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.

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.

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%.

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.

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.

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.