Низколегированная сталь что это такое по простому

Обновлено: 19.05.2024

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.

Все о низколегированных сталях

Чтобы сделать металлы более прочными, твёрдыми, способными переносить значительные растяжения, не деформируясь при этом, распространена практика введения на производстве в них легирующих присадок. По этой части железо является самым универсальным металлом – известен не один десяток сортов стали на его основе.

Процентное содержание добавок позволяет отнести тот или иной сорт стали к высоко-, средне- и низколегированному виду. Низколегированная сталь – сплав с низким содержанием углерода и других включений, улучшающих и дополняющих исходные свойства простой углеродистой стали.

Легирование производится недорогими металлами и неметаллами – чаще всего это никель, хром, марганец, кремний, ванадий и медь.

Наибольшую прочность сталь получает в результате введения марганца или кремния, хотя основной добавкой здесь является всё-таки уголь. Попытка выплавить сталь с этими добавками, но без угля, не даст желаемого эффекта – это уже легированное железо, а не полноценный стальной сплав. Низколегированные стали обладают преимущества перед высоколегированными – устойчивость к состариванию изделий, повышенная текучесть, низкая ломкость при низких температурах, удовлетворительная пластичность. Простые углеродистые стали содержат большее количество неметаллических включений. Так, кремний, фосфор, сера в них присутствуют, при этом содержание серы уменьшается до предела, так как она портит железо, делает его хрупким. Легированные сосредоточены на включение в их состав и металлов. Например, кобальтовое сверло, применяемое в качестве ступенчато-конусного при профилированной рассверловке усложнённых конструкционных заготовок, изготовлено как раз из такой стали, в которую добавлен и кобальт, соседний по таблице Менделеева с железом металл.

Низколегированные сплавы отличаются повышенной износоустойчивостью и более медленным образованием ржавчины. Например, фарширующая перемалываемое крестовым осевым ножиком мясо в мясорубке сетка с круглыми отверстиями изготовлена как раз из такой стали. Ржавеет она не настолько быстро, как простая чёрная сталь, чтобы через месяц покрыться толстым слоем ржавчины, как это происходит, например, с гвоздями. Низколегированные стали подвергаются удовлетворительной обработке, не растрескиваясь при этом, и не теряют своих свойств в условиях морозной погоды (кроме условий «полюсов холода» на Земле, где температура зимой достигает -60 и ниже). После закаливания низколегированные стальные сплавы почти нечувствительны к надрезанию, обладают высокой прочностью и вязким ответом на значительные удары: для сравнения, чёрная сталь быстро бы сломалась от ударов кувалдой. Выпускаются НЛС в виде спокойных сплавов.

Разобравшись с основной характеристикой НЛС, эти сплавы выделяют в особую классификацию, расходящуюся со свойствами сталей других степеней легирования. Исходя из химического состава, выделяют более и менее качественные сплавы.

НЛС включает в себя не менее 2 промилле углерода. Легирующие (не) металлы присутствуют уже в общем количестве не более 5%. Остальные 94,8% – чистое железо. Именно низколегированный состав должен обладать процентным содержанием дополнительных (не) металлических включений не более 1/40 части от общей массы заготовки, сработанной из НЛС. Определённые металлы придают легированным сплавам следующие свойства.

Ванадий позволяет стали обрести равномерную структуру, не допуская её расслаивания при литье и ковке.
Молибден добавляет жаростойкости и жаропрочности, не позволяя размягчаться изделию при некоторых температурах.
Ниобий даёт возможность стальному сплаву обрести дополнительную прочность.
Вольфрам в сочетании с азотом увеличивает устойчивость стали к лучшему отводу тепла.
Титан не даёт изделию из низколегированной стали быстро износиться.
Никель и кремний повышают упругость и вязкость, не давая этому изделию внезапно сломаться при ударах.
Марганец повышает прочность стали, не приводя к потере ею пластичности.
Кобальт, помимо пластичности и прочности, обусловливает повышенную способность железа к намагничиванию.

К слову, свёрла на основе кобальтсодержащей стали реже ломаются при перегрузках, вызванных неперпендикулярностью сверления. Кобальтсодержащие фрезы проявляют те же свойства, позволяя станку проработать на одних и тех же резаках дольше.

Не случайно сверло или фреза с кобальтом стоят заметно дороже, чем обычное такое же изделие, изготовленное из быстрорежущей стали стандартных характеристик.

По качеству

Критерий качества низколегированной стали оценивается по количественному содержанию серы и фосфора в данном сплаве. Чем больше серы в НЛС, тем более ломким окажется изделие. Ни одному мастеру не понравится то, что быстро ломающиеся в процессе работы свёрла и фрезы не только ведут к чрезмерно завышенному расходу денег на расходники, но и периодически останавливают, тормозят технологический процесс, когда, к примеру, за короткое время необходимо прорезать этими же свёрлами сотни отверстий. Раритетное сверло времён СССР, способное не затупиться существенно даже при сверлении толстостенного профуголка, сохраняющее долго свои эксплуатационные характеристики, обязано как раз сплавам с крайне низким содержанием серы. В идеале следовало бы полностью удалить всю серу из НЛС, но такое возможно лишь в лабораторных условиях.

Высококачественная сталь не должна обладать количеством серы, большим по массе, чем четверть промилле. Сталь обычного уроня качества содержит до 0,35 промилле серы и фосфора. Низкокачественная НЛС превышает содержание серы и фосфора значения в полпромилле от общей массы заготовки. В XXI веке количество низкокачественной НЛС значительно уменьшилось благодаря улучшению технологии её производства. Наконец, с учётом способа поставки и конкретного применения производится фасонная и сортовая сталь. Нормативы взяты из ДСТУ 8541 и ГОСТ 19281. Сталь в толстых листах, широкополосная универсальная, а также в рулонах производятся на основании ДСТУ 8804 и ГОСТ 19282. Судостроительная (судоремонтная) НЛС – по ГОСТ 5521: выпускается такая сталь в тонких и толстых листах, широких отрезах и в фасонных заготовках; корпуса для судов и иных плавучих средств изготавливаются из неё – с помощью сварки. Стержни для строительных конструкций типа А3 и А500, обладающие периодичным профилем, производится по нормативам ДСТУ 3760, ГОСТ 5781/10884.

НЛС перлитного и ферритного классов, выпускаемую в основном по ГОСТ №4543-1971, подписывают так, чтобы свойства материала оказались очевидными, но придерживаться определённого порядка всё же надо. При подписывании учитывают:

свойства металлов – их обозначает первая буква;
процент углерода – цифра после этой буквы;
другие буквы и цифры – наименование и количество легирующих добавок.

К примеру, 18ХГТ – это 0,18% угля, 1% хрома, столько же – марганца, 0,1 титана.

Дополнительные обозначения вносят пояснения: Р — быстрорежущая НЛС, Ш — для шарикоподшипников (промподшипники для механизмов), А — для огнестрельного оружия, Э – электротехническая, Л — литьевой сорт. Особое место занимают некоторые марки, например, стальной сплав 12х18н10т обладает следующим химсоставом:

хром — 17-19%;
никель — 10%;
титан — 0,8;
уголь – 0,12%;
кремний — до 0,8%;
марганец — 2%;
медь — до 0,03%.

Чем сложнее маркировка, тем более особенным является состав – за счёт поясняемых свойств.

Применение

НЛС различных марок относят к сырью для трубопроводов в составе строительных конструкций. Так, невозможно без низколегированных сплавов возвести нефтепровод в составе буровой, а также построить паровую турбину. НЛС – основной компонент в системах с постоянно меняющейся нагрузкой, например, одно- и малоэтажное строительство. Большинство сталей могут использоваться как конструкционные, и лишь некоторые из них, устойчивые к коррозии, например, хромованадиевые сплавы – как инструментальные, например, для изготовления рожковых ключей.

Обработка

Особенность НЛС в том, что она не подлежит улучшению. Такие заготовки обрабатывают путём отжига или нормализации, или сразу же после горячекатаной сработки. Для повышения прочности, вязкости, снижения чувствительности к надрезанию используется закалка с последующим отпусканием. Отпускание НЛС производится при температуре порядка 645°С – это позволяет снять сварочные остаточные напряжения, несколько снизить твёрдость сварных соединений комплектующих. Способ термодоработки выбирается по марке стали, схемы изделия и его предназначения.

Повышенный запас прочности позволяет использовать с большинством марок НЛС практически любую обработку, включая воздействие при повышенном давлении. Сюда относят гибку, штампование, развальцовывание, резке. Резак, осуществляющий пиление, пропил, просверливание, выбирается с учётом параметров конкретного сорта НЛС. Так, сталь марок Р9, Р18, Р14Ф4, ВК3М, ВК15, Т15К6, Т5К10 – и нескольких других из весьма обширного списка – хорошо пилится и фрезеруется, сверлится и штампуется. Эти марки достаточно теплоустойчивые, каждая из них – хладостойкая, свариваемая из неё конструкция выдержит годовые и сезонные температурные колебания на протяжении ряда лет.

Сварка

Благодаря содержанию 0,2% углерода и – в среднем – 2,5% присадок, механические свойства НЛС достаточны для сварки удовлетворительного качества. Кремний, содержащийся в количестве 1,05%, даёт стальной заготовке необходимую прочность и упругость, однако повышение его количества в конкретной марке затрудняет сварку из-за большего количества образующегося шлакового нагара. Марганец в количестве порядка 1,7% улучшает закалку, однако из-за него сварка осложнена. Завышенное количество молибдена, хрома и ванадия также ухудшает прочность сварных швов. Поскольку НЛС хорошо закаляется, её сваривают в условиях печного нагрева или в нежёстком режиме термообработке. Использование жёсткого режима даёт возможность вести только точечную сварку. Ток на сварочном инверторе ставится приближённо на 12,5% ниже, чем значение при сварке простой малоуглеродистой стали. Но надавливание на электроды – выше в среднем на 30%. Сваривают НЛС – как и малоуглеродистую сталь – дуговой, контактной и газосваркой. Ручное сваривание деталей на инверторе осуществляется электродами марки Э-50А без предварительной подготовки деталей, либо с применением сварочной проволоки во время газового сваривания.

Сталь марок 09Г2С, 10Г2С1, 10Г2С1Д трудно перегреть даже газовой сваркой, закалённые области образуются не так активно, чем в деталях, сработанных из прочих марок НЛС. Термообработка не привязана к конкретному алгоритму. Сварка производится электродами марки Э50А, Э46А, участки возле шва не отличаются по своим характеристикам от основной части детали. Марка 10Г2С1Д варится при подогревании до 110°C. При труднодоступности накладываемых швов производится нагрев примерно до 250°C – с последующим отжигом после сваривания. Лучше всего НЛС варить вручную дуговым методом. Толщина заготовок и температура окружающей среды значения не имеет. Сварные соединения по своим свойствам универсальны и просты в эксплуатации выполненных конструкций, допускают сваривание с любой стороны, включая потолочные и вертикальные швы. Сварка НЛС в целом производится на основании ГОСТ №9467-1975. Применение электродов Э50, Э46, Э42, Э38 создаёт рабочее давление на разрыв до 5000 атмосфер (50 кг/мм2). Электроды Э50А, Э46А, Э42А используются при ударной стойкости конструкций. Использование же электродов в сочетании с соответствующими марками НЛС – Э60, Э55 – увеличивает показатель допустимого давления до 6000 атмосфер.

При соблюдении указанных требований сварные швы прочны и надёжны.

Все о легированных сталях

Знать все о легированных сталях, о том, что это такое, и чем они отличаются от углеродистых сталей, крайне важно для любого толкового инженера и для организации производства, вообще. Внимание стоит уделить маркам и маркировке, влиянию легирующих элементов на свойства стали. А также надо разобраться с тем, какая при легировании стали появляется классификация.

Вводить в сплавы металлов различные добавки пытались уже в древности. Но только при должном развитии металлургии получилось то, что ныне называют легированными сталями. В зависимости от поступления отдельных компонентов продукция будет иметь различный уровень пластических характеристик, хрупкости и прочности. Их научились изменять в несколько раз, приспосабливая тем самым за счет влияния элементов на свойства конкретные марки сплавов к основным областям применения. Специальные компоненты при легировании добавляют двумя различными способами.

Объемная методика легирования подразумевает внедрение полезных веществ в глубинную структуру. Необходимые добавки попадают в шихту либо расплав.

Поверхностное улучшение подразумевает, что легирующие вещества вводятся посредством диффузионного либо прочего напыления, и оказываются лишь в верхнем слое металла. Надо учитывать, что легированные сплавы, при всех своих достоинствах, обрабатываются механически гораздо хуже, чем обычная сталь. Эта проблема давно обнаружилась, основательно исследована материаловедами, и найдены уже оптимальные пути ее решения.

Доля железа в составе стали обычно составляет 97-99%. В ряде случаев она окажется меньше, но сокращение более чем до 45% не допускается. Доля углерода преимущественно составляет от 0,1 до 1,4%, редко больше или меньше.

Марганец придает ценные свойства, если его добавляют от 1% и более. Это отличный раскислитель, позволяющий исключить вредное воздействие кислорода.

При высоком содержании марганца можно получить даже сплав Гадфильда, который не имеет магнитных свойств, зато очень стоек к ударам и механическому износу. Кремния добавляют обычно 0,8% и больше, потому что этот компонент:

помогает, опять же, раскислять сплав;

наращивает его стойкость;

увеличивает жаропрочность и ряд иных ценных свойств.

Необходимо учитывать, что сталь содержит не только те вещества, которые улучшают ее свойства. Так, из-за присутствия серы увеличивается риск растрескивания прогретых заготовок. Фосфор, обычно присутствующий вместе с серой, увеличивает хрупкость. Под влиянием азота, кислорода и водорода структура становится рыхлее. Из-за окислов и нитридов вероятно появление надрывов.

В отдельный разряд выделяют так называемые случайные примеси. Они обычно безвредны и проникают в сталь из шихт. Некоторые случайные примеси приносят вред, но их содержится настолько мало, что этим можно пренебречь. Речь идет про цинк, медь, свинец.

Легированные стали отличаются от углеродистых прежде всего введением специальных улучшающих компонентов 4-й категории, обеспечивающих упрочнение.

Хромистые стали отличаются высокой твердостью. Она же свойственна и марганцевым сплавам — при этом такая твердость достигается после грамотной обработки и без потери пластических свойств. Износоустойчивость марганцевых сталей давно подтверждена на практике. Встречаются также:

Углеродистые стали в отличие от легированных не содержат титана, молибдена, вольфрама. Они являются универсальным промышленным материалом и не предназначаются для узкоспециального применения. Технические и практические свойства у углеродистых сплавов хуже. Они проигрывают по стойкости к нагреву и по твердости. Однако эти материалы оказываются дешевле, и во второстепенных по требованиям сферах их использование более оправдано.

По составу

Речь идет о том, что все сплавы имеют суммарное количество улучшающих компонентов. По этому признаку выделяют:

низколегированные металлы (максимум 2,5%);

среднелегированные (до 10%);

высоколегированные (разброс от 10% до половины всего состава).

Говоря про особенности видов стали по содержанию улучшающих компонентов, надо указать сразу, что низколегированный металл в основном отличается улучшенной прокаливаемостью. Это означает, что в дальнейшем путем термообработки проще будет добиться необходимых иных свойств. Среднелегированные сплавы выделяются прежде всего высокой механической выносливостью.

Обрабатывать их довольно удобно. Считается, что такой металл отлично подходит для свариваемых конструкций.

Высоколегированные стали имеют узкоспециальное применение. Некоторые из них могут отлично переносить воздействие агрессивной среды. Востребованы аустенитные соединения. Высоколегированный металл может быть рассчитан и на условия повышенной коррозионной активности. Значительное содержание специальных компонентов резко увеличивает сложности обработки, но дополнительные практические возможности того стоят.

По структуре

По этому показателю также классифицируются любые виды сплавов. Доэвтектоидным считается металл, где есть избыток феррита. Он отличается повышенной пластичностью. Отмечают оптимальное соотношение прочности и способности переживать нагрузки. Влияя на дисперсность феррита, металлурги регулируют свойства готового продукта.

Перлитной структурой обладают эвтектоидные стали. Соответствующее превращение происходит при условии постоянной температуры и стабильном же составе фаз. Доля третичного цементита не превышает 0,3%, потому его можно не учитывать.

Заэвтектоидным может стать только металл, содержащий минимум 0,8% углерода. Все такие продукты применяются в производстве инструментов.

Ледебуритный тип стали подразумевает присутствие в структуре первичных карбидов. Это высокоуглеродистые высоколегированные соединения. Структурно стальной ледебурит неотличим от ледебурита в составе белого чугуна. Однако отличия по свойствам несомненны. Ковка довольно сильно затрудняется, но она вполне возможна.

Микроструктура и состав, а также обусловленные ими характеристики, прямо влияют на практическое применение металлургического продукта. Выделяют:

быстрорежущие и некоторые другие виды стали.

Основные марки и ключевые правила обозначения легированного металла заданы в ГОСТ 4543. Зная базовые принципы, легко произвести расшифровку любой маркировки.

В конце обозначения может стоять буква А, которая говорит об особенно высоких практических характеристиках.

Цифры после отдельных букв говорят о концентрации вещества, а если менее 1%, то цифровой элемент пропускают. Востребованностью пользуются:

Если обозначение начинается с Х, Ж либо Е, это означает соответственно хромистую, жаропрочную или не склонную ржаветь сталь. Особо добротный металл в конце названия имеет не А, а Ш. Могут также встречаться буква Н, то есть нагартованный прокат, и ТО, что говорит о термообработке при прокатке. Не стоит путать ее с буквой Н, обозначающей никель. Другие индексы:

Обозначение прочих элементов — по первой букве русского названия. Таковы:

Высокие качества легированной стали и ее разнообразие позволяют говорить, что она используется в самых разных сферах. Такой металл хорош для производства промышленных установок и хирургических инструментов.

Им охотно пользуются при создании металлоконструкций и строительной арматуры. Легированный сплав систематически применяется и при выпуске кухонных принадлежностей различного рода.

Дополнительные области использования:

получение различных труб;

кулачковые муфты и плунжеры;

поршневые пальцы и червячные валы;

пружины для часовых механизмов и измерительной аппаратуры.

Особенности сварки и обработки

Температура плавления разных марок легированной стали варьируется от 1400 до 1800 градусов. Потому необходимо подбирать режим сваривания индивидуально. Низколегированный металл подвержен появлению холодных трещин. Недопустимо поэтому быстро остужать толстый металл, а также варить его там, где гуляет ветер. Повышенная пластичность легированных сплавов позволяет сравнительно быстро получать сложные конструкции при сварке.

Электроды для сваривания улучшенной стали должны иметь основное либо рутилово-основное покрытие. Величину тока подбирают под конкретный вид электродов. Учитывают также вид сплава и толщину обрабатываемой конструкции. Ошибки приведут к низкому качеству шва и потере прочности изделия.

Низколегированный металл варят без перерыва, чтобы температура его не падала менее 200 градусов.

Среднелегированные марки стали варят, применяя материалы с несколько меньшей концентрацией добавок. При толщине листов не более 0,5 см может практиковаться аргонодуговая сварка. Газосварочные работы ведут при помощи ацетилен-кислородного сочетания. Сложнее обстоит дело со сваркой высоколегированных сплавов. В этом случае надо добиваться как можно меньшего теплового захвата материала.

Такой момент связан с тем, что важно уменьшить опасность коробления материала. Для самой работы берут электроды, покрытые фтористокальциевой смесью. Подобный подход гарантирует механическую и химическую стабильность сварочного шва. Газосварочные работы по высоколегированной стали проводятся крайне редко.

Лишь иногда такую методику применяют, чтобы соединять лист толщиной максимум 2 мм.

Низколегированные сплавы рекомендуется варить с применением вертикальных, потолочных швов. Нецелесообразно применение сварочных стержней диаметром менее 0,4 см. Уменьшение темпа потери температуры достигается за счет бортовых либо стыковых швов. Заготовки толщиной до 0,6 см включительно варят в один проход. Максимально пластичный шов появляется при использовании электродов марки Э42А.

Если же в составе стали есть марганец, никель, то она должна проходить эти процедуры при той же температуре, что и углеродистый металл. Оценивать температуру надо с учетом особенностей роста аустенитных зерен. Время термообработки легированного материала больше, чем углеродистого продукта. Это связано с более низким уровнем теплопроводности, а также с необходимостью растворить легированные карбиды в аустените.

Термическая обработка легированных сталей также имеет особенности. Прогревать их надо медленнее, чем углеродистый металл. Максимальную осторожность стоит проявлять при наличии в составе сплава вольфрама. Температуру подбирают с учетом критических точек стали. Хромистые, ванадиевый, кремнистые и вольфрамовые стали нуждаются в повышенных температурах:

Остужать быстрорежущий инструмент требуется в масле, но если он имеет малое сечение, закалка должна идти на воздухе.

Надо помнить и о том, что любые легирующие добавки, за исключением кобальта, сокращают критическую скорость закалки.

С практической точки зрения это означает, что подавляющее большинство легируемых металлов закаляют на мартенсит в масле. При высоком уровне оптимизирующих включений допускается иногда даже воздушное закаливание. Быстрорежущие стали закаляют практически при температуре плавления, чтобы полнее растворить карбиды в аустените. Избежать окисления и обезуглероживания помогает обработка в соляной ванне, а растрескивание исключают за счет предварительного нагрева до 900-950 градусов.

Такой подогрев ведут в камерных либо шахтных печах. Окончательный прогрев выполняют в электродной печи-ванне. Такую процедуру ведут при 1280-1310 градусах. Длительность выдержки при целевой температуре определяется сечением инструмента, но она не превышает долей минуты.

Даже закаленный быстрорежущий металл может содержать десятки процентов остатка аустенита, потому он недостаточно тверд. Решение этой проблемы — или многократный отпуск, или разовое остужение заготовок до — 80 градусов с дальнейшим отпуском. Отпускают металл при 540-550 градусах, что связано с повышенной красностойкостью мартенсита и стойкостью аустенита. Сверла закаливают и подвергают низкому отпуску, наращивая твердость и сопротивляемость износу.

Низколегированная сталь: состав, марки, свойства, процесс сварки

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

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

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

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

Состав

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

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

Назначение

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

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

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

Свойства и особенности

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

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

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

Классификация легированных сталей

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

Разделение по количеству углерода, содержащегося в сплаве:

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

Разделение по процентному содержанию легирующих добавок:

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

По внутренней структуре легированные стали бывают:

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

По назначения эти материалы можно разделить на две больших группы:

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

Машиностроительные стали бывают:

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

Наименование и маркировка

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

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

Маркировка Элемент

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

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

Низколегированные стали: классификация и применение

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

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

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

Низколегированные стали

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

Низколегированные стали , в свою очередь, разделяют:

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

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

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

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

Низколегированные мартенситные стали

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

Среднеуглеродистые высокопрочные стали

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

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

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

Шарикоподшипниковые стали

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

Хромомолибденовые теплостойкие стали

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

Сварка сплавов

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

Низколегированных

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

Среднелегированных

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

Высоколегированных

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

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

Применение металла

Применяются низколегированные стали в разных направлениях промышленности. Область применения:

Изготовление облегченных конструкций из металла.
Корпуса для бытовой техники.
Детали для промышленного оборудования.
Режущие инструменты.

Конструкция из металла

Разница между низколегированной сталью и высоколегированной сталью

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

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

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

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

Что такое низколегированная сталь?

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

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

Некоторые преимущества низколегированной стали:

Предел текучести выше
Высокий предел прочности
Более высокая стойкость к окислению и коррозии
Низкий порог хладноломкости

Что такое высоколегированная сталь?

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

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

В чем разница между низколегированной сталью и высоколегированной сталью?

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

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

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

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

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

Читайте также: