Низколегированная сталь: особенности, классификация, маркировка

Что это такое? Низколегированная сталь – это железоуглеродистый сплав, в который с целью улучшения его физических свойств добавлены в небольшом количестве (до 2,5 %) определенные элементы, чаще всего весьма распространенные и не слишком дорогие.

Какой она бывает? Существует несколько видов такой стали. Классифицируют их по различным параметрам, но основными считаются два: качество материала и его химический состав, полученный в результате введения тех или иных легирующих элементов.

Преимущества низколегированных типов стали

Содержание легирующих элементов в такой стали относительно невысоко, однако даже в малых концентрациях добавки позволяют в разы улучшить некоторые характеристики металла (предел текучести, износостойкость, сопротивляемость механическому старению) в сравнении с обычными углеродистыми сплавами.

Наличие легирующих элементов в составе сплава кратно повышает его коррозионную стойкость. К примеру, сетка мясорубки, через отверстия которой выходит нарубленный ножами фарш, обычно выполнена именно из низколегированной стали. При относительно невысокой стоимости такой металл не покрывается пятнами ржавчины уже через несколько недель эксплуатации, как это происходит с обычными углеродистыми сплавами, из которых изготовлены, к примеру, простые гвозди.

Востребованность низколегированной стали (НЛС) обусловлена ее свойствами – такие сплавы отличает хорошая обрабатываемость, устойчивость к воздействию низкой температуры и значительно меньшая склонность к холодному растрескиванию, чем у обычных углеродистых. Закаленному низколегированному стальному сплаву присущи высокая прочность, ударная вязкость и твердость. Степень раскисления металла может быть различной, но наиболее популярны спокойные разновидности НЛС.

Критерии качества НЛС

Физические характеристики низколегированных марок стали в значительной степени обусловлены процентной долей таких вредных примесей, как сера, от концентрации которой напрямую зависит ломкость металла, и фосфор.

В высококачественных стальных сплавах содержание примесей не должно по весу превышать 0,02–0,03 %, а сталь обыкновенного качества может содержать до 0,05 % серы и фосфора. Высокое качество, например, раритетных советских сверл, сохраняющееся, несмотря на многолетнее использование для сверления даже толстого металла, обусловлено именно крайне высокой степенью очистки сплава от серы.

Получить стальной сплав, полностью очищенный от примеси серы, к сожалению, можно исключительно в лаборатории.

Благодаря развитию металлургических технологий в наши дни сталь с высоким содержанием вредных примесей используется в промышленности все реже. Низколегированные типы стали, согласно нормам ГОСТ 19281–2014, выпускаются в виде толстых листов, универсального широкополосного проката или рулонов. Для нужд судостроительной промышленности НЛС выпускают в тонких или толстых листах, широких отрезах и фасонных заготовках.

Влияние легирующих элементов на свойства НЛС

Общая процентная доля легирующих элементов в стальных сплавах должна составлять не более 2,5 % (по некоторым источникам – 5 %). Сказанное не относится к углероду, который к таким добавкам не относится.

Вводя в расплав те или иные металлы, можно добиться улучшения отдельных характеристик стали. Легирование производят с помощью добавления:

• ванадия – улучшает структуру металла, делая его более однородным и не позволяя расслаиваться в ходе термической обработки и пластического деформирования;
• молибдена – делает сплав жаростойким и жаропрочным;
• ниобия – сплав становится более прочным;
• вольфрама – соединяясь с азотом, повышает теплопроводность металла;
• титана – повышает износостойкость стали;
• никеля и кремния – делают металл более упругим и повышают его ударную вязкость;
• марганца – увеличивает прочность без ухудшения пластичности;
• алюминия – уменьшает образование окалины;
• хрома – делает сплав более твердым, прочным и устойчивым к коррозии;
• кобальта – не только повышает пластичность и прочность стального сплава, но и улучшает его магнитные свойства.

Виды стали, легированные кобальтом, неслучайно часто используют для изготовления сверл и фрез самого высокого качества – такие инструменты отличаются долговечностью и стойкостью к нагрузкам на излом. Выдающиеся характеристики – причина более высокой стоимости, чем у изделий из быстрорежущих типов стали.

Классификация НЛС

Существует несколько вариантов классификации НЛС, в основе которых лежат:

• химический состав (введенные в состав легирующие добавки) – сталь может быть никелевой, хромоникелевой, молибденовой, хромомолибденовой и т. д.;
• термическая обработка – НЛС может быть закаленной и отпущенной (мартенситной), нормализованной и отпущенной, отожженной и т. д.;
• свариваемость.

Видов низколегированной стали огромное множество, что обусловлено разнообразием вариантов соотношения в сплаве легирующих добавок и режимов термообработки.

Сказанное выше объясняет наличие определенных «нахлестов», которые можно обнаружить в представленной выше классификации НЛС. Специалисты предпочитают разделять такие сплавы на четыре категории:

Низколегированные мартенситные стали

Высокую прочность такой низколегированной стали (ее еще называют улучшаемой) дополняют минимальный предел текучести 690 МПа, хорошая ударная вязкость, пластичность, коррозионная стойкость и свариваемость. Сплавы этой группы широко используют для выпуска плит, листового металла, прутка, профилированного проката и поковок. Из низколегированных мартенситных типов стали изготавливают ответственные элементы крупногабаритных металлоконструкций, землеройную, шахтную технику и т. д.

Среднеуглеродистые высокопрочные типы стали

Конструкционные виды стали этой группы обладают очень высокой прочностью в сочетании с минимальным пределом текучести, достигающим 1 380 МПа. Согласно ГОСТ 4543-71 такие сплавы разбиты на пять подгрупп в соответствии со степенью легирования. От количества и состава добавок в свою очередь зависит максимальная площадь поперечного сечения заготовки, при которой она может быть подвергнута сквозному прокаливанию. Отличающиеся наибольшей прочностью образцы содержат 1,2–1,5 % хрома, 3–3,4 % никеля, 0,35–0,45 % молибдена и 0,1–0,2 % ванадия.

Шарикоподшипниковые типы стали

Для изготовления подшипников используют сплавы высокой твердости с углеродистостью порядка 1 %. Содержание 0,4–1,65 % хрома придает металлу хорошую прокаливаемость при охлаждении маслом. Низколегированная сталь, содержащая 0,1–0,2 % углерода, применяется реже, так как поверхностным слоям приходится придавать необходимую твердость с помощью цементации, что значительно усложняет технологический процесс.

Хромомолибденовые теплостойкие виды стали

Содержание хрома в таких сплавах колеблется от 0,5 до 9 %, молибдена – от 0,5 до 0,1 %, а углеродистость не превышает 0,2 %. Для улучшения характеристик металла используют нормализацию с отпуском, закалку с отпуском или отжиг. Из хромомолибденовых типов стали изготавливают детали нефтегазового, химического, атомного оборудования, трубы, теплообменники и сосуды высокого давления.

Маркировка низколегированной стали

Низколегированные стали (согласно ГОСТ) маркируются буквенными обозначениями и цифровыми индексами. Для обозначения легирующих элементов пользуются следующими буквами кириллицы:

Маркировка начинается цифровым обозначением содержания углерода в сотых долях процента, если числовое обозначение отсутствует – углеродистость сплава выше 1 %. Далее цифрами обозначают процентную долю легирующих элементов. Если содержание добавки менее 1 %, цифру не ставят. К примеру, в стальном сплаве марки 18ХГТ содержится 0,18 % углерода, а содержание хрома, марганца и титана для каждого элемента ≤ 1 %.

Первыми буквами в маркировке обозначают сортамент, к примеру, магнитные, хромистые или нержавеющие типы стали – это Ж, Х или Е. Буквы С – хромоникелевые сплавы с выраженной коррозионной стойкостью, Р – быстрорежущие виды стали, Ш – шарикоподшипниковые, А – автоматные, Э – электротехнические, а Л – литейные. К примеру, АС35Г2 – маркировка автоматной стали, легированной свинцом, содержащей 0,35 % углерода и около 2 % марганца.

Буквами ТО или Н обозначают типы стали, механические характеристики которых были улучшены, соответственно, термической обработкой или нагартовкой. ГОСТ и специализированная справочная литература содержат точное описание химического состава тех или иных сплавов.

Варианты обработки низколегированной стали

Для того чтобы повысить прочность, пластичность, коррозионную стойкость и устойчивость к воздействию отрицательной температуры, низколегированные типы стали могут подвергаться термообработке – закалке с отпуском. Для снятия остаточных напряжений и снижения твердости сварных швов в конструкциях используется отпуск при температуре около +645 °C.

Часто для обработки НЛС пользуются термомеханическими методами – холодным пластическим деформированием с последующим отжигом. Ковка позволяет добиться необходимой мелкозернистости, а отжиг приводит к рекристаллизации и формирует мелкодисперсную структуру. С помощью таких комбинированных технологий можно избавиться даже от мельчайших неоднородностей в кристаллической решетке металла и снизить его хрупкость.

Сварка НЛС

Детали из низколегированной стали хорошо поддаются сварке в силу своих физико-химических характеристик, обусловленных содержанием углерода около 0,2 % и легирующих элементов до 2,5 %.

Содержание кремния (около 1,05 %) делает металл прочным и упругим, однако большое количество образующегося при сварке шлака может затруднять процесс. Наличие в составе сплава марганца (около 1,7 %) повышает закаливаемость, но также осложняет сваривание заготовок. Присутствие других легирующих элементов, таких как молибден, хром и ванадий, не лучшим образом сказывается на прочности сварных соединений.

Хорошая закаливаемость низколегированных типов стали – причина, по которой их чаще всего приходится сваривать в нагретом состоянии или посредством нежесткого режима термической обработки (в противном случае возможна только контактная точечная сварка). При использовании инвертора необходимо выставлять ток примерно на 12,5 % ниже, чем для обычных низкоуглеродистых сплавов. При этом необходимо прилагать к стержню электрода большее усилие (приблизительно на 30), чем для работы с обычным металлом.

Оптимальный метод для сваривания деталей из низколегированной стали – ручная электродуговая сварка, которую можно использовать с металлом любой толщины и при любой температуре окружающего воздуха. В процессе соединения элементов конструкций из НЛС посредством сварки возможно формирование горизонтальных, вертикальных и потолочных швов.

Применение низколегированной стали

Благодаря высоким эксплуатационным характеристикам НЛС широко применяют для:

1. Изготовления сварных металлоконструкций в производстве автомобилей, станков, ж/д вагонов и в тяжелом сельскохозяйственном машиностроении.
2. Производства оборудования для нефтедобывающей промышленности. Вследствие применения НЛС снижается масса элементов конструкции, сокращаются затраты металла и труда, а значит, и стоимость готовой продукции.
3. Сооружения конструкций, подвергающихся при эксплуатации переменным динамическим нагрузкам и перепадам температуры.
4. Производства паровых турбин – используются термостойкие сплавы с легирующими добавками (молибден, молибден и хром, хром, молибден и ванадий), которые также придают металлу устойчивость к серьезным пневмонагрузкам.
5. Строительства трубопроводов – трубы из низколегированной стали, содержащей хром, кремний и марганец, обладают высокой прочностью, упругостью и эффективно сопротивляются упругой деформации.

При производстве металлопроката, предназначенного для эксплуатации в широком диапазоне температуры (от -70 до +450 °C), широко применяются НЛС марки 09Г2С и аналогичные сплавы. Такой металл используется для изготовления паровых котлов, емкостей и аппаратов высокого давления, элементов ответственных сварных металлоконструкций для химической, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, судостроения, машиностроения и т. д.

Также из таких типов стали производят бесшовные горячекатаные и электросварные трубы большого диаметра и контейнеры для перевозки тяжелых грузов.

Благодаря описанным особенностям низколегированные типы стали пользуются постоянно растущим спросом – с 1955-го по 1970-й их выплавка выросла примерно на 1 600 %! Из всего объема производимой в мире стали порядка 13 % приходится именно на НЛС.