Конструкционная качественная легированная сталь

Обновлено: 20.05.2024

Конструкционная легированная сталь используется для изготовления деталей, конструкций и механизмов, применяемых в машиностроении, строительстве и других сферах. Она изготавливается по ГОСТ 4543-71 и подробно классифицируется в зависимости от состава и назначения.

Что это такое?

Если взять обычную сталь, то это будет соединение железа, углерода и других примесей. Легированная сталь – это уже сплав, получаемый с помощью внедрения какого-то количества химических компонентов. Внедряются они в состав, конечно же, запланировано. Это нужно, чтобы изменить физические и химические свойства металла.

А теперь о конструкционности сталей. Формально отдельные химические элементы, которые содержатся в обычных сталях, а также в конструкционных, можно называть легирующими. Это медь, например, или кремний. А также постоянными спутниками сталей являются сера и фосфор. Но вот металловедам кажется, что это все же не легирующие добавки, а именно примеси. Объясняют они это так: любая примесь – это следствие или чистоты исходника, или специфики металлургических процессов плавки. В первом случае это будет марганец, во втором сера или фосфор. То есть выплавленная без меди, серы и фосфора сталь имела те же свойства. Но легирование ставит другие цели – повышать конкретные технические характеристики.

Конструкционные стали считаются очень прочными, потому что почти всегда проходят особую термообработку. Так как проводится легирование марганцем, сталь обретает цементирующий эффект, стойкий к значительным нагрузкам. И такие материалы используются для самых важных в конструкции элементов.

Как легирующие компоненты влияют на свойства стали:

хром – обязателен для получения нержавеющей стали, практически предотвращающий старение элемент;

титан – дает плотность стали, уменьшая зернистость, что помогает металлу быть прочнее;

никель – повышает прочность, помогает быть металлу более пластичным, жаростойким и стойким к механическим ударам;

вольфрам – не дает укрупняться зернистым образованиям, понижает хрупкость при закалке, добавляет прочность;

марганец – также повышает прочность металла, помогает ему стать более износоустойчивым;

молибден – делает металл более прочным и упругим во время нагрузок на растяжение, снижает хрупкость;

кобальт – повышает магнитные и жаропрочные свойства.

Важнейшая часть сплава – углерод. В содержании элемента до 1,2% есть только польза: материал приобретает положительные качества, становится более прочным и упругим.

Но если его процент будет выше, характеристики материала, напротив, ухудшатся, он будет более хрупким.

Классификация

Она довольно широкая, и имеет несколько подвидов.

По назначению

Стали бывают машиностроительными и строительными. В первом случае это металлы, служащие для производства деталей разных механизмов, конструкций корпусов и другого. И их главное отличие в том, что они почти всегда проходят высокотемпературную обработку. Строительные же стали чаще применяют для металлоконструкций, предусматривающих сварку. То есть термическая обработка для таких металлов – редкость.

Машиностроительные легированные стали, в свою очередь, бывают жаропрочными, улучшаемыми и цементуемыми. Жаропрочные активно востребованы на рынке энергетики, из них можно делать, к примеру, комплектующие для турбин. Из них же делают отличный крепеж. Улучшаемые стали предполагают применение закалки при производстве. Выпускают из них сильно нагруженные изделия. Они же чувствительны к концентрированному напряжению в детали.

А цементуемые стали подвергаются цементации, а также закалке, которая следует после нее. Из них делают шестерни, валы и другие детали со схожим функционалом.

Строительные же стали также бывают разные: массовая, судостроительная хладостойкая нормальной и средней прочности, а также повышенной прочности, для пара и горячих вод, упрочненные прокатом на температуре 700-850 градусов и так далее.

А класс инструментальной легированной стали становится сырьем для создания широкого круга инструмента.

Но все же не для всякого: для того, что проходит ударные нагрузки, материал не подойдет. А вот для режущих, измерительных, ударно-штамповых категорий – более чем.

По количеству легирующих добавок

Эта классификация предполагает следующее деление: высоколегированные стали, среднелегированные и низколегированные. В высоколегированной стали до 50% добавок (но не менее 10%) – такие изделия можно считать самыми прочными, но при этом и самыми дорогими. К среднелегированной стали относятся материалы, в которых легированные добавки содержатся в количестве 2,5-10%. В низколегированных составах добавок меньше 2,5%. Положительных качеств в таком металле достаточно, но для металлообработки их все же не хватает.

По химическому составу

В зависимости от химсостава сталь может быть качественной, высококачественной (А), особо высококачественной (Ш). В последнем случае получить вид можно электрошлаковой переплавкой металла.

По виду обработки

Прокат может быть кованым и горячекатаным, предполагающим особую отделку поверхности, и калиброванным. По уровню термической обработки продукция может быть: без термической обработки как таковой, с термической обработкой, нагартованной. Если обработка была, сталь будет маркироваться ТО, если нагартована (то есть используется метод проката), буквой Н.

Существуют марки с особыми свойствами, которые согласно тому же ГОСТу обозначаться будут иначе. В таком случае первой проставится буква, которая определяет вид стали. Если она шарикоподшипниковая, например, будет буква Ш, а если магнитная – Е, нержавеющая – Я. После этой буквы уже используется стандартная схема.

Могут в маркировке литеры стоять и в конце аббревиатуры, значит, эта группа не относится к обычной стали, а обладает своими свойствами и определяющими качествами. Так, высококачественная и особо высококачественная (именно так они и называются) в конце маркировки будут иметь литеры А и Ш. Если сплав литейный, будет идти литера Л. А те сплавы, которые отличает коррозийная устойчивость, обозначатся литерой К.

Маркировка

В России и в мире она будет разной, потому что отличаются сами принципы обозначений. Это все регулирует ГОСТ, и это удобно тем, что приобретатель сразу может увидеть состав сплава и область его применения.

Описание маркировки:

аббревиатура начинается с двузначного числа, показывающего количество углерода в десятых долях процента;

потом идет литера с названием легирующей добавки;

далее – цифра, которая в процентном отношении показывает содержание добавки в сплаве, но, если удельный вес добавки менее 1,5%, его не указывают.

Сортамент

Конструкционная сталь бывает углеродистой качественной и легированной качественной, последняя делится еще на несколько типов, которые указаны выше. Сортамент этой продукции прописан каждый своим ГОСТом: горячекатаной круглой, горячекатаной квадратной, горячекатаной шестигранной, горячекатаной полосовой, а еще кованой квадратной и круглой.

Это документы ГОСТ 2591, ГОСТ 2590, ГОСТ 1133, ГОСТ 8559 и иначе нормативная база. В сортаменте прописывается название – например, прокат калиброванный круглый, далее указывается диаметр, предельные отклонения по конкретному ГОСТу, марка стали, а также качества поверхности группы, контроль мехсвойств, вид (к примеру, нагортованный).

Конструкционные легированные стали четко структурированы в документации, они удобно маркируются и уже отлично зарекомендовали себя в эксплуатации. К слову, если в структуре выплавляемого сплава процент железа не выше 55%, то легированной сталью такой материал уже не назовешь.

Легирующими компоненты будут только, если содержание их выше 1-1,5%, и если введение их имеет целенаправленный характер. Добавки меняют структуру так называемого дочернего материала, они ступенчатым образом создают составы проникновения либо исключения, и даже могут выйти на границы структур. Процесс интересен, перспективен, и могут появиться новые виды сплавов с новым назначением.

Легированная сталь

Сплав, в котором содержится на менее 45 % железа, называют сталью. В обычную, кроме железа, входят углерод и различные примеси. В составе легированной стали есть дополнительные элементы, так называемые легирующие. Они необходимы, чтобы придать материалу различные свойства.

В зависимости от этих добавок легированная сталь получает характеристики, способствующие ее более широкому применению. За счет легирующих элементов она становится устойчивой к внешней среде, повышается пластичность, прочность, появляются качества, которые требуются для решения определенных задач. Разобраться в видах и марках легированной стали, а также ее назначении поможет наша статья.

Отличия легированной стали от углеродистой

В составе легированной стали, помимо обычных примесей, присутствуют дополнительные вещества, позволяющие ей отвечать определенным химическим и физическим требованиям.

Иными словами, речь идет об углеродистых сталях, в которые добавлены легирующие компоненты. Существуют разные степени легирования, однако даже небольшое содержание подобных элементов значительно повышает качественные характеристики металла.

Какая сталь считается легированной? Разница между легированным и нелегированным металлом состоит в химическом составе. В первом, помимо стандартного железа и углерода, есть немало дополнительных компонентов, меняющих свойства. Тогда как в углеродистой или классической стали присутствуют следы случайных примесей – они не способны сильно сказаться на ее характеристиках.

VT-metall предлагает услуги:

Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы

Также легированная сталь отличается от углеродистой такими особенностями, как:

устойчивость к появлению ржавчины, воздействию агрессивных сред;
образование искр при поднесении металла к заточному кругу;
низкая несущая способность;
значительная стоимость производства.

Легирование осуществляют двумя методами:

Металлургическим. Это основной подход, при котором в горячий металл вносятся необходимые компоненты. Далее на производстве устанавливают параметры, при которых химические реакции протекают в ускоренном режиме.
Дополнительным. В этом случае добавки накладываются в виде поверхностного слоя, за счет чего происходит постепенное взаимное проникновение элементов.

Легирующие добавки к стали

В легированные стали добавлены химические элементы, принадлежащие к разным группам таблицы Менделеева.

Легирующие металлы в русскоязычной маркировке легированных сталей обозначаются при помощи кириллицы. С их помощью меняют качества материала:

Никель (Н). Увеличение теплоемкости, вязкости, пластичности, при параллельном снижении хрупкости, что упрощает обработку металла давлением.
Хром (Х). Повышение твердости, сопротивляемости ударам. За счет добавки обеспечивается хорошая защита от ржавчины – именно по этой причине хрома всегда много в нержавеющей стали.
Ниобий (Б). Увеличение сопротивляемости воздействию кислот.
Кобальт (К). Улучшение таких показателей, как стойкость к ударам и высоким температурам.
Медь (Д). Повышение прочности легированной стали, правда, при использовании этого легирующего элемента немного снижается уровень вязкости. Данный компонент обычно вносят для изготовления строительной стали.
Титан (Т) и цирконий (Ц). Сокращение уровня зернистости, так как за счет этих металлов обеспечивается однородная структура, снижается вероятность растрескивания.
Вольфрам (В) и молибден (М). Увеличение прочности при термической обработке, сопротивления коррозии.
Алюминий (Ю). Повышение стойкости к появлению окалины во время воздействия высокой температуры.
Ванадий (Ф). Улучшение структуры, обеспечение более высокой жаропрочности.

Также в легированные стали вносят неметаллические добавки:

Марганец (Г). Снижение вредного влияния серы, фосфора и кислорода.
Кремний (С). Повышение прочности при возможности сохранить вязкость.
Селен (Е). Увеличение текучести, облегчение обработки механическим способом.
Бор (Р). Улучшение микроструктуры, повышение показателей прокаливаемости.
Азот (А). Обеспечение улучшенных механических свойств – этот компонент добавляют в высоколегированные стали.

Виды легированной стали

Существует три основных категории таких сталей, при классификации которых учитывают долю примесей, легирующих добавок.

Низколегированная сталь – в ее составе примерно 2,5% легирующих элементов.
Среднелегированная сталь – включает в себя 2,5–10% легирующих веществ.
Высоколегированная сталь – содержит более 10% интересующих нас добавок, причем их содержание может доходить до 50%.

От доли углерода зависят свойства металла. Если его количество составляет 0,25–2,14%, сталь является углеродистой и классифицируется так:

высокоуглеродистая: 0,6–2%;
среднеуглеродистая: 0,3–0,6%;
низкоуглеродистая: не более 0,25%.

Добавление новых компонентов невозможно без удаления части старых, в противном случае невозможно связывание. Очистка позволяет сократить долю вредных примесей и кислорода. От углерода избавляются выжиганием за счет выпадения карбидов и иных способов. Присадки могут вноситься в любую сталь, однако не всегда такая процедура дает должный результат.

В легированной стали углеродная составляющая обозначается в сотых долях процента. Предусмотрена классификация легированных сталей по общей массе присадок:

низколегированные – до 2,5%;
среднелегированные – 2,5–10%;
высоколегированные – от 10%.

За счет содержания присадок в легированной стали происходят рекристаллизация и образование новой структуры. По форме кристаллической решетки выделяют такие классы сталей:

Ферриты. Магнитны, решетка неустойчива, меняется в результате нагревания, охлаждения, преобразуясь в перлит, сорбит, тростит. В данную группу входят все низколегированные и углеродистые стали.

Обеспечить формирование устойчивых связей удается при помощи снижения доли углерода до 0,15 % и добавления хрома в качестве легирующего компонента.

Аустениты. Характеризуются высоким содержанием никеля, хрома и марганца. За счет своего структурного строения являются жаростойкими, пластичными, не боятся ржавчины. В эту группу входят хромоникелевые нержавеющие стали.

Мартенситы. Охлаждение после закалки приводит к мартенситовому превращению, в результате чего образуются кубические ячейки, составляющие игольчатые либо реечные кристаллы. Металл приобретает память, поэтому способен частично восстанавливаться после деформации.

В такое состояние могут переходить стали, имеющие в составе хром, молибден, ванадий, вольфрам, ниобий и иные компоненты, обеспечивающие жаропрочность.

Металлическая кристаллическая решетка организуется в виде фаз – чаще всего присутствуют сразу две фазы. Допустим, могут быть аустенит и феррит. Необходимую фазу увеличивают при помощи присадок и воздействия температурой.

Во время выплавки из руды получают чугун, который рафинируют, то есть очищают от газов, оксидов, иных включений. Кислород удаляют углем, шлаком, марганцем и другими раскислителями – они вызывают образование газов или тяжелых оксидов, выпадающих в осадок.

В процессе обезуглероживания или удаления углерода из легированной стали используют водород и выгорание карбидов, в процессе которого происходит выделение угарного газа и формирование окалины. На данный момент некоторые предприятия используют современные технологии, такие как газокислородное рафинирование.

От результата указанных процедур зависит качество металла. По этому признаку выделяют такие стали:

Обыкновенные, или рядовые. Это самый дешевый материал с содержанием углерода в пределах 0,6%, при этом в металле есть пузырьки воздуха. Чаще всего встречаются такие марки: СтО, Ст3сп, Ст5кп.
Качественные. Сюда относятся спокойные, полуспокойные и кипящие виды, в составе которых есть кислород, азот, водород. При этом в кипящих достигается максимальная концентрация газов. Стали могут быть углеродистыми и легированными марок Ст08кп, Ст10пс, Ст20, 7ХФ, 8ХФ.
Высококачественные. Отличаются сниженным содержанием серы и фосфора – в пределах 0,03 %. Эти стали выплавляют в электропечах без использования угля. Сюда относятся 6ХВ2С, 6Х3ФС.

Особо высококачественные. Металл в горячем виде проходит глубокую очистку от оксидов, сульфидов, неметаллических включений. В итоге в нем остается до 0,01 % серы и 0,025 % фосфора. Речь идет, например, о такой марке, как 30ХГС3-Ш.

Кроме того, существует классификация легированных сталей на основании их назначения:

Конструкционные

Применяются для производства строительных конструкций, нагруженных механизмов.

Виды конструкционных легированных сталей:

Улучшаемые. Выделяются на общем фоне высоким содержанием хрома, обогащены бором, никелем, молибденом, марганцем, используются для термообработки.
Пружинно-рессорные. В них добавлен кремний, кобальт, марганец, бор, титан, применяются при производстве транспорта.
Подшипниковые. Характеризуются повышенной твердостью и стойкостью к износу, всегда имеют в составе хром и минимальное содержание неметаллических добавок.
Теплоустойчивые. Используются при производстве паровых нагревателей.

Инструментальные (режущие и штамповые)

Присадки, добавленные в инструментальные легированные стали, отвечают за повышенную прочность и однородность. Чаще всего металл проходит термообработку и используется для изготовления фрез, резцов, метчиков. Легирование осуществляют хромом, ванадием, титаном и иными компонентами.

Такие стали очень дорогие, быстрорежущие, из-за чего задействуются исключительно в режущих плоскостях. Для измерительных инструментов в металл добавляют хром, вольфрам, марганец, обеспечивая его твердость, неизменность размеров.

Стали с особыми свойствами, а именно нержавеющие, жаропрочные, износостойкие, пр.

Речь идет о значительной группе, металлы в которой обладают разными свойствами:

Высокопрочные – высоколегированные стали с подобранным составом, благодаря которому металл используется для производства ответственных узлов механизмов.
Нержавеющие – включают в себя марганец, хром, подходят для работы в химически агрессивных средах, используются для производства труб.
Износостойкие – отличаются повышенной долей марганца. Из них изготавливают стрелки на железных дорогах, гусеницы, горное оборудование, ковши экскаваторов.

Помимо названных сталей, в данную группу входят жаропрочные, жароустойчивые, магнитные, немагнитные, реостатные, с высоким электросопротивлением.

Современные сплавы представляют собой комплексно-легированные составы, обладающие уникальными характеристиками. Так, сталь 15Х2НМФА призвана обеспечивать на протяжении 100 лет радиационный ресурс реакторной установки, а 17ХНГТ применяют как материал для пружин специального назначения.

Маркировка легированных сталей

Марки обозначают при помощи буквенно-цифровой системы маркировки легированных сталей. Иными словами, каждая марка фиксируется за счет сочетания букв и цифр.

Так, элементы, добавленные в легированную сталь, обозначают буквами русского алфавита, где X – хром, Н – никель, В – вольфрам, М – молибден, Ф – ванадий, Т – титан, Ю – алюминий, Д–медь, Г – марганец, С – кремний, К – кобальт, Ц – цирконий, Р – бор, Б – ниобий.

Буква А в середине марки говорит о содержание азота, а в конце свидетельствует о том, что сталь высококачественная.

У конструкционных сталей по первой паре цифр маркировки можно понять содержание углерода, которое указывается в сотых долях процента.

Когда количество легирующего элемента превышает 1 %, после буквы пишут среднее значение в целых процентах. Если добавлено около 1 % и менее этого компонента, цифра не ставится.

Так, в стали 18ХГТ содержится (в процентах): 0,18 С, 1 Сr, 1 Мn, около 0,1 Тi. Маркировку легированной стали 38ХНЗМФА можно расшифровать как: 0,38 С, 1,2–1,5 Сr; 3 Ni, 0,3–0,4 Мо, 0,1–0,2 V. В 30ХГСА входят: 0,30 С, 0,8–1,1 Сr, 0,9–1,2 Мn, 0,8–1,251. А сталь ОЗХ13АГ19 включает в себя 0,03 С, 13 Сr, 0,2–0,3 N. 19 Мn.

Сферы применения легированной стали

Легированная сталь сегодня активно используется в промышленности. Высокая прочность позволяет использовать ее при производстве оборудования для резки и рубки разных видов металлопроката.

На данный момент легированные стали используются в самых разных сферах, вот часть из них:

инструменты медицинского назначения, в том числе острые режущие предметы;
лезвия;
подшипники, детали, испытывающие высокую радиальную, опорную нагрузку;
резцы, фрезы, сверла, иная оснастка станков в сфере металлообработки;
корпуса для техники и приборов;
нержавеющая посуда, такая как ведра, тазы, пр.;
детали для автомобилестроения.

С точки зрения практического назначения, среди легированных сталей выделяют:

Машиностроительные, применяемые для производства деталей механизмов, конструкций корпуса. Они обязательно подвергаются температурной обработке.
Строительные, их чаще всего используют для изготовления сварных металлических конструкций и лишь в редких случаях подвергают сильному нагреву.

Такая легированная сталь является материалом для трех групп инструментов:

режущих;
измерительных;
штампов.

Из низколегированной стали производят корпуса железнодорожных вагонов, вагонов метро, трамваев, несущих конструкций локомотивов, сельскохозяйственных и прочих полевых машин. Также эта сталь служит материалом инженерных сооружений, функционирующих при переменных динамических нагрузках, сезонных и суточных теплосменах.

Легированные стали могут иметь различные свойства, которые они получают за счет соотношения основных элементов. Однако нужно понимать, чем отличается любая легированная сталь. На общем фоне ее выделяет повышенная прочность и стойкость к формированию ржавчины.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

цветные металлы;
чугун;
нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Конструкционная сталь

Конструкционная сталь пользуется сегодня огромным спросом. Она незаменима при изготовлении промышленных механизмов и возведении строительных конструкций, так как обладает высокой прочностью, пластичностью и сопротивляемостью к разрушению.

Используется данный материал и в других сферах человеческой деятельности. К примеру, из него производят детали для разного рода станков, горячекатаный рядовой прокат, пружины, рессоры, мелкие крепежные элементы и много чего еще. Однако при выборе конструкционной стали следует иметь в виду, что она бывает разных видов, у каждого из которых свои физические и химические характеристики.

Описание конструкционной стали

Конструкции и механизмы, применяемые в промышленности или строительстве, должны отвечать повышенным требованиям прочности. Для их изготовления применяется материал, обладающий особыми технологическими качествами. Использование металла с нужными свойствами – основа безопасной эксплуатации всей конструкции в разнообразных условиях. В соответствии с химическими, физическими и механическими характеристиками таким материалом может быть конструкционная сталь.

Ключевой особенностью такого металла является способность выдерживать постоянные и переменные нагрузки. Нередко от него ожидается также износостойкость или антикоррозийные свойства. Иногда выдвигаемым требованиям соответствует обычная углеродистая конструкционная сталь. Но в некоторых случаях ее качества необходимо дополнять или усиливать за счет легирования особыми химическими элементами.

Рекомендуем статьи по металлообработке

В структуру сталей этого типа входят такие полезные добавки, как железо, кремний, медь, марганец и другие вещества, однако главную роль в них играет углерод. Именно он наделяет конструкционный металл ключевыми свойствами и определяет степень его прочности. От концентрации этого элемента зависит устойчивость объекта к хладноломкости, его способность выдерживать производственные нагрузки и переносить различные погодные условия.

Конструкционная сталь делится на несколько классов в зависимости от уровня содержания в них вредных примесей – серы и фосфора. Чем он выше, тем ниже порог хладноломкости и красноломкости материала.

Существует классификация, где за основу берется концентрация в сплавах S и P:

менее 0,05 % – это конструкционные стали обыкновенного качества;
менее 0,035 % – качественные конструкционные стали;
менее 0,025 % – высококачественные стали;
менее 0,015% – особо высококачественные стали.

Классификации конструкционных сталей

Есть и другие способы классификации сталей такого типа. Если брать за основу российские марки, то можно выделить:

Нелегированные углеродистые стали, произведенные в соответствии с ГОСТом 1050.
Низколегированные конструкционные стали с добавлением углерода, изготовленные согласно ГОСТу 5058 – такой вид материала пользуется спросом в строительстве.
Среднелегированные стали, регламентируемые стандартом ГОСТа 4543.
Качественные рессорно-пружинные стали, требования к которым отражены в ГОСТе 14959.
Специальные конструкционные – к этой группе относятся высоколегированные стали с антикоррозийными свойствами и особыми характеристиками. Руководство по их производству, как правило, определяется ТУ фирм-изготовителей. Химический состав таких материалов нередко позволяет относить их, скорее, к сплавам на основе железа, нежели к сталям.

Ключевым признаком, позволяющим отнести сталь к типу конструкционной, является доля углерода в составе готового сплава. Но с ее определением не все так просто: если минимальный показатель концентрации данного вещества в изделии указан четко и составляет 0,05 %, то максимальный представляет собой «плавающую» величину и варьируется между 0,7 % и 0,85 %. Стоит отметить, что в отдельных случаях такая же доля углерода в металле свойственна и инструментальным сталям.

Примером тому может служить сталь марки 60С2. Разные инженеры-металловеды относят ее то к рессорно-пружинным, то к инструментальным материалам. Эта же двойственность характерна таким маркам, как У7А, ШХ9 или 75Г.

В связи с этим для того, чтобы более четко обозначить верхний предел концентрации углерода в конструкционной стали, важно также обратить внимание на следующие характеристики:

Диапазон текучести – максимальный показатель деформации сжатия, при котором объект не разрушается. Если он увеличен, то такой материал можно классифицировать как конструкционный, если нет – как инструментальный.
Диапазон концентрации некоторых примесей в стали, попадающих в нее в процессе выплавки.

Еще одна классификация видов конструкционной стали, применяемая на производстве, основана на различии сплавов по части химических, физических и механических свойств. В нее входят следующие группы:

углеродистые;
низколегированные;
легированные;
автоматные;
подшипниковые;
пружинные;
теплоустойчивые.

Выделенные группы отличаются не только по указанным свойствам конструкционного материала, но и по областям его использования.

Сферы применения конструкционной стали

Конструкционные стали, обогащенные углеродом, по праву можно считать универсальным материалом – их сфера применения распространяется от производства строительных конструкций и механизмов до деталей оборудования и машин. Такая многофункциональность этого вида сплава обусловлена комплексом его качественных характеристик.

Применение легированных конструкционных сталей имеет большое значение в области машиностроения, строительства, а также в производственных работах. Дело в том, что они обладают уникальными химическими, физическими и механическими свойствами. Эти характеристики материала определяются содержанием в сплаве того или иного вещества.

Свойства конструкционной стали низкой степени легирования позволяют использовать материал для производства локомотивов и вагонов для железнодорожного транспорта, трамваев или метрополитена, изготовления полевой и сельскохозяйственной техники, строительства инженерных конструкций и сооружений – словом, в условиях повышенной нестабильности нагрузок и температур.

Теплоустойчивая сталь способна выдерживать до +6 000 °С. Поэтому из нее изготавливают элементы приборов, работающие в течение длительного времени, а также детали, подвергающиеся постоянным нагрузкам и высокому термическому воздействию.

Из подшипниковой конструкционной стали выполняют элементы, подверженные точечным переменным нагрузкам – это места, где в одноименных механизмах шарики, ролики и беговые дорожки колец вступают в контакт.

Пружинная или пружинно-рессорная сталь применяется для изготовления пружин, рессор, сильфонов и т. д.

Из автоматной стали производят крупные партии мелких деталей и крепежей при помощи автоматических станков.

Достоинства и недостатки конструкционных сталей

Преимущества конструкционной стали раскрываются только после термической обработки изделий из данного сплава, поэтому их в обязательном порядке подвергают температурному воздействию. Главные плюсы такой процедуры:

После закалки и отпуска детали из конструкционной стали ее способности к сопротивлению пластическим деформациям обостряются и даже превосходят в этом углеродистые сплавы (при одинаковой концентрации углерода).
При одинаковых условиях конструкционный металл прокаливается сильнее, чем углеродистый. Поэтому внешние элементы большой толщины лучше выполнять именно из легированной конструкционной стали. Состав такого сплава должен позволять детали прокалиться насквозь.
При термической обработке стали такого типа можно использовать «мягкие» охладители – масла. Эта технология значительно снижает риск появления трещин или коробления при закалке.
После термообработки и процедуры легирования конструкционная сталь приобретает дополнительный запас вязкости, увеличивается порог ее хладноломкости. Так, оборудование с деталями из данного материала становится надежнее.

Недостатки конструкционной стали:

Значительная часть изделий из этого материала подвержена обратимой отпускной хрупкости.
После температурного воздействия конструкционный металл становится мягче, снижается его сопротивление усталости.
В результате ковки и прокатки элементы из конструкционной стали приобретают строчечную структуру. Кроме того, в местах деформирования их свойства становятся неоднородными. Такой материал впоследствии с трудом поддается резке.
В конструкционном материале, легированном никелем, могут образовываться флокены – светлые пятна в изломе. В поперечном разрезе они могут проявляться в виде трещинок разной направленности. Такое явление возникает за счет выхода водорода, растворенного в стали.

Выбор конструкционной стали по ее маркировке

Конструкционные металлы маркируются по сложной системе, включающей в себя множество обозначений. Рассмотрим ее подробнее.

Углеродистая сталь обыкновенного качества стандартно обозначается сочетанием букв «Ст» и цифры от 0 до 6 – они отражают номер марки. Затем идет описание степени раскисления: в спокойных сталях – «сп», полуспокойных – «пс» и кипящих «кп».Причем в конструкционной стали марки 0 степень раскисления не указывается, зато отражается содержание в ней фосфора (не более 0,07 %), серы (не более 0,06 %) и углерода (не более 0,23 %). Марки от 1 до 6 могут быть полуспокойными, а от 1 до 4 –кипящими. Доля С, Мn, Si, S, P в них строго прописана.

Согласно ГОСТу 1050–88 маркировка углеродистых качественных сталей включает двузначное число, говорящее о концентрации в нем углерода (в сотых долях процента): 0, 8, 10, 20, …60. Из такого обозначения очевидно, что, например, сталь 20 содержит 0,20 % углерода.

Углеродистые конструкционные стали тоже бывают спокойные, полуспокойные и кипящие, но перед первыми индекс не ставится. Так, можно встретить обозначения полуспокойных металлов: 08 пс, 10 пс, 20 пс, и кипящих: 08 кп, 10 кп, 20 кп.

Литая макроструктура углеродистых сталей обозначается заглавной буквой «Л» (сталь 60 Л).

Определяет маркировку легированных конструкционных сталей ГОСТ 4532–71. Так, она должна содержать буквенно-цифровое обозначение, отражающее химический состав материала:

алюминий – Ю;
бор – Р;
ванадий – Ф;
вольфрам – В;
кобальт – К;
кремний – С;
марганец – Г;
медь – Д;
молибден – М;
никель – Н;
ниобий – Б;
титан – Т;
хром – Х.

Цифра, стоящая после буквы, обозначает приблизительную долю легирующих компонентов в сплаве. Если ее нет, значит, таких веществ в материале содержится не более 1 %.

Цифра, расположенная в самом начале маркировки, обозначает количество углерода в легированном материале (в сотых долях процента). Так, запись «30ХН3А» означает, что в данном сплаве содержится порядка 0,30 % С, около 1 % Сr и 3 % Ni. Заглавная «А» в конце записи отражает высокое качество стали. Особо высококачественные стали (которые получаются, например, путем электрошлакового переплава) маркируются буквой Ш – 30ХГС-Ш.

Некоторые группы конструкционных сталей содержат дополнительные обозначения в начале маркировки. Так, автоматные начинаются с буквы «А», строительные – с «С», подшипниковые – с «Ш» (ШХ15).

Автоматные стали характеризуются повышенной концентрацией кальция, селена, серы, теллура и фосфора. Согласно ГОСТу 1414–75 увеличенное содержание некоторых веществ должно обозначаться соответствующей буквой: кальций – «Ц», селен –«Е», сера – «А», свинец – «С». Двузначное число, стоящее перед буквами А, АС или АЦ говорит о концентрации углерода (в сотых долях процента). Например, автоматные стали с повышенным содержанием кальция – АЦ20, …, АЦ30ХН; селена – А35Е, А40ХЕ; серы – А11, А20,…, А40; свинца – АС14, АС40, …, АС45Г2.

Низколегированные конструкционные стали обозначают буквой «С» и числом, отражающим предел текучести (мегапаскаль), например, С235, С285,…, С590. В конце записи могут стоять заглавные «Д» – обозначающая усиление антикоррозийных свойств, «К» – отражающая специальный химический состав, или «Т» – говорящая об усилении прочности материала за счет термообработки.

Требования, которые выдвигает потребитель к свойствам конструкционной стали (химическим, физическим или механическим) выполняются за счет специфического состава сплава, подбора методик термического воздействия и способов упрочнения поверхности, а также качества металлургической обработки. Такой материал может быть представлен на рынке в формате проката, труб и пр.

Стоимость изделий из конструкционной стали в основном зависит от состава сплава и размеров детали.

Стали и сплавы легированные (ГОСТ 4543-71)

Стали легированные — железоуглеродистые материалы, которые кроме обычных примесей (марганца, кремния, серы и фосфора) содержат ряд элементов, специально вводимых в сталь при ее выплавке для получения заданных свойств. Эти элементы называют легирующими. В качестве легирующих элементов чаще всего добавляют в сплавы никель, хром, вольфрам, молибден, титан, ванадий, алюминий, медь, кобальт, бор. Кремний и марганец, если они специально введены в сталь, также являются легирующими элементами. При этом содержание кремния должно быть выше 0,5%, а марганца — выше 0,8%. Подавляющая часть легированных сталей содержит два или несколько легирующих элементов, так как совместное их действие значительнее влияет на изменение свойств сталей, чем действие одного элемента, даже если он вводится в большом количестве.

Название легированных сталей определяется основными легирующими элементами, входящими в их состав, например: хромистая, хромомарганцовая, хромоникелевая, хромоникельмолибденовая и т. п.

Влияние легирующих элементов на свойства стали зависит от их количества, местоположения в структуре и содержания углерода. Все легирующие элементы в том или ином количестве способны растворяться в кристаллической решетке феррита, образуя при этом, так называемый, легированный феррит. По отношению к углероду легирующие элементы можно разделить на две группы:

первая группа — элементы, способные создавать с углеродом стойкие химические соединения — карбиды; к ним относятся титан, ванадий, вольфрам, молибден, хром, марганец и ниобий;
вторая группа — элементы, не образующие карбиды; в их число входят кремний, алюминий, никель, медь, кобальт. Эти элементы содержатся в легированных сталях в виде твердого раствора в феррите.

Карбидообразующие элементы, растворенные в феррите, искажают его кристаллическую решетку, упрочняют феррит, уменьшают теплопроводность и электропроводность стали. Карбиды отличаются весьма высокой твердостью (70÷75 HRC) и износостойкостью, но обладают значительной хрупкостью. Они играют весьма важную роль в инструментальных сталях.

После термической обработки (закалки, отпуска) улучшаются механические свойства легированных сталей, но в изделиях малых сечений их свойства мало отличаются от механических свойств углеродистой стали. В изделиях крупных сечений (свыше 15 мм) механические свойства легированных сталей — предел текучести σ_т, относительное сужение Ψ и ударная вязкость а_н — значительно выше, чем углеродистых. Эго объясняется малой критической скоростью закалки легированных сталей, а следовательно, лучшей их прокаливаемостью. После термической обработки у них образуются более мелкое зерно и дисперсные структуры. Большая прокаливаемость и малая критическая скорость закалки позволяют закаливать эти стали в менее резких охладителях, к которым относится масло и воздух, что способствует уменьшению деформации деталей и уменьшению возможности образования трещин. Поэтому легированные стали применяют для изготовления деталей малого сечения со сложной геометрической формой. Без термической обработки эти стали использовать нецелесообразно. Прокаливаемость возрастает с увеличением в стали марганца, хрома, бора, никеля и молибдена. Конкретному сечению стали должно соответствовать определенное количество легирующих элементов, иначе ухудшаются такие ее технологические свойства, как обработка резанием, свариваемость и др. Если содержание хрома или марганца превышает 1%, увеличивается порог хладноломкости стали или критической температуры хрупкости ( температуры перехода металла от вязкого разрушения к хрупкому и наоборот). Поэтому содержание легирующих элементов должно быть минимальным, обеспечивающим необходимую сквозную прокаливаемость для конкретного сечения детали и условий охлаждения при закалке.

Никель повышает сопротивление стали хрупкому разрушению, увеличивает пластичность и вязкость, уменьшает чувствительность к концентраторам напряжений и понижает температуру порога хладноломкости. Поскольку никель дорогой металл, то его вводят в конструкционные стали в сочетании с хромом и другими элементами в предельно малых количествах.

После отпуска легированная сталь обладает более высокой прочностью и твердостью, но меньшей пластичностью вязкостью, чем углеродистая. Молибден и вольфрам повышают прокаливаемость и устойчивость стали против отпуска, способствуют образованию мелкозернистой структуры. Особое влияние молибден оказывает на цементированную сталь, так как повышает твердость и прокаливаемость цементированного слоя. Кремний при изотермической закалке обеспечивает высокую вязкость и пониженную чувствительность стали к надрезу. В отожженном и нормализованном состоянии легированная сталь имеет более высокую прочность, но меньшую пластичность, чем углеродистая.

В зависимости от области применения легированые стали подразделяют на три группы: конструкционные стали, предназначенные для изготовления деталей машин и конструкций; инструментальные стали, используемые для производства режущих и измерительных инструментов, штампов и пресс-форм; стали и сплавы с особыми физическими и химическими свойствами — коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные, магнитомягкие, магнитотвердые, с заданным коэффициентом теплового расширения и др.

В зависимости от содержания вредных примесей различают качественную легированную сталь (не более 0,035% серы также и фосфора), высококачественную — А (не более 0,025% серы также и фосфора ), особовысококачественную — Ш (до 0,015% серы и до 0,025% фосфора). Буква Ш ставится через дефис в конце марки стали, например ЗОХГС-Ш, ЗОХГСА-Ш.

В обозначение марок легированных сталей (ГОСТ 4543-71) входят заглавные буквы русского алфавита, соответствующие определенным химическим элементам, содержащимся в стали, и цифры, обозначающие количество легирующих элементов и углерода (табл. 1).

Первые одна или две цифры (слева) характеризуют среднее содержание углерода: одна цифра — в десятых долях процента, две цифры — в сотых долях. В марках некоторых инструментальных легированных сталей с содержанием углерода около 1% цифра не ставится. Цифры после букв означают приблизительное содержание легирующих элементов в целых процентах. При содержании легирующего элемента до 1,5% цифра после буквы может не проставляться (это делается в исключительных случаях). Например, 40Х означает хромистую легированную конструкционную сталь, содержащую 0,4% углерода и около 1% хрома; 15Н2М — конструкционную легированную никельмолибденовую сталь с содержанием 0,15% углерода, 2% никеля и до 1% молибдена.

Маркировка высококачественных сталей отличается наличием буквы А, проставляемой в конце марки. Например, 18Х2Н4МА означает хромоникельмолибденовую конструкционную легированную высококачественную сталь с содержанием 0,18% углерода, 2% хрома, 4% никеля и до 1% молибдена; 38Х2МЮА — хромоалюминиевую конструкционную высококачественную сталь, имеющую в своем составе 0,38% углерода, 2% хрома, до 1% молибдена и до 1% алюминия. Буква А не ставится в обозначении высококачественных инструментальных легированных сталей и сплавов с особыми свойствами. Например, 8Х4ВЗМЗФ2 — инструментальная легированная сталь для режущего и измерительного инструмента (0,8% углерода, 4% хрома, 3% вольфрама, 3% молибдена и 2% ванадия).

Иногда в обозначении марок сталей в начале ставятся буквы, указывающие области их применения: А — автоматные стали повышенной обрабатываемости резанием (А 12, А35), Ш — шарикоподшипниковые стали (ШХ15, ШХ9), Р — быстрорежущие стали (Р18, Р6М5К5), Св — сварочные и наплавочные стали и сплавы (Св-12ГС, Св-08ХН2ГМТА). Особое внимание следует обратить на букву А, которая может содержаться в начале обозначения марки стали, в середине и в конце. Если буква А стоит, в начале марки, она указывает область применения стали (автоматная конструкционная сталь повышенной и высокой обрабатываемости резанием, например А40ХЕ); если в конце марки, значит сталь высококачественная (например 20Х2Н4А); буква А, стоящая в середине марки, означает азот, например 10Х14АП5. Стали, предназначенные для специального производства (исследуемые или пробные), часто маркируют условно, например, по месту их выплавки: Э — «Электросталь», 3 — Златоустовский металлургический комбинат, Д — завод «Днепроспецсталь» — ЭИ868, ЭП48, ЗИ, ДИ (И — значит исследовательская, П — пробная).

Читайте также: