Легированные конструкционные стали

Статья рассказывает:

• о классификации и особенностях легированной конструкционной стали;
• компонентах, которые добавляются в состав металлов;
• популярных марках стали;
• преимуществах и недостатках материалов.

Легированная сталь — металл, в составе которого присутствуют специальные добавки, меняющие его механические и физические свойства. За счет присадок материал приобретает ряд особенностей, что расширяет сферу его использования. Легированные конструкционные стали задействуются для производства деталей и механизмов в машиностроении, строительстве и других сферах.

Востребованность материалов в промышленности объясняется рядом характеристик, появившихся за счет добавок, которые улучшили свойства продукции. Легирующие стали различаются по составу и назначению. О том, какие у них есть качества, особенности, преимущества и недостатки, мы расскажем дальше.

Классификация и свойства

Конструкционные стали — группа металлов, которые применяются для производства строительных компонентов, деталей и механизмов для последующего использования в различной технике. Производятся в соответствии с нормативами ГОСТ 4543-71. Отличаются от других металлов хорошей свариваемостью.

Готовые стальные детали подвергаются термической обработке. Требования к прочности, ударной вязкости, пластичности, выносливости, прокаливаемости и другим свойствам определяются назначением изделий и характером нагрузок.

По процентному содержанию углерода легированные стали делятся:

• на низкоуглеродистые — не более 0,25 %;
• среднеуглеродистые — от 0,25 до 0,65 %;
• высокоуглеродистые — от 0,65 %.

Кроме этого, марка стали зависит от общего содержания в составе легирующих элементов. Металл может быть:

• низколегированным (объем добавок не превышает 2,5 %);
• среднелегированным (доля компонентов — не более 10 %);
• высоколегированным (объем добавок — от 10 до 50 %).

На основе структуры материалы подразделяются на следующие классы:

• доэвтектоидные — с высоким содержанием феррита;
• эвтектоидные — отличаются перлитной структурой;
• заэвтектоидные — содержат вторичные карбиды;
• ледебуритные — имеют в структуре первичные карбиды.

По химическому составу сталь делится на три категории:

• качественная;
• высококачественная (маркируется буквой А);
• особо высококачественная (обозначается буквой Ш, производится методом электрошлаковой переплавки металла).

На заметку! Прокат из легированной конструкционной стали может быть горячекатаным, кованым, с особой отделкой поверхности и калиброванным.

На основе термической обработки стальные детали подразделяются на изделия:

• без термообработки;
• с термообработкой;
• негартованные, т. е. произведенные методом проката.

Продукция, которая прошла термическую обработку, маркируется буквами ТО, на негартованных изделиях ставится отметка Н.

Конструкционная сталь также подразделяется на углеродистую и низколегированную повышенной прочности. В составе материалов второй категории содержится не более 5 % специальных примесей. Такой металл используется при строительстве мостов и изготовлении каркасов высотных зданий.

Конструкционную сталь, которая задействуется в сфере машиностроения, делят на категории по следующим признакам:

• химический состав — углеродистая и легированная, т. е. хромистая и хромоникелевая;
• способ изготовления — деформируемая и линейная;
• условия работы — конструкционная, нержавеющая, жаропрочная, износостойкая;
• содержание углерода — низкоуглеродистая цементуемая с объемом вещества в пределах 0,1–0,25 % и улучшаемая — 0,25–045 % (для производства рессор и пружин нужен металл с содержанием углерода 0,5–0,65 %);
• уровень легированности — низко-, средне-, высоколегированная; содержание специальных добавок — до 5 %, от 5–10 %, до 10 % и свыше 10 % соответственно.

Изделия, произведенные из конструкционной стали, как правило, подвергают термической обработке. При выполнении дополнительных процедур учитывается назначение продукции, а также нагрузки, которым она будет подвергаться. На основе перечисленных характеристик формируются требования к прочности, ударной вязкости, пластичности, свариваемости, выносливости изделий.

Легирующие компоненты

Механизмы, детали и конструкции, используемые в промышленности и строительстве, должны всецело соответствовать нормативам по прочности. Поэтому для их производства подбирают материалы с подходящими характеристиками. Легированная конструкционная сталь — оптимальный вариант, поскольку она обладает нужными физическими, химическими и механическими свойствами. Отлично справляется с постоянными и переменными нагрузками, устойчива к износу и коррозии. Дополнительно легирование позволяет придавать материалам ряд новых свойств.

Обычный металл производится из железа, углерода и примесей. При легировании в его состав вводятся дополнительные компоненты: хром, никель, ниобий, кремний, ванадий. Довольно часто добавляют молибден и алюминий. Для увеличения прочностных характеристик материала в состав примесей включаются частицы титана.

Отдельные вещества, например медь и кремний, которые присутствуют в составе обычных конструкционных металлов можно именовать легирующими. Кроме них в стали может содержаться сера и раствор. Однако специалисты считают, что данные компоненты являются примесями, а не легирующими веществами, поскольку они связаны с чистотой исходного материала или особенностями процесса плавки. Другими словами, сталь, которая выплавляется без меди, фосфора и серы, по свойствам ничем не отличается от образцов, где перечисленные компоненты присутствуют. Тогда как легирование существенно улучшает некоторые технические показатели материалов.

В составе конструкционной стали есть медь, железо, марганец и другие компоненты. Однако ключевую роль среди всех добавок играет углерод. Именно он придает металлу необходимую прочность и другие важные свойства. От содержания углерода в составе стали зависит хладноломкость, стойкость к нагрузкам и другим внешним воздействиям.

Конструкционные материалы подразделяются на классы на основе состава: чем больше содержание фосфора и серы, тем ниже показатель хладноломкости и красноломкости сплава. С учетом объема перечисленных компонентов металлы делятся на 4 группы:

• обыкновенного качества (добавок до 0,05 %);
• качественные (до 0,035 %);
• высококачественные (до 0,025 %);
• особо качественные (до 0,015 %).

Конструкционные стали отличаются высокой прочностью, поскольку подвергаются специальной термической обработке. За счет легирования марганцем материалы получают цементирующий эффект и могут выдерживать большие нагрузки. Подобные сплавы используются для производства деталей и конструкций, играющих важную роль в различных механизмах. Но в случае превышения допустимого объема добавок свойства материалов снижаются, а хрупкость увеличивается.

Популярные марки

Легированные конструкционные стали бывают разных марок, поэтому требуют индивидуального обозначения. В России эти нормы определены ГОСТом. По маркировке покупатель может узнать все необходимое о составе сплава и сфере применения продукции.

Обозначение выполняется в цифро-буквенном варианте. Сначала ставится двузначное число, указывающее на содержание углерода в десятых долях процента. Далее следует буква, определяющая использованный легирующий компонент. Например, в металле марки 12Х2Н4А содержится 0,12 % углерода, 2 % хрома, 4 % никеля. Сталь считается высококачественной, на что указывает буква А. Последней ставится цифра, отражающая содержание добавок в сплаве в процентном отношении. Но ее не указывают при удельном весе примесей до 1,5 %.

Примеры нескольких маркировок. Р6М5Ф2К8 обозначает быстрорежущую сталь с 8 % кобальта, 5 % молибдена и 2 % ванадия. В составе ХВГ присутствует хром, марганец и вольфрам, доля которых не превышает 1 %.

Также важно учитывать, где применяются легированные конструкционные стали. Одна из самых распространенных марок — 60С2ХА — используется для изготовления рессор и габаритных высоконагруженных пружин. Металл марки 20Х задействуется при выпуске втулок, кулачковых муфт, шпинделей, шлицевых валиков и оправок. Из стали 38ХА производят зубчатые колеса средних скоростей. Металл 40ХС подходит для изготовления небольших деталей высокой прочности. Сталь 35ХМ — оптимальный вариант для выпуска турбинных двигателей, крепежных компонентов и валов, способных выдерживать воздействие сверхвысоких температур.

Рессор

сталь 38ХА

Преимущества и недостатки

Для придания определенных свойств металл подвергают термической обработке. На выходе конструкционная сталь получает следующие характеристики:

• устойчивость к пластичным деформациям;
• способность к сильному прокаливанию;
• хороший запас вязкости;
• высокая степень хладноломкости;
• устойчивость к появлению трещин и короблению, которая достигается за счет использования мягких охладителей в процессе термической обработки.

Для готовых изделий из легированной конструкционной стали характерны следующие особенности:

• долговечность и надежность — существенно увеличивается производительность оборудования;
• устойчивость к коррозии, агрессивным воздействиям внешней среды — кислот, щелочей, резким температурным перепадам, высокой влажности;
• хорошая прокаливаемость;
• стойкость к износу;
• экономичность;
• высокие технологические показатели.

При этом конструкционные стали имеют и недостатки. Материалы склонны к обратимой отпускной хрупкости. В результате термической обработки повышается мягкость металла, утрачивается однородность в области деформирования.

Легирование улучшает такие механические характеристики конструкционных сталей, как прочность и пластичность. Параллельно при введении в состав добавок меняются химические, физические и эксплуатационные свойства. Стоимость сплава при использовании легирующих компонентов существенно возрастает, поэтому их применение должно быть целесообразным.

Услуги по теме:

Лазерная резка алюминия

Подробнее

Лазерная резка меди

Подробнее

Лазерная резка титана

Подробнее