Низколегированная сталь: состав, марки, свойства, процесс сварки

Что такое легированная сталь?

Физические свойства, такие как прочность, пластичность, хрупкость, могут быть увеличены или уменьшены в несколько раз. Изменение кристаллической решетки материалов активно применяют в металлургии, а также при производстве многочисленных деталей и корпусов для автомобильного, машинного, станочного и прочего производства, а также для создания строительных конструкций и инструментов. Сфера применения настолько велика, что сплав начали изготавливать большими партиями, он постепенно вытесняет долю изготавливаемого железа и обычных стальных веществ.

Исходя из приведенной информации, легирование стали – это металлургический процесс выплавки, в ходе которого в состав добавляются материалы примесей. При этом есть два вида операции:

• Объемный – когда компоненты попадают в глубинную структуру. В расплав или шихту внедряются хром, никель и пр.
• Поверхностный – в ходе него происходит диффузионное или иное напыление, то есть покрывается только верхний слой.

Процесс начал использоваться относительно недавно. Впервые эксперименты начали проводить в 1882 году. И с первого же образца исследователи обнаружили, что вместе с улучшением физических свойств значительно снижается степень обрабатываемости. Простыми словами, с материалом просто стало сложно работать. Безусловно, к настоящему времени все дополнительные эффекты легирования изучены, поэтому составлены специальные ГОСТы для разных способов металлообработки.

Состав

В низколегированной стали содержится от 0,2% углерода и легирующих элементов не более 5% (в некоторых научных источниках допускается применение добавок не более 2,5%). Чаще всего легирование осуществляют путем внесения:

• ванадия — для обеспечения равномерной структуры;
• молибдена — делает металл устойчивым к воздействию высоких температур;
• ниобия — отвечает за повышение прочности;
• вольфрама, азота — обеспечивает повышение теплостойкости;
• титана — для повышения износоустойчивости;
• никеля, кремния — придает стали удароустойчивости, сопротивляемости току;
• марганца — делает металл тверже, не нарушая его пластичность;
• кобальта — для повышения пластичности, прочности, магнитных характеристик.

Назначение

Высокие эксплуатационные характеристики сталей с легирующими добавками обеспечивают их использование в следующих областях:

• Устройство трубопроводных систем различного назначения. Применение стальных сплавов с добавками хрома, кремния и марганца обеспечивает высокую прочность конструкций и изделий, упругость, эффективное сопротивление упругим деформациям.
• Изготовление сварных конструкций в вагоно-, станко-, автомобилестроении, тяжелом машиностроении. Из этих сплавов производят корпусы железнодорожных и трамвайных вагонов, сельскохозяйственных машин.
• Нефтяное аппаратостроение. Применение низколегированной стали в этой области позволяет сэкономить металл, снизить массу конструкций, трудозатраты на изготовление и монтаж, а следовательно, себестоимость.
• Строительство инженерных сооружений, которые эксплуатируются при переменных динамических нагрузках, в условиях суточных и сезонных значительных температурных перепадов.
• Производство паровых турбин. Для этих целей используют теплоустойчивые марки, легированные молибденом, хромом+молибденом, хромом+молибденом+ванадием. Такие изделия также устойчивы к значительным пневмонагрузкам.

Наиболее распространенная марка – 09Г2С – и ее аналоги используются при производстве проката, способного работать в широком температурном интервале – от -70°C до +450°C. Из такого металлопроката изготавливают паровые котлы, емкости и аппараты, эксплуатируемые при высоком давлении, сварные конструкции ответственного назначения, используемые в химической, нефтяной индустрии, судостроении. Марку 09Г2С применяют при производстве горячекатаных бесшовных труб, электросварных труб значительных диаметров, контейнеров значительной грузоподъемности.

Свойства и особенности

Категория низколегированных сталей представлена черными металлами. В зависимости от используемых легирующих элементов и их количества, такой материал может обладать:

• повышенным сопротивлением механическому старению;
• достаточно высоким пределом текучести;
• низким порогом хладноломкости;
• хорошей пластичностью.

В сравнении с высокоуглеродистыми металлами, марки низколегированных сталей содержат минимум неметаллических соединений. Они также обладают антикоррозийной устойчивостью и способностью противостоять истиранию. Такой материал поддается легкой обработке, сохраняет свои рабочие характеристики при минусовых температурах. Благодаря закалке, низколегированные стали становятся слабо чувствительными к надрезу.

Классификация легированных сталей

С развитием новых технологий, появлением разных легированных сталей, их нужно было классифицировать.

Разделение по количеству углерода, содержащегося в сплаве:

1. Высокоуглеродистые — более 0.65%.
2. Среднеуглеродистые — от 0.25% до 0.65%.
3. Низкоуглеродистые — менее 0.25%.

Разделение по процентному содержанию легирующих добавок:

1. Низколегированные — до 5% (по некоторым источникам до 2.5%).
2. Среднелегированные — до 10%.
3. Высоколегированные — 10–50%.

По внутренней структуре легированные стали бывают:

1. Эвтектоидные — перлитная структура.
2. Ледебуритные — наличие первичных карбидов в структуре.
3. Доэвтектоидные — присутствие избыточных ферритов, насыщающих состав.
4. Заэвтектоидные — наличие вторичных карбидов в сплаве.

По назначения эти материалы можно разделить на две больших группы:

1. Строительные — для изготовления металлоконструкций, которые во время последующей эксплуатации не будут подвергаться критическим температурам.
2. Машиностроительные — используются при изготовлении деталей для разных механизмов, корпусов.

Машиностроительные стали бывают:

1. Цементуемые — при изготовлении проходят процесс цементации, а затем закалки.
2. Жаропрочные — среднеуглеродистые стали. Применяются при изготовлении изделий, использующихся в сфере энергетики.
3. Улучшаемые — материалы, проходящие дополнительную закалку. Из них изготавливаются детали, подвергающиеся большим нагрузкам.

Наименование и маркировка

В наименовании сталей легирующие компоненты указывают в порядке убывания их содержания (к примеру, хромомолибденовая, хромокремнемарганцовая, хромоникелевая).

Маркировка содержит и буквы, и цифры. Буквы соотносимы с химическими легирующими элементами, цифры, соответственно, – с их «%-ным присутствием». Наиболее известны такие добавки, как:

Маркировка     Элемент

Х             Cr – хром

М           Mo – молибден

Н             Ni – никель

С             Si – кремний

Д            Cu – медь

В             W – вольфрам

Ю           Al – алюминий

Г             Mn – марганец

Т             Ti – титан

Б             Nb – ниобий

К             Co — кобальт

Начальные цифры повествуют о содержании углерода (десятые или сотые доли). Если марка начинается с буквенного обозначения, то доля его в составе сплава – от 1% и выше. Так, к примеру, сталь 18ХГТ состоит из 0,18% углерода и хрома, марганца, титана (доля каждого не превышает 1%).

Иногда в начале маркировки есть вспомогательные обозначения, характеризующие назначение сырья: А – сталь автоматная, Р – быстрорежущая, Ш – шарикоподшипниковая и др.

Низколегированные стали: классификация и применение

Легированными сталями называют такие стали, которые получают свои улучшенные свойства за счет: — одного или нескольких специальных легирующих элементов; — более высокого содержания, чем в обычных углеродистых сталях таких элементов как магний и кремний.

Легированные стали содержат марганец, кремний и медь в более высоких концентрациях, чем это допускается для обычных углеродистых сталей (1,65 % по марганцу; 0,60 % по кремнию и 0,60 % по меди).

Легирующие элементы повышают механические и технологические свойства сталей. Обычно легированные стали делят на три группы по суммарному содержанию легирующих элементов (не считая углерода): — низколегированные стали – менее 5 %; — среднелегированные стали – от 5 до 10 %; — высоколегированные стали – более 10 %.

Низколегированные стали

Низколегированные стали образуют группу сталей, которые проявляют более высокие механические свойства по сравнению с обычными углеродистыми сталями. Это является результатом добавок таких легирующих элементов как никель, хром и молибден. Для многих низколегированных сталей главная функция легирующих элементов заключается в увеличении прокаливаемости стали, чтобы оптимизировать затем прочностные и вязкие свойства средствами термической обработки. В некоторых случаях, однако, легирующие элементы применяют для того, чтобы повысить сопротивление стали каким-либо специфическим воздействиям.

Низколегированные стали , в свою очередь, разделяют:

• по химическому составу на базе основных легирующих элементов: никелевые, хромоникелевые, молибденовые, хромомолибденовые и тому подобные стали;
• по термической обработке: закаленные и отпущенные (мартенситные), нормализованные и отпущенные, отожженные и так далее;
• по свариваемости.

Стали могут иметь огромное разнообразие химических составов и, кроме того, одни и те же стали могут получать различные термические обработки. Поэтому существуют определенные «нахлесты» в той классификации низколегированных сталей, которая представлена выше.

По этой причине низколегированные стали чаще делят на четыре больших группы, такие как:

• низколегированные мартенситные (улучшаемые) стали;
• среднеуглеродистые высокопрочные стали;
• шарикоподшипниковые стали;
• теплостойкие хромомолибденовые стали.

Низколегированные мартенситные стали

Низколегированные мартенситные стали характеризуются относительно высокой прочностью с минимальным пределом текучести 690 МПа и хорошей ударной вязкостью и пластичностью, коррозионной стойкостью и свариваемостью. Их также называют низколегированными улучшаемыми сталями, имея в виду улучшение термической обработкой. Из этих сталей изготавливают плиты, листы, прутки, профили и кованые изделия. Они широко применяются для изготовления сосудов под давлением, землеройного и шахтного оборудования, а также ответственных элементов больших стальных конструкций.

Среднеуглеродистые высокопрочные стали

Среднеуглеродистые высокопрочные стали являются конструкционными и имеют очень высокую прочность. Минимальный предел текучести сталей этого класса достигает 1380 МПа.

ГОСТ 4543-71 разбивает эти сплавы на пять групп – по возрастанию степени легирования. По мере увеличения степени легирования возрастает размер сечения изделия, на котором может быть достигнута сквозная прокаливаемость. Самые прочные стали из пятой группы легируются 1,2-1,5 % хрома; 3,0-3,4 % никеля; 0,35-0,45 % молибдена и 0,1-0,2 % ванадия.

Примером такой стали может служить хромомолибденовая сталь 30ХМ из третьей группы по ГОСТ 4543-71 (аналог знаменитой стали 4130, из которой за рубежом делают велосипедные рамы). Минимальные предел текучести стали 30ХМ составляет 735 МПа, минимальный предел прочности – 930 МПа, а минимальная ударная вязкость KCU – 78 Дж/см2.

Шарикоподшипниковые стали

Шарикоподшипниковые стали должны обладать высокой твердостью. Поэтому они обычно имеют содержание углерода около 1 %. Для хорошей прокаливаемости при закалке в масле эти стали имеют от 0,4 дл 1,65 % хрома. Иногда применяют низколегированную подшипниковую сталь (0,10-0,20 % углерода). В этом случае высокой твердости поверхности добиваются цементованием.

Хромомолибденовые теплостойкие стали

Хромомолибденовые теплостойкие стали содержат 0,5-9 % хрома, 0,5-1,0 % молибдена и обычно менее 0,20 % углерода. Их подвергают различным термическим обработкам: нормализации с отпуском, закалке с отпуском или отжигу. Эти стали применяют в нефтегазовом оборудовании, химической промышленности, оборудовании обычных и атомных электростанций для изготовления труб, теплообменников и сосудов высокого давления.

Сварка сплавов

Мы отмечали, что после добавления компонентов металлообработка, в том числе с помощью сварочного аппарата, затрудняется. Посмотрим, в чем особенности.

Низколегированных

Рекомендации:

• Нельзя допускать быстрого остывания шва – тогда могут появиться микротрещины.
• Аппарат должен быть с обратной полярностью и постоянным напряжением.
• Нужно использовать электроды с фтористо-кальциевым покрытием.
• Процесс – без перерыва, плавно со средней скоростью в 20 м/ч.
• Напряжение – 40 В и сила тока – 80 А.

Среднелегированных

Особенности:

• В электродах должно быть меньше легирующих веществ, чем в сплаве.
• Если лист шире, чем 5 мм, применяйте аргоновую сварку.
• При газовом аппарате используйте смесь из ацетилена и кислорода.

Высоколегированных

• Тепловой захват материала – минимальный.
• Электроды с фтористо-кальциевым покрытием.
• Не стоит применять газовую сварку.

В статье мы рассказали все про легированную сталь: что это значит, особенности получения, свойства и состав. Надеемся, что информация была для вас познавательной.

Применение металла

Применяются низколегированные стали в разных направлениях промышленности. Область применения:

1. Изготовление облегченных конструкций из металла.
2. Корпуса для бытовой техники.
3. Детали для промышленного оборудования.
4. Режущие инструменты.

Из-за высокой цены на подобные материалы, их используются в тех случаях, когда аналоги не могут справиться с поставленными задачами.

Разница между низколегированной сталью и высоколегированной сталью

Основное различие между низколегированной сталью и высоколегированной сталью состоит в том, что низколегированные стали содержат менее 0,25% легирующего элемента, тогда как высоколегированные стали имеют более 10% легирующего элемента.

Кроме разделения на низколегированную и высоколегированную сталь, она ещё подразделяется по степени легирования на среднелегированную. В этой стали количество легирующих элементов составляет от 2,5 до 10 %)

Сплав представляет собой смесь двух или более элементов. Он производится путем смешивания металла с некоторыми другими элементами (металлами или неметаллами или обоими), чтобы получить материал, который обладает улучшенными свойствами по сравнению с исходным металлом. Низколегированная и высоколегированная сталь — это два типа сплавов железа с легирующими элементами.

Наиболее популярные легирующие элементы в этих сталях применяются такие: никель (Ni) , медь (Cu) , титан (Ti) и ванадий (V), азот (N) и др.

Что такое низколегированная сталь?

Низколегированная сталь — это тип легированной стали, свойства которой улучшены по сравнению с углеродистой сталью. Например, этот сплав обладает лучшими механическими свойствами и большей коррозионной стойкостью, чем углеродистая сталь. Содержание углерода в низколегированной стали составляет менее 0,2%. Наиболее распростраённые л егирующие элементы в этой стали такие: Никель (Ni), Хром (Cr), Молибден (Мо), Вольфрам (V), Бор (B), Вольфрам (W) и Медь (Cu).

В большинстве случаев процесс изготовления этих легированных сталей включает термическую обработку и отпуск (для нормализации). Но теперь, появилась тенденция производить закалку и отпуск. Кроме того, почти все материалы из низколегированной стали являются свариваемыми. Однако материал иногда требует обработки до или после сварки (чтобы избежать растрескивания).

Некоторые преимущества низколегированной стали:

1. Предел текучести выше
2. Высокий предел прочности
3. Более высокая стойкость к окислению и коррозии
4. Низкий порог хладноломкости

Этот материал применяется в промышленности, но до максимальной температуры 580 °C. Если температура выше, чем 580 °C, этот материал не подходит из-за отсутствия достаточной стойкости к окислению, чтобы справиться с высокими температурами.

Что такое высоколегированная сталь?

Высоколегированная сталь — это тип легированной стали, в котором более 10% легирующих элементов. В отличие от низколегированной стали, легирующими элементами для высоколегированной стали являются хром (Cr) и никель (Ni). Н аиболее известным примером этой стали — является нержавеющая сталь.

Хром обеспечивает сталь тонким оксидным слоем на поверхности стали. Это называется скрытым слоем, потому что этот слой задерживает коррозию металла. Кроме того, производители обычно добавляют большое количество углерода и марганца, чтобы придать стали аустенитный характер. Кроме того, этот материал дороже, чем низколегированная сталь.

В чем разница между низколегированной сталью и высоколегированной сталью?

Как низколегированная, так и высоколегированная сталь обладают улучшенными свойствами, чем углеродистая сталь. Однако ключевое различие между низколегированной сталью и высоколегированной сталью состоит в том, что низколегированные стали содержат менее 0,25% легирующих элементов, тогда как высоколегированные стали содержат более 10% легирующих элементов. В химическом составе низколегированная сталь содержит железо, углерод (менее 0,2%) и другие легирующие элементы, такие как Никель (Ni), Хром (Cr), Молибден (Мо), Вольфрам (V), Бор (B), Вольфрам (W) и Медь (Cu), в то время как высоколегированная сталь содержит железо, хром, никель, углерод, марганец и др.

Сварка

Чтобы соединить детали из низколегированной стали с помощью сварки, нужно учитывать несколько нюансов:

1. Изготавливать вертикальные, потолочные швы.
2. Сварочный стержень должен быть не менее 4 мм по сечению.
3. Чтобы снизить скорость охлаждение металла, требуется выполнять стыковые или бортовые швы.
4. Сваривая заготовки толщиной, не превышающей 6 мм, требуется выполнять только один проход.
5. Чтобы придать соединению высокую пластичность, нужно использовать электроды Э42А.
6. Если металл содержит малое количество углерода, требуется применять электроды с покрытием из фтора, кальция.

Для проведения сварочных работ, требуется использовать специальную присадку Св-10Г2.

Низколегированные стали имеют повышенные технические параметры, благодаря добавлению дополнительных компонентов в состав. Их используют в тех направлениях промышленности, где нужно применять детали, металлоконструкции высокой прочности, износоустойчивости. Для соединения отдельных деталей, нужно учитывать ряд нюансов использования сварочного оборудования.