфере применения. С этой точки зрения низколегированные стали бывают:

1. Подшипниковыми. В них содержится около 1,5 % хрома (больше не допускается) и до 1 % углерода. Из названия понятно, что такие сплавы используются для изготовления подшипников. Данные детали машин испытывают повышенные локальные нагрузки. Поэтому легированные подшипниковые КС всегда дополнительно обрабатывают на высокую твердость и стремятся снизить в них карбидную неоднородность до минимума.
2. Теплоустойчивыми. Такие стали нашли свое применение в энергетическом машиностроении. Из них делают паропроводы и промышленные нагреватели, сосуды, которые функционируют при температурах до +650 °С. Теплоустойчивый прокат обладает уникальными свойствами. Только он позволяет изготавливать детали, способные работать до 20 тысяч часов без замены в условиях высоких температур. Эти стали содержат минимум углерода (до 0,27 %) и легируются комплексно (ванадий + молибден + хром). Заметим, что они подвергаются нормализации и высокому отпуску (иногда выполняется закалка металла).
3. Рессорно-пружинными. Эти низколегированные стали обладают высокой релаксационной стойкостью. Они также характеризуются повышенной сопротивляемостью к деформациям пластического плана. Пружины и рессоры, изготавливаемые из сталей данной группы, закаливают на мартенситную структуру и дополнительно упрочняют, используя методику пластической холодной обработки. Без данных видов доводки рессорно-пружинные стали не выпускаются.

Конструкционные сплавы

1 Самое главное об углеродистых сталях

Порядка 80 % всей стали, выплавляемой в настоящее время, является углеродистой, и только 20 % – легированной. Углеродистые сплавы востребованы разными промышленными предприятиями за счет того, что они имеют хорошее сочетание высокой технологичности и качественных эксплуатационных свойств. При этом стоимость их производства ниже, чем стоимость изготовления легированных композиций.

По областям использования углеродистые стали бывают разных видов. Нас интересуют только конструкционные сплавы, в которые специально вводится в заданных количествах углерод. Такие УКС могут быть качественными и обыкновенными. И первые, и вторые представляют собой достаточно сложную по своему химсоставу композицию, основу которой составляет железо (его в конструкционных сталях бывает от 97 до 99,5 %).

Углеродистая сталь

Также в описываемых составах имеются разнообразные примеси:

• медь, никель, хром – они обычно попадают в УКС по случайным обстоятельствам (специально их никто не вводит в сплав);
• кремний и марганец – наличие этих элементов обусловлено тонкостями процесса производства стали;
• водород, кислород, сера, азот и фосфор – их невозможно полностью удалить из сплава.

Углерод в конструкционные стали, как было сказано, вводят специально для того, чтобы уменьшить пластичность и увеличить прочность конечной продукции. Кроме того, углерод снижает в вязкой области металла показатель ударной вязкости, повышая при этом предел его хладноломкости. Кремний и марганец обязательно добавляют в УКС.

Конструкционные сплавы

1 ГОСТ 19282–73 – все о низколегированных сплавах

Этот стандарт описывает требования к универсальной широкополосной, толстолистовой и рулонной стали с малым содержанием легирующих добавок. Также некоторые его положения (нормирование химсостава) распространяются на фасонный, тонколистовой и сортовой прокат, блюмы, слитки, штамповки, слябы и поковки. ГОСТ подразделяет все низколегированные стали на отдельные группы:

• марганцовистые с ванадием (а также с азотом и медью) – 15ГФ, 16Г2АФД, 15Г2СФД, 16Г2АФ, 15Г2СФ, 14Г2АФД, 15ГФД, 14Г2АФ, 18Г2АФДпс и другие;
• никель-хромо-фосфористые – 10ХНДП;
• марганцовистые – 09Г2, 14Г2;
• кремненикелевые с хромом и с медью – 15ХСНД, 10Г2С1Д, 10ХСНД;
• марганцовистые с кремнием – 10Г2С1, 17Г1С, 16ГС, 09Г2С, 17ГС, 12ГС;
• марганцовистые с добавкой меди – 09Г2Д.

Низколегированные стали

Заметим, что ассортимент низколегированных композиций постоянно расширяется. Металлургические предприятия создают новые сплавы с небольшим содержанием дополнительных примесей, которые идеально подходят для несварных и сварных изделий. В большинстве случаев описываемые стали применяются без добавочной термообработки. Марки сплавов по ГОСТ 19282 обозначаются, как вы видите, набором литер и цифр. Первые указывают на легирующий компонент, имеющийся в стали. А цифры позволяют определить процентное содержание той либо иной добавки.

В случаях, когда объем легирующей примеси является незначительным (до 0,99 %), цифра после литеры не ставится. Если в конце какой-либо марки интересующей нас стали есть буква Б, это означает, что в сплав дополнительно вводят ниобий, буква Т – титан. Первые две цифры в маркировке – это количество углерода. Оно указывается в сотых частях процента. Во всех низколегированных сплавах по ГОСТ не может быть более 0,035 % серы и 0,03 % фосфора. Содержание остальных легирующих добавок варьируется в сравнительно широких пределах. Кремния в них может присутствовать 0,17–0,8 %, никеля – 0,3–0,8 %, углерода – 0,12–0,22 %, хрома 0,3–0,8 %, ванадия – 0,05–0,15 %, марганца – 0,3–1,8 %.

ГОСТ нормирует все низколегированные сплавы по химсоставу и по механическим показателям (в холодном состоянии) на изгиб и растяжение. По ударной вязкости нормируются отдельные категории стали. Они определяются конкретным заказом потребителя продукции.