Какие стали относятся к кремнемарганцовистым сталям

Обновлено: 17.05.2024

Стали рассматриваемого типа можно условно разделить на две группы: стали с низким содержанием углерода, высоким содержанием кремния и марганца, и стали, содержание углерода в которых достигает 0,1$-0,20%, но с более низким содержанием кремния, иногда и марганца.

Сталь 10Г2С1. Эта сталь, разработанная в начале 50-х гг., как и сталь 09Г2, для уменьшения закаливаемости и склонности к образованию трещин при сварке, а также для понижения порога хладноломкости содержит не более 0,12% С. В первоначальном варианте состава этой стали предусматривалось наличие 0,15-0,30% Сu, роль которой, главным образом, заключалась в повышении коррозионной стойкости и до некоторой степени прочности. Сталь 10Г2С1 раскисляют и легируют по той же технологии, что и сталь 09Г2. На некоторых заводах сталь предварительно раскисляют в печи силикомарганцем (из расчета ввода в печь примерно 0,2 % Si). Проведенными на некоторых металлургических комбинатах экспериментами была установлена рациональность уменьшения количества вводимого в печь ферромарганца при раскислении сталей 10Г2С1, 09Г2 и 09Г2С с 7-8 до 3-4 кг/т.

Окончательное раскисление металла в ковше осуществляют добавкой 0,8 кг/т Аl и 0,04% Ti (без учета угара). Оптимальная температура конца прокатки листовой стали 10Г2С1 составляет 800-900° С. Нормализация листов при 890-930° С приводит к повышению характеристик прочности и ударной вязкости.

При исключении из состава стали меди для сохранения прочности на прежнем уровне содержание кремния было повышено на 0,1 %. Однако для наиболее ответственных назначений, например для судостроения, соответствующими техническими условиями предусматривалось обязательное наличие меди.

Анализ распределения механических свойств стали 10Г2С1 по результатам сдаточных испытаний листов массового производства разных заводов показывает, что с повышением толщины проката прочность и пластичность падают. Отдельные заводы для повышения механических свойств, в первую очередь пластичности и вязкости, часто прибегают к термической обработке, в основном к нормализации, а иногда и к улучшению. В первую очередь это относится к листам большой толщины.

Были исследованы стали 09Г2С и 10Г2С1 с медью и без нее.

С увеличением толщины листа характеристики прочности снижаются. На характеристики пластичности изменение толщины (в исследованных пределах) повлияло незначительно при общем высоком их уровне. По уровню прочности сталь марки 09Г2С несколько уступает стали 10Г2С1, а по ударной вязкости несколько превосходит ее. Были определены температурные границы критического интервала хрупкости и условные пороги хладноломкости. Температура условных порогов хладноломкости определялась по следующим критериям:

1 — ударная вязкость снижалась до 15 % своего максимального значения
при вязком разрушении; 2—сужение у дна надреза снижалось до 20% своего максимального
значения при вязком разрушении; 3 — ударная вязкость отдельных образцов впервые снижалась до 20 Дж/см 2 .

Верхнюю границу критического интервала хрупкости определяли как минимальную температуру, при которой излом всех образцов был полностью волокнистый (В = 100 %), а нижнюю — как температуру, при которой поверхность излома впервые была полностью хрупкой (В = 0 %).

По сопротивлению хрупкому разрушению сталь марки 09Г2С превосходит сталь марки 10Г2С1.

Для исследованных сталей критические температуры хрупкости при толщине листа от 12 до 40 мм оказались практически одинаковыми. Основной причиной более низкой ударной вязкости и более высокого температурного порога хрупкости стали 10Г2С1, по сравнению со сталью 09Г2С, является более высокое содержание кремния в первой из этих сталей. Это подтверждено исследованием стали 10Г2С1 с содержанием кремния 0,95-1,0 ц 1,10-1,13% (толщина листа 20 мм). Устали с более высоким содержанием кремния ударная вязкость значительно ниже.

На основании исследований, признано целесообразным ограничить в стали 10Г2С1, предназначенной для сварных строительных конструкций, содержание кремния до 1 %. Исследование чувствительности стали 10Г2С1 и 09Г2С к деформационному старению (наклеп растяжением 10 % + нагрев 250° С, 1 ч) показало, что под действием старения границы критического интервала хрупкости стали 09Г2С сдвигаются в сторону более высоких температур на 20-30° С (в среднем на 24° С), ударная вязкость при вязком разрушении падает на 17,6-35,7 %. Сопротивление пластической деформации возрастает при этом на 40-50 Н/мм 2 . Аналогичные изменения для стали 10Г2С1 имеют несколько большие значения: 20-57° С (в среднем 38° С), 29-42,5% и 2,5-4,7 Н/мм 2 . Таким образом, сталь 10Г2С1, по сравнению со сталью 09Г2С, более чувствительна к деформационному старению. Особенно это относится к стали 10Г2С1 с содержанием кремния более 1,05%: минимал! ная ударная вязкость проката толщиной 12—40 мм после де-формацис нного старения составила 20-25 Дж/см 2 .

Исследованные стали обеих марок удовлетворительно сопротивляются хрупкому разрушению при статическом приложении нагрузки. Однако температура перехода к хрупкому разрушению больших плоских надрезанных образцов из листов стали 09Г2С составила от 0 до -10° С, а образцов стали 10Г2С1 не ниже +20° С.

Сварку сталей 10Г2С1 и 09Г2С в диапазоне тепловложений, соответствующих скорости охлаждения металла шва 2-60° С/с (при 600° С), можно производить без каких-либо ограничений на режимах, обычно применяемых для сварки малоуглеродистой стали, не опасаясь понижения свойств в околошовной зоне. Для получения сварных соединений сталей марок 10Г2С1 и 09Г2С, равнопрочных исходному металлу, автоматическую сварку под флюсом марок АН348А или ОСЦ-45 следует производить с применением проволоки Св08ГА, а ручную — с применением электродов УОНИ13/55.

Стадь 10Г2С1 с содержанием более 1,1 % Si отличается повышенной склонностью к хрупкому разрушению в сварных соединениях при статическом растяжении. Предел выносливости сварных соединений стали марки 10т 2С1 на 5 % и марки 09Г2С на 16 % выше пределов выносливости сварных соединений из стали Ст_Зсп.

Достаточно высокие свойства стали 10Г2С1 с медью (10Г2С1Д) позволили рекомендовать ее в качестве свариваемой корпусной стали для судостроения. При этом в стали 10Г2С1Д, по сравнению со сталью 10Г2С1, содержание кремния было снижено на 0,1 % и установлено гарантированное содержание меди 0,15-0,30%.

Режим термической обработки листов большого сечения заключается в закалке с 920-960° С в воду, отпуске при 650-670° С и охлаждении в воде.

Весьма важным фактором при сравнительной оценке низколегированных сталей является относительная их коррозионная стойкость в различных коррозионных средах в зависимости от условий эксплуатации. Детальные исследования коррозионной стойкости низколегированной стали отдельных марок представлены в работе. Испытаниям в течение трех лет подвергали стали марок 09Г2С, 10Г2С1Д и 15ГС. Полученные результаты сравнивали с результатами аналогичных испытаний сталей 15ХСНД и Ст_Зкп.

Многочисленными исследованиями установлено, что у низколегированных сталей в атмосферных условиях в первые 1,5-2 года наблюдается более интенсивное развитие коррозии, после чего устанавливается практически постоянная скорость, в то время как скорость коррозии углеродистой стали продолжает увеличиваться. На поверхности низколегированных сталей образуются плотные мелкокристаллические слои оксидов железа, которые до некоторой степени и защищают металл от дальнейшего развития коррозии.

Если принять стойкость против атмосферной коррозии исследованной стали Ст_Зкп за единицу, то относительная стойкость горячекатаной стали 09Г2С будет 1,8, а нормализованной — 1,7, стали 15ГС нормализованной — 1,25 и нормализованных марки 10Г2С1Д — 1,44 и стали 15ХСНД — 2,05. С уменьшением продолжительности испытаний разница в относительной стойкости стали разных марок уменьшается. Основным фактором, обеспечивающим более высокую коррозионную стойкость исследованных сталей 09Г2СД и 10Г2С1Д, является наличие в них меди. Наличие в стали 15ХСНД, наряду с медью, никеля и хрома обусловило дальнейшее повышение коррозионной стойкости.

Сталь 10Г2С1Д нашла широкое применение в судостроении, котло-строении, для железнодорожных цистерн, электросварных газопроводных труб диам. 530 мм и др.

Сталь 09Г2С (09Г2Т, 09Г2ДТ). Эта сталь близка к стали 10Г2С1, но содержит меньше кремния. Так же, как и сталь 10Г2С1, ее вначале выпускали с обязательным содержанием меди, затем содержание меди стало необязательным.

Сталь 09Г2С используется в строительных конструкциях, судостроении в качестве корпусной стали, мостостроении, для изготовления аппаратов и сосудов. Предусмотрена возможность изготовления из этой стали проката толщиной до 160 мм.

Раскисление стали 09Г2С производят так же, как и стали 10Г2С1. Возможны поставки этой стали (по требованию заказчика) в термически улучшенном состоянии. В этом случае гарантируется при —70° С минимальная ударная вязкость не менее 30 Дж/см 2 .

Исследование толстых листов из стали 09Г2СД (09Г2С с медью) в различных состояниях показало, что термическая обработка оказывает сравнительно небольшое влияние на уровень их механических свойств.

Увеличение толщины горячекатаных листов с 90 до 160 мм и после отпуска сравнительно мало снижает ударную вязкость и заметно повышает температурный порог хладноломкости. Высокий отпуск практически не изменяет ударную вязкость горячекатаных листов и понижает ее для нормализованных. Таким образом, листы стали 09Г2С большой толщины рекомендуется применять в нормализованном состоянии. Исследования показали, что сталь 09Г2С в горячекатаном и нормализованном состояниях в больших толщинах чувствительна к деформационному старению. Только у нормализованных или нормализованных и отпущенных листов толщиной 160 мм обеспечивается после деформационного старения ударная вязкость не менее 30 Дж/см 2 .

Детальное исследование свариваемости стали 09Г2С и свойств сварных соединений позволило уточнить режимы сварки и показать, что сталь 09Г2С может свариваться разнообразными способами с получением сварных соединений, равнопрочных основному металлу и обладающих высокой пластичностью и вязкостью.

Несмотря на дефицитность марганца, низколегированная сталь 09Г2С до настоящего времени является наиболее широко применяемой в отечественной строительной промышленности.

Стали 17ГС, 17Г1С для электросварных газо- и нефтепроводных труб большого диаметра. Газовая и нефтяная отрасли хозяйства являются наиболее металлоемкими отраслями, поэтому с экономической точки зрения для легированных сталей этого назначения необходимо использовать относительно дешевые и недефицитные легирующие элементы. Технология производства стали должна быть достаточно простой. В то же время условия эксплуатации трубопроводов (высокое рабочее давление, разнообразные и суровые климатические условия) предъявляют высокие требования к свойствам стали данного назначения.

В настоящее время в стране для изготовления электросварных труб большого диаметра используют в основном сталь марок 17ГС и 17Г1С.

Листовую сталь 17ГС для труб диам. 529-820 мм поставляют в горячекатаном состоянии, а для труб диам. 1020 и 1220 мм — в нормализованном. Сталь 17ГС выплавляют в 600-т мартеновских печах, а также в кислородных конвертерах. Как правило, раскисление металла в печи производят ферромарганцем или же ферромарганцем совместно с силикомарганцем. В ковше металл дополнительно раскисляют алюминием 0,5-0,8 кг/т и ферротитаном из расчета ввода в металл (без учета угара) 0,02-0,03 % Ti.

Прокатку листов ведут, как правило, по поперечной схеме. Режим нормализации листов следующий: 920-930° С, 1,0-1,2 мин/мм, охлаждение на спокойном воздухе или под вентилятором. Механические свойства стали 17ГС как в горячекатаном, так и в нормализованном состояниях получаются весьма высокими и стабильными.

Нормализованные листы от горячекатаных отличаются более высокой вязкостью и пластичностью при практически одинаковых характеристиках прочности. Металлографические исследования показали, что в горячекатаной стали 17ГС около половины перлита имеет пластинчатую форму. После нормализации почти весь перлит становится зернистым. Исходный размер зерна феррита оказывает влияние на зерно нормализованной стали: чем меньше исходное зерно, тем меньше и зерно в конечном состоянии.

Методом математической статистики (методом теории корреляции) по результатам сдаточных испытаний нормализованных листов стали 17ГС толщиной 12,5 мм массового производства (450 плавок) было изучено влияние пяти элементов химического состава на временное сопротивление.

Анализ результатов сдаточных испытаний нормализованной листовой стали 17ГС, а также результатов, полученных при исследовании влияния химического состава на свойства стали 17ГС, показал, что при значениях суммы (С + 0,25 % Mn) > 0,44% в стали 17ГС практически обеспечивается получение нормализованных листов с временным сопротивлением не ниже 520 Н/мм 2 и пределом текучести не ниже 360 Н/мм 2 .

Предусмотрено, что в стали 17ГС корректированного состава (обозначенной маркой 17Г1С) допускается добавка до 0,05% V. Исследовали влияние добавки 0,05% V на механические свойства нормализованных листов толщиной 11 мм из стали 17ГС. Сталь выплавляли в двухжелобной мартеновской печи; при выпуске плавки в один из ковшей добавляли феррованадий.

Высокие механические свойства листов и труб диам. 1220 мм из стали 17Г1С производства различных заводов подтверждают результаты сдаточных испытаний.

Модальные значения механических свойств листовой нормализованной стали толщиной 12,5 мм оказались следующими: предел текучести 390-400 Н/мм 2 ; временное сопротивление 540-550 Н/мм 2 ; относительное удлинение 27-30 % и ударная вязкость при —40° С (образец 10 х 10 х 55 мм) 75 Дж/см 2 .

Распределение плавок стали 17Г1С одного из заводов по химическому составу показывает, что известное количество их имело содержание углерода, марганца и кремния ниже предусмотренного техническими условиями. Это, естественно, отразилось на некотором общем снижении прочности. Металл характеризуется относительно низким содержанием серы и особенно фосфора. Преобладающая часть плавок получена с содержанием серы ниже 0,030% и фосфора менее 0,025 %.

Опыт производства газопроводных труб из стали 17Г1С подтвердил, что формуемость этой стали в процессе изготовления труб не отличается от формуемости стали 17ГС и что сварка труб из стали 17Г1С может производиться по режимам, принятым для стали 17ГС.

Уровень механических свойств (средние значения) листов из этих плавок весьма высок.

Нижняя граница критического интервала хрупкости у исследованного металла была не выше -90° С, а у стали с небольшой добавкой ванадия при +110° С. Верхняя граница этого интервала для большинства исследованных плавок соответствовала температуре —10° С, а для плавок с содержанием углерода, близким к нижнему пределу, эта температура снижалась до —40° С.

Сталь, содержащая ванадий, характеризуется относительно меньшей чувствительностью к деформационному старению, так как в этой стали азот связан в стойкие нитриды (карбонитриды) ванадия.

Выбор рационального состава низколегированных кремнемарганцовистых сталей

Начиная с 60-х гг. XX столетия основной, фактически единственной, сталью для строительных конструкций была сталь 10Г2С1 с содержанием кремния 0,8. 1,1 %. Из этой стали были изготовлены, например, конструкции комплекса сооружений телевизионного центра в Останкино.

Из опыта эксплуатации сварных конструкций из этой стали было установлено, что для обеспечения высокого сопротивления кремнемарганцевых сталей хрупким разрушениям максимальное содержание кремния в них следует ограничить 0,80 %, в связи с чем основной сталью, применяемой в строительстве, стала сталь 09Г2С.

А. П. Гуляев и В. Н. Никитин показали, что при добавке кремния больше его примесного содержания положение верхней границы критического интервала хрупкости практически не изменяется, а нижняя граница несколько смещается в сторону положительных температур.

Б. С. Касаткиным изучено влияние кремния на хладноломкость сварных швов. Показано, что увеличение содержания кремния более 0,5 % способствует переходу металла шва в хрупкое состояние; это подтверждают результаты и других исследований.

Экспериментальные исследования, выполненные в ИЭС имени Е. О. Патона, позволили выявить слоистую неоднородность низколегированных сталей по содержанию кремния, значительное количество неметаллических включений и неравномерное их распределение по толщине проката. Показано, что слоистая неоднородность является следствием ликвации кремния при кристаллизации слитка. Выявленные дефекты способствуют повышению склонности стали к хрупкому разрушению, что подтвердили результаты испытаний образцов с надрезом, вершина которого находилась в слоях, обогащенных кремнием и неметаллическими включениями.

Результаты исследований Ю. А. Стеренбогена и сотрудников подтверждают более ранние выводы И. М. Лейкина и В. Г. Чернашкина о том, что сегрегация кремния является, кроме того, одной из основных причин расслоения стали при прокатке.
Несмотря на многочисленные исследования, вопрос о рациональном содержании кремния с точки зрения его влияния на склонность стали к хрупкому разрушению оставался дискуссионным.

Для установления рациональных пределов содержания кремния исследовали его влияние на температуры критического интервала хрупкости стали типа 17Г1С, содержащей 0,16% С и 1,5% Mn. При выплавке кремний вводили в полностью успокоенную алюминием сталь. Кроме того, металл дополнительно раскисляли 20 %-ным FeTi из расчета 1 кг/т. Экспериментальные данные, подвергнутые статистической обработке методом наименьших квадратов, позволили найти наиболее вероятную количественную зависимость, связывающую температуру начала перехода стали в хрупкое состояние T_кр с содержанием кремния в ней.

При содержании кремния свыше 0,4% резко повышается температура начала перехода Т 100 стали в хрупкое состояние. А наиболее интенсивное охрупчивание стали наблюдается при концентрации кремния свыше 1 %. Из этого следует, что в сталях типа 17Г1С содержание кремния, по-видимому, не следует увеличивать свыше 0,6. 0,7 %.

С увеличением содержания кремния сериальные кривые смещаются в сторону положительных температур. Изменение содержания кремния оказывает меньшее влияние на нижнюю границу Т₀ критического интервала хрупкости, чем на верхнюю T 100 .

Свойства типичных кремнемарганцовистых строительных сталей

Содержание в сталях 09Г2С и 10Г2С1 углерода и марганца практически одинаково, а содержание Кремния различно: в стали 10Г2С1 его содержание находится на верхнем пределе марочного состава.

Это позволило наиболее отчетливо проследить влияние кремния на склонность к хрупкому разрушению кремнемарганцовистой стали с низким содержанием углерода.

Ударная вязкость стали 09Г2С находится на достаточно высоком уровне. Для стали 10Г2С1 были получены более низкие результаты. После механического старения ударная вязкость и другие характеристики этих сталей снижаются во всем исследованном температурном интервале. Сталь 10Г2С1 оказалась чувствительнее стали 09Г2С к механическому старению.

Склонность сталей и сварных соединений к хрупкому разрушению при статическом нагружении исследовали растяжением при отрицательных температурах надрезанных Образцов шириной 140 мм. С понижением температуры испытания разрушающее напряжение приближается к пределу текучести стали. Эта тенденция наиболее отчетливо проявляется устали с повышенным содержанием кремния — 10Г2С1.

Установленное при сериальных испытаниях на ударный изгиб различие в склонности к хрупкому разрушению сталей 09Г2С и 10Г2С1 проявилось также и при испытании на статическое растяжение образцов с надрезами и гладких образцов.

Хрупкое разрушение сварных соединений воспроизводили на образцах Шеверницкого. Пластины вырезали из листов толщиной 20 мм. Концентраторами напряжений, необходимыми для получения хрупкого разрушения, являются окончания фланговых швов приваренных накладок. Такие концентраторы, в отличие от надрезов, не ослабляют сечение образцов. С понижением температуры вязкое разрушение сменяется хрупким, которое возникает у фланговых швов и протекает почти без пластической деформации. Относительное сужение при этом резко снижается. Количественным критерием склонности стали к хрупкому разрушению в сварном соединении служит температура перехода. Поэтому по аналогии с оценкой результатов сериальных испытаний на ударный изгиб определили границы интервала переходных температур.

Для стали 09Г2С нижней границей этого интервала является температура -50° С, а для стали 10Г2С1 -20° С. Таким образом, сварные образцы из стали 09Г2С хорошо сопротивляются хрупкому разрушению при статической нагрузке, а из стали 10Г2С1 обладают повышенной склонностью к хрупкому разрушению.

Низкая ударная вязкость стали 10Г2С1 объясняется повышенным содержанием кремния в исследованных плавках. Для подтверждения этого было проведено дополнительное исследование листов толщиной 20 мм из этой стали с различным содержанием кремния, которое изменяли от 0,95 до 1,13%. Полученные результаты подтвердили вывод об отрицательном влиянии повышенного содержания кремния в стали 10Г2С1 на ее ударную вязкость. Высокая ударная вязкость была установлена только при содержании в стали около 1,0% Si. Для стали с более высоким содержанием кремния, как и раньше, были получены неудовлетворительные результаты. Аналогичные результаты были получены при определении границ критического интервала хрупкости и условных порогов хладноломкости.

На основании проведенных исследований основной сталью для производства проката повышенной прочности, используемого в строительных конструкциях, была признана сталь 09Г2С. Прокат из этой стали вошел в утвержденный Госстроем «Сокращенный сортамент металлопроката для применения в строительных сварных конструкциях» как прокат с пределом текучести 325—345 Н/мм 2 . Предпочтение, отданное этой стали, объясняется принятыми для нее более высокими по сравнению с другими марганцовистыми и кремнемарганцовистыми сталями нормативными и расчетными сопротивлениями, удовлетворительными показателями пластичности, хладостойкости и свариваемости.

Однако большие объемы производства и поставок стали 09Г2С по ГОСТ 19281 показали, что доля кондиционного металла по прочностным характеристикам составляет 70-90 %. Это потребовало проведения статистической обработки большого массива экспериментальных данных. Результаты этой обработки были положены в основу создания стали 12Г2С, уверенно обеспечивающей нормы прочностных характеристик проката, поставляемого по двум группам прочности с пределами текучести 325-345 Н/мм 2 и 355-375 Н/мм 2 . Сталь 12Г2С была введена в ГОСТ 27772.

Ниже приведены результаты изучения свойств в основном горячекатаного проката и сварных соединений стали 12Г2С. Материал исследования: лист толщиной 9-50 мм и фасонный прокат с толщиной полок 4-20 мм. Исследовали плавки с содержанием углерода, марганца и кремния близким к среднему и верхнему уровням химического состава. Предполагали, что такое содержание элементов в стали позволит получить прокат из-нее с пределом текучести не менее 355-375 Н/мм 2 . Практически весь прокат удовлетворял требованиям ГОСТ 27772.

О хладостойкости проката из стали 12Г2С судили по результатам испытаний на ударный изгиб, которые проводили на образцах с U- и F-образными надрезами при температурах от +20° С до —70° С.

Было установлено, что в горячекатаном прокате из стали 12Г2С обеспечиваются гарантии по ударной вязкости при температуре -40° С; гарантии при —70° С, как и у стали 09Г2С, надежно обеспечиваются, лишь после специальных мероприятий: микролегирования, нормализации, термического улучшения и некоторых других видов термической обработки.

Исследованные партии проката из стали 09Г2С и 12Г2С имели высокую ударную вязкость при нормальной температуре после деформационного старения по стандартным режимам, т. е. эти стали практически всегда обеспечивают требования по ударной вязкости после механического старения.

Как показали специально выполненные исследования на сутунке толщиной 20 мм, металлографическим признаком гарантий KCU -40 ≥34 Дж/см 2 стали 12Г2С при содержании легирующих элементов на верхнем уровне является размер зерна не более 30 мкм при полосчатости перлита не выше балла 3. Невыполнение требований по ударной вязкости для проката толщиной 10 мм и выше обычно связано с серьезными нарушениями технологии, прежде всего с завышенными температурами конца прокатки, после чего в прокате появляются промежуточные структуры, охрупчивающие материал. В прокате толщиной менее 10 мм KCU -40 более 39 Дж/см 2 может быть и при наличии промежуточных структур, как показывают результаты испытаний швеллера производства Белорусского метзавода. После нормализации стали с такими структурами нетрудно получить КСu -40 не менее 34 Дж/см 2 , а при термическом улучшении KCU -70 не менее 29 Дж/см 2 . В последнем случае в прокате формируется высокодисперсная феррито-карбидная смесь с глобулированным цементитом.

Неметаллические включения и вредные примеси влияют на сталь 12Г2С так же, как и на сталь 09Г2С. Снижение содержания серы в стали 12Г2С до 0,015% не приводит к повышению ударной вязкости, если в прокате имеются структуры промежуточного типа. Говорить о целесообразности повышения чистоты стали 12Г2С имеет смысл лишь при наличии в про кате достаточно измельченной и равномерной микроструктуры (с диаметром зерна не более 15 мкм). В последнем случае повышение чистоты металла обеспечивает ряд важнейших свойств проката, в первую очередь высокие свойства проката по толщине (z-свойства). Так, после нормализации листов толщиной 20—40 мм из стали 12Г2С с содержанием серы 0,012% относительное сужение Ψ_z было не ниже 15%. Наблюдаемый уровень z-свойств в прокате из стали 12Г2С такой же, как и в прокате из стали 09Г2С. Зависимость этого уровня от содержания в стали кремния (в пределах марочного состава) обнаружить не удалось.

Проведенное исследование свариваемости проката из стали 12Г2С с содержанием химических элементов на верхнем уровне марочного состава позволило оценить допустимость повышения массовой доли углерода на 0,03 % в ней по сравнению со сталью марки 09Г2С. Влияние термического цикла сварки на свойства проката изучали на пластинах размером 300 х 215, толщиной 20 и 14 мм с наплавками. Наплавки выполняли автоматической сваркой под флюсом АН-348А проволокой 08ГА диам. 4 мм на трех режимах тепловложения q/v, кДж/см: 6,3; 18,9; 35,7. Скорость охлаждения и выбранные тепловложения соответствовали сварке с катетами швов соответственно 4-5 мм; 7-8 мм и 10-12 мм. Оценивали изменение микроструктуры в зоне сварного шва, изменение твердости по Виккерсу, ударную вязкость в зоне термического влияния сварки.

Наибольшие значения твердости металла в околошовной зоне наблюдаются при минимальных тепловложениях. Даже в наиболее неблагоприятном случае из рассмотренных распределений твердости разница между основным металлом и ЗТВ незначительна — менее НУ 150. Наблюдаемые максимальные значения твердости (НУ 300) гарантируют от возникновения холодных трещин в сварных соединениях. Исследования показали, что зависимость твердости от тепловложения носит естественный, характер: с повышением тепловложения HV металла околошовной зоны снижается.

Склонность к хрупкому разрушению металла ЗТВ сварки оценивали при испытаниях на ударный изгиб. Образцы, надрез в которых располагается параллельно плоскости проката, вырезали из наиболее хрупких участков ЗТВ: граничной зоны между литым металлом и участком крупного зерна (граница сплавления), а также участка неполной перекристаллизации. Ударная вязкость металла ЗТВ достаточно велика и понижается одновременно с понижением тепловложений, т. е. с увеличением скорости охлаждения.

Снижение ударной вязкости при малых тепловложениях на участке неполной перекристаллизации обусловлено увеличением содержания второй фазы, а на границе сплавления — формированием на участке перегрева структуры мартенсита отпуска вместо структур верхнего бейнита или игольчатого феррита.

В целом металл ЗТВ стали 12Г2С имеет высокое сопротивление хрупким разрушениям. В то же время при сварке проката толщиной около 20 мм швом С катетом 4-5 мм могут возникнуть определенные трудности, как и в стали марки 09Г2С, для которой при данной толщине проката сварка швами с малыми катетами не рекомендуется. В этом случае сталь 12Г2С является полным аналогом стали 09Г2С.

Стойкость сварных соединений против хрупких разрушений оценивали при испытании крупных образцов Кинцеля натурных толщин в интервале температур от -70 до +20° С. При испытании таких образцов действуют все основные факторы, способствующие охрупчиванию соединения: острый надрез, остаточные растягивающие напряжения под наплавленным валиком, неблагоприятные влияния сварочных циклов на структуру, масштабный фактор, отрицательная температура. Основным критерием оценки хрупкости при этих испытаниях является критическая температура Ту, при которой относительное сужение образца у дна надреза Ψ ≥ 1 %, т. е. температура нулевой пластичности. Кроме того, определяли температуру перехода в хрупкое состояние по условиям: разрушающее напряжение σ_p < σ_T, Т_кр 50 и т.п. Прочность при хрупком разрушении сварных соединений из стали 12Г2С достаточно высока и не уступает стали 09Г2С.

Резюмируя полученные результаты, можно констатировать, что из стали 12Г2С можно изготавливать прокат классов прочности С 345 и С 375. Можно специально отметить, что рассматриваемая сталь сваривается достаточно хорошо. Полученные результаты послужили основанием для включения в ГОСТ 27772-88 сталей С 345 и С 375, соответствующих стали 12Г2С.

Таким образом, представляется рациональным следующий химический состав крем немарганцовистых сталей: 0,15 % С, 1,5 % Mn, 0,8% Si, т.е.; Mn : Si = 2 : 1.

Аналогичные зарубежные стали поставляются по европейскому стандарту DIN EN 10025 (немецкая редакция EN 10025). Для проката толщиной до 40 мм применяется сталь с пределом текучести 345-355 Н/мм 2 в зависимости от толщины: при толщине 16 мм и менее σ_T = 355 Н/мм 2 ; более 16 мм и до 40 мм сгт = 345 Н/мм 2 — глубоко раскисленная (по отечественной терминологии — микролегированная), обозначаемая S 355. Сталь S355 практически является аналогом стали 17Г1С по ГОСТ 19281-89. Несколько большее допустимое содержание углерода в зарубежных сталях для строительных конструкций, по-видимому, объясняется более качественными сварочными материалами, применяемыми в передовых странах. Очевидно в зарубежных сталях этого типа содержание углерода не имеет столь большого значения, как в отечественных, так в сталях S355 в прокате толщиной свыше 40 мм допускаемое содержание углерода составляет 0,24%, что в отечественных сталях в подавляющем большинстве исключено.

Сталь 09Г2С, её характеристики, расшифровка и область применения

В мире существует не одна сотня марок сталей. Только в одном отечественном марочнике дано описание более 700 марок этого сплава. Но, можно сказать, что из всего этого количества только несколько пользуются заслуженным спросом у производителей различного вида металлических конструкций. Характеристики стали 09Г2С позволяют отнести ее именно к этому меньшинству. Почему так происходит и где она находит применение?

09Г2С - химический состав

Сталь относится к кремнемарганцовистым. В соответствии с требованиями ГОСТ 27772-88 полностью соответствует стали С345. Последняя используется для изготовления строительных конструкций.

В соответствии с принятой в нашей стране системой маркировки - состав 09Г2С расшифровывается следующим образом:

углерод (С) - 0,09%;
марганец (Мn)- 2%;
кремний (Si) - не более 1%.

Количество легирующих компонентов в составе стали не так и высоко, именно поэтому сталь 09Г2С относят к низколегированным. Этот сплав лежит в основании целого семейства сталей. Например, - 09г2, 09г2дт, 09г2т, 10г2с и многие другие. Характеристики сплавов этого семейства примерно схожи.

09Г2С - свойства

Состав сплава обеспечивает этому материалу следующие основные свойства:

плотность 7,85 г/куб. см.;
предел текучести, при нагреве до различных температур лежит в диапазоне от 255 до 155 МПа.

Детали из сплава 09Г2С могут быть сварены между собой любым известным видом сварки, используемым в промышленности. При этом нет необходимости в проведении каких-либо никаких дополнительных подготовительных операциях, например, предварительном подогреве места сварки.

Сталь этого типа нашла свое применение при создании сварных конструкций. Хорошая свариваемость этого материала обеспечена низким содержанием атомов углерода.

Многолетний опыт показывает, что более высокое количество углерода приводит к образованию различных дефектов, например, пористости, непроварам. Более того, при выгорании углерода в структуре сварного шва образуются закаленные микроучастки и это приводит к снижению качества шва.

Среди многих достоинств этой стали можно назвать и то, что она не приобретает дополнительную хрупкость после отпуска. Кроме того, ее структура позволяет обеспечить устойчивость к излишнему нагреву и как следствие появлению трещин в районе сварного шва.

Для производства стали этой марки применяют несколько способов:

мартеновский;
электротермический;
конверторный.

В качестве основного сырья применяют чугун. В соответствии с требованиями ГОСТ расплав оптимизируют, то есть:

поднимают количество углерода;
вводят легирующие компоненты.

Благодаря этим мероприятиям готовая продукция получает требуемые свойства.

Номенклатура продукции из стали 09Г2С

На металлургических предприятиях нашей страны производят следующий прокат:

19281-73 Сортовой и фасонный прокат;
19282-73 Листы и полосы.

То есть на рынке металлургической продукции потребители могут приобрести швеллер, уголок, лист и пр. Можно смело говорить, что такая ширина номенклатуры обеспечена именно свойствами и, конечно, ценой этого материала.

Для сравнения, можно сказать, что в среднем цена горячекатанного листа из стали 09Г2С составляет 43 000 рублей за тонну, в то время, как лист обычной стали стоит примерно 41 000 - 43 000. Но, свойства описываемого материала, перекрывают все затраты, связанные с его приобретением и обработкой.

09Г2С - область применения

Изделия из стали 09Г2С применяют для производства конструкций различного назначения. Этому способствует высокая прочность что позволяет использовать более тонкие компоненты конструкций. То есть, там, где толщина материала из обыкновенной стали составляет 5 мм, то из низколегированной, она будет в 1,5 - 2 раза меньше, и при этом надо помнить, то, что стоимость этих разных сталей примерно одинакова.

Характеристики, присущие сплаву 09Г2С, позволяют применять ее при изготовлении деталей и узлов, которые будут работать в температурном диапазоне от -70 до +450 градусов Цельсия. Свариваемость, которая в сравнении с другими сталями, существенно выше, позволяет создавать сложные инженерно-технические конструкции эксплуатируемые в судо- и машиностроении, на железнодорожном транспорте. После проведения определенных видов термической обработки, эту сталь применяют для производства трубопроводной арматуры. Кстати, возможность работы этой стали при температуре в -70 градусов, позволила использовать трубы из этого материала для транспортировки углеводородов на севере нашей страны.

Эта сталь, обладающая высокой способностью к свариванию и отменными механическими параметрами, идеально подходит для производства фасонных изделий, например, балки или швеллера. Кроме того, из этой стали производят комплектующие для станкостроения, транспорта, строительной и химической отрасли.

В строительстве широко используют квадратную трубу, выполненную из стали 09Г2С. Из нее производят различные ограждения, в том числе декоративные, возводят рекламные конструкции, малые архитектурные формы. Важную роль этот материал играет и в производстве котельного оборудования, большая часть, которого, произведена именно из него.

Следует отметить, что использование конструкций из стали 09Г2С позволяет функционировать объектам городского хозяйства, транспортным системам, производственным комплексам, расположенным в регионах с суровым северным климатом. Например, широким спросом пользуется такая продукция как фланцы. Опыт показывает, что сталь 09Г2С является оптимальным материалом для их производства. Дело в том, что они могут быть использованы как в помещении, так и при работе в различных температурах, в том числе и низких.

Широкую применяемость стали 09Г2С и ее аналогов, объясняется не только исключительными технологическими свойствами, но, с точки зрения снижения затрат, на производство конкретных изделий. В самом деле, конструкции, сваренные из этого материала проще обрабатываются, имеют меньшую массу и обладают хорошими параметрами по прочности и износостойкости.

Сварка стали

Как уже отмечалось выше, сварка стали 09Г2С не требует предварительной подготовки, но существуют методы, при которых применяют дополнительный нагрев до 120 C. Сварку деталей можно выполнять, применяя любые электроды, например, Э42А или Э50А. Технология и сварочные приемы ничем не отличаются от тех, которые применяют при работе с другими марками сталей. Но есть и небольшие исключения, например, ГОСТ требует выполнять разделку кромок при толщине стального листа от 5 мм. Хорошая свариваемость 09Г2С позволяет работать без разделки кромок до толщины в 40 мм.

При полуавтоматической сварке листов, типовым режимом можно назвать следующий:

сила сварочного тока - от 200 до 230 А;
давление защитного газа - от 2 до 2,2 атм.

Конструкции из этой стали не требуют особых условий при охлаждении после сварки. Остывая, на открытом воздухе она набирает необходимые параметры качества шва.

Аналоги и заменители стали 09Г2С

При разработке металлических конструкций инженер-конструктор может выполнить замену 09Г2С на следующие стали отечественного производства 09Г2, 09Г2ДТ, 09Г2Т,10Г2С. Кроме того, в отечественной промышленности широко применяют и импортные аналоги, такие как: A 516-55 (ANSI - США), SM41B (JIS - Япония).

Читайте также: