Стали низколегированные

Отечественная металлургия выпускает обширный ассортимент низколегированных сталей. Они отлично сочетают в себе улучшенные технологические качества, достаточно высокую прочность и ценовую доступность и при этом очень разнообразны по химическому составу и физико-механическим свойствам.

Определение

Низколегированная сталь – это сплав железа с углеродом, содержащий специально добавленные компоненты, оказывающие легирующий эффект. От других сталей ее отличает небольшая массовая доля углерода и наличие легирующих, как правило, недефицитных элементов, в пределах 2…3%. В качестве последних чаще всего используется марганец (Mn), кремний (Si), хром (Cr), никель (Ni), ванадий (V) и медь (Cu), но основное упрочнение металла происходит в процессе легирования феррита марганцем или кремнием.

Введение в состав недефицитных элементов делает их ценодоступными. При этом практически каждая низколегированная сталь преимущества имеет нижеследующие:

• повышенное сопротивление механическому старению;
• достаточно высокий предел текучести;
• низкий порог хладноломкости;
• хорошая пластичность.

По сравнению с углеродистыми марками низколегированные стали содержат меньшее количество неметаллических включений и характеризуются улучшенной стойкостью к атмосферной коррозии и истиранию. Они неплохо обрабатываются и отлично работают при минусовых температурах, а после закалки проявляют минимальную чувствительность к надрезу и повышенные параметры прочности и ударной вязкости. В основном производятся спокойными.

Классификация низколегированных сталей

Как углеродистые и легированные марки, низколегированные стали классифицируют по нескольким признакам, среди которых способ выплавки, содержание вредных примесей, структура и область применения. Но определяющим признаком является химический состав.

Классификация по химическому составу

По содержанию углерода большинство низколегированных марок стали являются малоуглеродистыми, хотя также есть и среднеуглеродистые. В зависимости от основных легирующих элементов их разделяют на:

• марганцевые. Их прочность близка к параметрам Ст3. При этом они обладают пониженной склонностью к хрупкому разрушению и характеризуются повышенной ударной вязкостью. К их числу относятся 14Г, 19Г, 09Г2;
• марганцевокремнистые. Характеризуются повышенной прочностью и низким порогом хладноломкости, но при этом проявляют пониженную пластичность и вязкость. К их числу относятся 12ГС, 09ГС, 10Г2С1;
• кремнемарганцевые. Сочетают высокую прочность и средние параметры вязкости, стойко сопротивляются абразивному износу и хорошо прокаливаются. К ним относятся 27ГС, 35СГ;
• кремнемарганцевомедистые. Свариваются без ограничений и отличаются высокой прочностью, инертностью к старению и образованию трещин. К ним относится 10Г2С1Д;
• хромокремненикелемедистые. Стойко сопротивляются хрупкому разрушению, отлично свариваются и хладостойкие. К ним относится 10ХСНД и 15ХСНД.
• марганцеванадиевые. Их мелкозернистая структура имеет повышенный предел текучести и сваривается без ограничений. К ним относится 15ГФ.

Классификация по качеству

На основе формирующейся при выплавке структуры металла и по количеству содержания вредных технологических примесей, которыми являются сера и фосфор, низколегированные марки разделяют на стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные.

Сера (S) способствует образованию легкоплавкой эвтектики и проявлению красноломкости стали. Образование соединений фосфора (P) с металлом приводит к резкому снижению пластичности при низких температурах. Поэтому их массовая доля тщательно контролируется.

В высококачественных сталях содержание серы и фосфора не должно превышать 0,025%, в качественных – 0,04 и 0,035% соответственно. В марках обыкновенного качества их количество может достигать 0,05 и 0,06%. Производство последних в наши значительно сократилось.

С учетом вида поставки и способа применения также выделяют четыре группы низколегированных сталей:

• фасонная и сортовая (ДСТУ 8541/ГОСТ 19281);
• толстолистовая, широкополосовая универсальная и рулонная (ДСТУ 8804/ГОСТ 19282);
• свариваемая для судостроения (ГОСТ 5521). Сюда входит толстолистовая, тонколистовая, широкополосовая и фасонная сталь, предназначенная для изготовления корпусов и других сварных конструкций различных плавсредств;
• стержневая арматурная периодического профиля, поставляемая по ДСТУ 3760, ГОСТ 5781 и ГОСТ 10884. 

Состав низколегированных сталей

Как видно из классификации, химический состав таких сталей очень разнообразен. Кроме марганца и кремния в качестве легирующих компонентов используются Cr (хром), Ni (никель), медь (Cu) и другие элементы. При этом молибден, ванадий и титан в сочетании с хромом и никелем позволят существенно улучшить те или иные физико-механические свойства.

Таблица. Базовые легирующие элементы низколегированных сталей

В основном с применением таких химических элементов получают низколегированные стали марки 20Г, 30Г, 50Г, 15ГС, 16ГС, 17ГС и прочие недорогие, но обладающие повышенной прочностью и универсальными свойствами.

Марганец увеличивает твердость металла, повышает предел текучести, ударную вязкость и износостойкость, но обеспечивает чувствительность к перегреву и удовлетворительную свариваемость. Кремний увеличивает предел текучести и улучшает пластичность. Медь и алюминий повышают коррозионную стойкость. Введение хрома также положительно сказывается на данном качестве и при этом увеличивает параметры твердости и прочности металла. Наличие никеля в пределах 2% обеспечивает высокие характеристики вязкости и пластичности.

Для придания особых свойств такие стали могут легировать путем добавления ниобия, молибдена, кобальта, бора и редкоземельных металлов (РЗМ). Причем последние позволяют сократить количество серы и неметаллических включений, а другие дефицитные компоненты оказывают комплексное действие на структуру и свойства сталей. Например, бор даже в малых концентрациях способен существенно увеличить прокаливаемость, цирконий – обрабатываемость, ванадий – свариваемость и хладостойкость.

Таблица. Дефицитные и редко применяющиеся легирующие элементы

Для получения наиболее качественных сталей, в которых содержание углерода, негативно влияющего на свариваемость, не превышает 0,1…0,8 процента, используется довольно сложное сочетание легирующих элементов. Однако стоимость их довольно высокая.

Обозначение и маркировка

Согласно сложившимся традициям отечественная маркировка сталей, в том числе и низколегированных, состоит из комбинации букв и цифр, которые обозначают химический элемент и его количество.

Две первые цифры отражают среднее количество углерода в сотых долях процента. Далее идет стандартное обозначение введенных легирующих элементов. Если их содержание более одного процента, после буквенного символа прописывается цифра, указывающая среднее значение в целых процентах, если же около одного процента, то цифровое обозначение не указывается.

Порядок последовательности легирующих элементов выстраивается с учетом значимости их влияния на свойства и структуру стали. Поэтому в маркировке указываются только основные элементы, хотя состав может включать и другие компоненты, оказывающие благотворительное влияние на свойства металла.

Внимание. Буква «А» в середине обозначения указывает на наличие азота. В конце маркировки эта же буква относит сталь к высококачественным.

Если сталь полуспокойная (раскислена не до конца), в конце ее маркировки указывается сокращенное обозначение «сп». Для спокойных сталей данное обозначение не прописывается по умолчанию.

При цифровой маркировке учитывается традиционное правило математического округления: число больше 0,5 округляется в большую сторону, меньше 0,5 – в меньшую.

Пример расшифровки низколегированных сталей

*Справочные данные

Обработка низколегированной стали

Как правило, низколегированные марки не подвергаются улучшению, но применяются либо в нормализованном или отожженном состоянии, либо непосредственно после горячей прокатки. Чтобы значительно повысить их прочность, вязкость и снизить чувствительность к надрезу, они могут поставляться после закалки с отпуском.

Непосредственно на производстве конструкции из низколегированных марок могут подвергать отпуску при 630…660°С с целью снятия сварочных напряжений и снижения твердости сварных соединений детали. Режим термообработки подбирается с учетом марки стали, конфигурации и размеров изделия и его целевого назначения.

Высокий запас прочности позволяет применять на большинстве низколегированных сталей все виды обработки давлением и мехобработки: гибку, штамповку, вальцовку. Обрабатываемость резанием также немаловажна. Параметры режущего инструмента и технология механической обработки подбираются с учетом твердости и вязкости низколегированной стали в обрабатываемом виде, но большинство из них отлично поддаются проточке, сверловке, фрезеровке и шлифовке с применением твердых и быстрорежущих сплавов – Р9, Р18, Р14Ф4, ВК3М, ВК15, Т15К6, Т5К10 и других.

Особенности сварки

Технология сварки низколегированных сталей расплавлением идентична сварке углеродистых марок. Они практически не склонны к образованию горячих и холодных трещин и почти все флоконенечувствительны. Необходимо лишь выбирать присадочные материалы с соответствующим химическим составом, так как убыль углерода и других компонентов в теле сварного шва должна быть компенсирована путем перехода металла электрода или проволоки в основной металл.

При ручной сварке низколегированных марок с временным сопротивлением разрыву до 590 МПа можно использовать электроды с основным, рутиловым, кислым, целлюлозным и смешанным покрытием. Например, УОНИ-13/55У, ОЗС-29, ВСЦ-4М, Э50А, главное – выбрать диаметр и тип электрода с учетом химического состава свариваемого металла и условий дальнейшей эксплуатации изделия/конструкции. Сварка может выполняться в разных пространственных положениях, род тока и рабочие параметры выбираются стандартно.

Ориентировочно металлические детали и конструкции из низколегированных сталей с толщиной стенки более 30 мм прогревают до 150…200°С. Но в целом режимы подогрева металла выбираются в зависимости от ряда условий:

• способ сварки;
• толщина свариваемых элементов;
• количество углерода и легирующих элементов;
• интенсивность отвода тепла;
• жесткости конструкции.

Особое внимание уделяется скорости охлаждения. Если металл сварного шва остывает очень быстро, это способствует увеличению его прочности, но при этом снижает пластичность и ударную вязкость. Более всего такое влияние проявляется при дуговой сварке однослойных угловых швов и последнего слоя многослойных швов.

При выполнении угловых швов и первого корневого шва в многослойных швах на среднеуглеродистых низкоуглеродистых сталях возможно образование в теле шва кристаллизационных трещин. А если они содержат большой комплекс легирующих компонентов, металл сварного шва может становиться химически неоднородным, что также дополнительно провоцирует трещинообразование и снижает прочность сварного соединения. Проблема решается путем применения сварочных инверторов и использования присадочных материалов из специальной группы.

Марочный состав низколегированных сталей достаточно обширный, но далеко не все они в одинаковой мере пригодны для изготовления сварных металлоконструкций. Чаще всего при их создании используются некоторые низколегированные стали – список таких марок включает, как правило, 09Г2, 09Г2С, 14Г2, 10Г2С1, 10ХСНД и 15ХСНД. Они отлично сочетают в себе высокие технологические свойства и механические характеристики и, конечно же, хорошо свариваются с применением ручной и механизированной сварки:

• MIG/MAG, полуавтоматическая в среде инертных и активных газов;
• MMA, ручная дуговая с покрытыми электродами;
• SAW, автоматическая под флюсом;
• ESW, электрошлаковая;
• ERW, контактная.

Применение

Еще во второй половине прошлого века низколегированные стали применение имели довольно ограниченное. Но так как они обеспечивают высокую надежность металлоконструкций и экономичность производства, сейчас их стали применять практически во всех производственных сферах. Сегодня они активно заменяют углеродистые марки строительной стали и используются в:

• промышленном и гражданском строительстве;
• магистральных нефте- и газопроводов;
• вагоностроении и мостостроении;
• химической промышленности;
• машиностроении.

Низколегированная сталь свойства имеет почти универсальные и ее применение оправдано при изготовлении несущих конструкций сооружений и оборудования различного назначения. Например, подкрановых ферм для кранов грузоподъемностью до 1000 тонн, поясов трубчатых стропильных ферм, рабочих элементов карьерных и шагающих экскаваторов или сосудов, работающие под давлением.

Используя низколегированные стали, можно снизить расход металла почти на 15…40% с одновременным обеспечением нормативной прочности, грузоподъемности, надежности и долговечности. Например:

• замена М16С при изготовлении пролетных строений мостов длиной до 55 м на нормализованную сталь 15ХСНД позволила сэкономить до 21% металла, при использовании 12Г2СМФ с карбонитридным упрочнением и поставляемой после закалки с отпуском эта цифра уже составляет 43,7%.
• применение 16Г2АФ после термоупрочнения позволило существенно снизить массу металлоконструкций промышленных зданий, резервуаров, кожухов доменных печей;
• использование улучшенной 09Г2С для изготовления колонн корпусов промышленных сооружений вместо горячекатаной Ст3сп обеспечивает экономию стали до 28%.

Теперь зная, что значит низколегированная сталь и какие ее особенности, постоянным и потенциальным клиентам «Метинвест-СМЦ» будет проще сориентироваться в обширном сортаменте металлопроката. Звоните, наш телефон 0800-30-30-70. Менеджеры «Метинвест-СМЦ» всегда проконсультирую и помогут в выборе товара.