Вітчизняна металургія випускає великий асортимент низьколегованих сталей. Вони відмінно поєднують в собі поліпшені технологічні якості, досить високу міцність і цінову доступність й при цьому дуже різноманітні за хімічним складом і фізико-механічними властивостями.

Визначення

Низьколегована сталь – це сплав заліза з вуглецем, що містить спеціально додані компоненти, які надають легуючий ефект. Від інших сталей її відрізняє невелика масова частка вуглецю і наявність легуючих, як правило, недефіцитних елементів, в межах 2...3%. В якості останніх найчастіше використовується марганець (Mn), кремній (Si), хром (Cr), нікель (Ni), ванадій (V) та мідь (Cu), але основне зміцнення металу відбувається в процесі легування фериту марганцем або кремнієм.

Введення до складу недефіцитних елементів робить їх цінодоступними. При цьому практично кожна низьколегована сталь переваги має нижченаведені:

• підвищений опір механічному старінню;
• досить висока межа плинності;
• низький поріг холодноламкості;
• хороша пластичність.

У порівнянні з вуглецевими марками низьколеговані сталі містять меншу кількість неметалічних включень і характеризуються поліпшеною стійкістю до атмосферної корозії й стирання. Вони непогано обробляються та відмінно працюють при мінусових температурах, а після гарту проявляють мінімальну чутливість до надрізу і підвищені параметри міцності й ударної в'язкості. В основному виробляються спокійними.

Класифікація низьколегованих сталей

Як вуглецеві та леговані марки, низьколеговані сталі класифікують за кількома ознаками, серед яких спосіб виплавки, вміст шкідливих домішок, структура і сфера застосування. Але визначальною ознакою є хімічний склад.

Класифікація за хімічним складом

За змістом вуглецю більшість низьколегованих марок сталі є маловуглецевими, хоча також є і середньовуглецеві. Залежно від основних легуючих елементів їх поділяють на:

• марганцеві. Їх міцність близька до параметрів Ст3. При цьому вони володіють зниженою схильністю до крихкого руйнування і характеризуються підвищеною ударною в'язкістю. До їх числа відносяться 14Г, 19г, 09Г2;
• марганцевокремністі. Характеризуються підвищеною міцністю і низьким порогом холодноламкості, але при цьому виявляють знижену пластичність і в'язкість. До їх числа відносяться 12ГС, 09ГС, 10Г2С1;
• кремнемарганцеві. Поєднують високу міцність і середні параметри в'язкості, стійко опираються абразивного зносу і добре прогартовуються. До них відносяться 27ГС, 35СГ;
• кремнемарганцевомедісті. Зварюються без обмежень і відрізняються високою міцністю, інертністю до старіння і утворення тріщин. До них відноситься 10Г2С1Д;
• хромокремненікелємедісті. Стойко пручаються крихкому руйнуванню, відмінно зварюються і холодостійкі. До них відноситься 10ХСНД і 15ХСНД.
• марганцеванадіеві. Їх дрібнозерниста структура має підвищену межу плинності і зварюється без обмежень. До них відноситься 15ГФ.

Класифікація за якістю

На основі структури металу, що формується при виплавці, та за кількістю вмісту шкідливих технологічних домішок, якими є сірка і фосфор, низьколеговані марки поділяють на сталі звичайної якості, якісні та високоякісні.

Сірка (S) сприяє утворенню легкоплавкої евтектики й прояву червноламкості сталі. Утворення сполук фосфору (P) з металом призводить до різкого зниження пластичності при низьких температурах. Тому їх масова частка ретельно контролюється.

У високоякісних сталях вміст сірки та фосфору не повинен перевищувати 0,025%, в якісних – 0,04 і 0,035% відповідно. У марках звичайної якості їх кількість може досягати 0,05 і 0,06%. Виробництво останніх в наші значно скоротилося.

З урахуванням виду поставки та способу застосування також виділяють чотири групи низьколегованих сталей:

• фасонна і сортова (ДСТУ 8541/ГОСТ 19281);
• товстолистова, широкосмугова універсальна і рулонна (ДСТУ 8804/ ГОСТ 19282);
• зварювана для суднобудування (ГОСТ 5521). Сюди входить товстолистова, тонколистова, широкосмугова та фасонна сталь, призначена для виготовлення корпусів і інших зварних конструкцій різних плавзасобів;
• стрижнева арматурна періодичного профілю, що поставляється за ДСТУ 3760, ГОСТ 5781 і ГОСТ 10884.

Склад низьколегованих сталей

Як видно з класифікації, хімічний склад таких сталей дуже різноманітний. Крім марганцю і кремнію в якості легуючих компонентів використовуються Cr (хром), Ni (нікель), мідь (Cu) та інші елементи. При цьому молібден, ванадій і титан в поєднанні з хромом і нікелем дозволять істотно поліпшити ті або інші фізико-механічні властивості.

Таблиця. Базові легуючі елементи низьколегованих сталей

В основному із застосуванням таких хімічних елементів отримують низьколеговані сталі марки 20Г, 30Г, 50Г, 15ГС, 16ГС, 17ГС та інші недорогі й що володіють підвищеною міцністю і універсальними властивостями.

Марганець підвищує твердість металу, підвищує межу плинності, ударну в'язкість і зносостійкість, але забезпечує чутливість до перегріву і задовільну зварюваність. Кремній збільшує межу плинності та покращує пластичність. Мідь і алюміній підвищують корозійну стійкість. Введення хрому також позитивно позначається на даній якості й при цьому збільшує параметри твердості та міцності металу. Наявність нікелю в межах 2% забезпечує високі характеристики в'язкості та пластичності.

Для надання особливих властивостей такі сталі можуть легувати шляхом додавання ніобію, молібдену, кобальту, бору і рідкоземельних металів (РЗМ). Причому останні дозволяють скоротити кількість сірки і неметалевих включень, а інші дефіцитні компоненти забезпечують комплексну дію на структуру і властивості сталей. Наприклад, бор навіть в малих концентраціях здатний істотно збільшити прожарюваність, цирконій – оброблюваність, ванадій – зварюваність і холодостійкість.

Таблиця. Дефіцитні і рідко використовані легуючі елементи

Для отримання найбільш якісних сталей, в яких вміст вуглецю, що негативно впливає на зварюваність, не перевищує 0,1...0,8 відсотка, використовується досить складне поєднання легуючих елементів. Однак вартість їх досить висока.

Позначення та маркування

Згідно з традиціями, що склалися, вітчизняне маркування сталей, в тому числі й низьколегованих, складається з комбінації букв і цифр, які позначають хімічний елемент і його кількість.

Дві перші цифри відображають середню кількість вуглецю в сотих частках відсотка. Далі йде стандартне позначення введених легуючих елементів. Якщо їх зміст більше одного відсотка, після літерного символу прописується цифра, яка вказує середнє значення в цілих відсотках, якщо ж близько одного відсотка, то цифрове позначення не вказується.

Порядок послідовності легуючих елементів шикується з урахуванням значущості їх впливу на властивості та структуру сталі. Тому в маркуванні зазначаються тільки основні елементи, хоча склад може включати й інші компоненти, які надають благодійний вплив на властивості металу.

Увага. Буква «А» в середині позначення вказує на наявність азоту. В кінці маркування ця ж буква відносить сталь до високоякісних.

Якщо сталь напівспокійна (розкислена не до кінця), в кінці її маркування вказується скорочена назва «сп». Для спокійних сталей дане позначення не прописується за замовчуванням.

При цифровому маркуванні враховується традиційне правило математичного округлення: число більш 0,5 округляється в більшу сторону, менш 0,5 – в меншу.

Приклад розшифровки низьколегованих сталей

* Довідкові дані

Обробка низьколегованої сталі

Як правило, низьколеговані марки не піддаються поліпшенню, але застосовуються або в нормалізованому чи відпаленому стані, або безпосередньо після гарячої прокатки. Щоб значно підвищити їх міцність, в'язкість і знизити чутливість до надрізу, вони можуть поставлятися після гарту з відпусткою.

Безпосередньо на виробництві конструкції з низьколегованих марок можуть піддавати відпуску при 630...660 ° С з метою зняття зварювальних напружень і зниження твердості зварних з'єднань деталі. Режим термообробки підбирається з урахуванням марки сталі, конфігурації й розмірів виробу і його цільового призначення.

Високий запас міцності дозволяє застосовувати на більшості низьколегованих сталей всі види обробки тиском і мехобробки: згинання, штампування, вальцювання. Оброблюваність різанням також важлива. Параметри різального інструменту і технологія механічної обробки підбираються з урахуванням твердості й в'язкості низьколегованої сталі в оброблюваному вигляді, але більшість з них добре піддаються проточуванню, свердлуванню, фрезеруванню і шліфуванню із застосуванням твердих і швидкорізальних сплавів – Р9, Р18, Р14Ф4, ВК3М, ВК15, Т15К6, Т5К10 та інших.

Особливості зварювання

Технологія зварювання низьколегованих сталей розплавленням ідентична зварюванню вуглецевих марок. Вони практично не схильні до утворення гарячих і холодних тріщин і майже все флоконенечутливі. Необхідно лише вибирати присаджувальні матеріали з відповідним хімічним складом, бо зменшення вуглецю та інших компонентів в тілі зварного шва повинне бути компенсоване шляхом переходу металу електрода або дроту в основний метал.

У разі ручного зварювання низьколегованих марок з тимчасовим опором розриву до 590 МПа можна використовувати електроди з основним, рутиловим, кислим, целюлозним і змішаним покриттям. Наприклад, УОНИ-13/55У, ОЗС-29, ВСЦ-4М, Е50А, головне – вибрати діаметр і тип електрода з урахуванням хімічного складу металу, що зварюється, і умов подальшої експлуатації виробу/конструкції. Зварювання може виконуватися у різних просторових положеннях, рід струму та робочі параметри обираються стандартно.

Орієнтовно металеві деталі та конструкції з низьколегованих сталей з товщиною стінки більш 30 мм прогрівають до 150...200°С. Але в цілому режими підігріву металу вибираються в залежності від ряду умов:

• спосіб зварювання;
• товщина зварювальних елементів;
• кількість вуглецю і легуючих елементів;
• інтенсивність відводу тепла;
• жорсткості конструкції.

Особлива увага приділяється швидкості охолодження. Якщо метал зварного шва остигає дуже швидко, це сприяє збільшенню його міцності, але при цьому знижує пластичність і ударну в'язкість. Найбільше такий вплив проявляється при дуговому зварюванні одношарових кутових швів та останнього шару багатошарових швів.

При виконанні кутових швів та першого кореневого шва у багатошарових швів на середньовуглецевих низьковуглецевих сталях можливе утворення в тілі шва кристалізаційних тріщин. А якщо вони містять великий комплекс легуючих компонентів, метал зварного шва може ставати хімічно неодноріднім, що також додатково провокує утворення тріщин й зніжує міцність зварного з'єднання. Проблема вирішується шляхом застосування зварювальних інверторів та використання присаджувальних матеріалів зі спеціальної групи.

Марочний склад низьколегованих сталей досить великий, але далеко не всі вони в однаковій мірі придатні для виготовлення зварних металоконструкцій. Найчастіше при їх створенні використовують деякі низьколеговані сталі – список таких марок включає, як правило, 09Г2, 09Г2С, 14Г2, 10Г2С1, 10ХСНД й 15ХСНД. Вони відмінно поєднують в собі високі технологічні властивості й механічні характеристики та, звичайно ж, добре зварюються із застосуванням ручного й механізованого зварювання:

• MIG/MAG, напівавтоматичне в середовищі інертних та активних газів;
• MMA, ручне дугове з покритими електродами;
• SAW, автоматичне під флюсом;
• ESW, електрошлакове;
• ERW, контактне.

Застосування

Ще в другій половині минулого століття низьколеговані сталі застосування мала досить обмежене. Але через то, що вони забезпечують високу надійність металоконструкцій й економічність виробництва, зараз їх стали застосовувати практично у всіх виробничих сферах. Сьогодні вони активно замінюють вуглецеві марки будівельної сталі та використовують в:

• промисловому й цивільному будівництві;
• магістральних нафто- й газопроводів;
• вагонобудуванні й мостобудуванні;
• хімічної промисловості;
• машинобудуванні.

Низьколегована сталь властивості має майже універсальні та її застосування виправдане при виготовленні несучих конструкцій споруд й обладнання різного призначення. Наприклад, підкранових ферм для кранів вантажністю до 1000 тонн, поясів трубчастих кроквяних ферм, робочих елементів кар'єрних та крокуючих екскаваторів або посудин, що працюють під тиском.

Використовуючи низьколеговані сталі, можна знизити витрати металу майже на 15...40% з одночасним забезпеченням нормативної міцності, вантажопідйомності, надійності та довговічності. Наприклад:

• заміна М16С при виготовленні прогонових будов мостів довжиною до 55 м на нормалізовану сталь 15ХСНД дозволила заощадити до 21% металу, при використанні 12Г2СМФ з карбонітрідним зміцненням й у види поставки після гарту з відпуском ця цифра вже становить 43,7%.
• застосування 16Г2АФ після термозміцнення дозволило істотно знизити масу металоконструкцій промислових будівель, резервуарів, кожухів доменних печей;
• використання поліпшеної 09Г2С для виготовлення колон корпусів промислових споруд замість гарячекатаної Ст3сп забезпечує економію сталі до 28%.

Тепер знаючи, що означає низьколегована сталь та які її особливості, постійнім та потенційним клієнтам «Метінвест-СМЦ» буде простіше зорієнтуватися у великому сортаменті металопрокату. Телефонуйте, наш телефон 0800-30-30-70. Менеджери «Метінвест-СМЦ» завжди проконсультують та допоможуть у виборі товару.