Открыть сервис
Главная → Блог → Конструкционная легированная сталь

Конструкционная легированная сталь

Конструкционная легированная сталь — это сталь, содержащая специально введённые легирующие элементы (хром, никель, марганец, молибден, ванадий, кремний, бор и другие) в количествах, превышающих обычное содержание примесей, и предназначенная для изготовления деталей машин, механизмов, строительных конструкций и других изделий, работающих под нагрузкой. Основное отличие от углеродистых конструкционных сталей — повышенная прочность, прокаливаемость, износостойкость, а также возможность получения специальных свойств (коррозионной стойкости, жаропрочности, хладостойкости) за счёт легирования.

История

Первые опыты по легированию стали относятся к началу XIX века, когда английский металлург Роберт Мюшетт в 1868 году запатентовал вольфрамовую быстрорежущую сталь. Однако систематическое применение легированных сталей для конструкционных целей началось в конце XIX — начале XX века с развитием машиностроения и потребностью в материалах, способных выдерживать большие нагрузки и работать в агрессивных средах. В 1910-х годах в США и Европе начали производить хромоникелевые стали, которые сочетали высокую прочность с вязкостью. В СССР в 1930-х годах под руководством учёных (А. А. Бочвар, Н. Т. Гудцов, И. А. Одинг) была разработана система маркировки легированных сталей, основанная на обозначении химических элементов русскими буквами. В послевоенные годы активно развивались стали с микролегированием — добавками ниобия, ванадия, титана в небольших количествах (0,01–0,1 %), что позволило существенно повысить прочность при сохранении свариваемости.

Классификация

Конструкционные легированные стали классифицируют по нескольким признакам:

По химическому составу

  • Низколегированные — сумма легирующих элементов до 2,5 % (например, 09Г2С, 15ХСНД). Используются в строительстве, мостостроении, для сварных конструкций.
  • Среднелегированные — от 2,5 до 10 % (например, 40Х, 30ХГСА). Применяются в машиностроении для деталей, работающих при умеренных нагрузках.
  • Высоколегированные — более 10 % (например, 12Х18Н10Т, 20Х13). Относятся к специальным сталям (нержавеющие, жаропрочные), но часть из них также используется как конструкционные.

По назначению

  • Строительные — для металлоконструкций зданий, мостов, опор ЛЭП. Основные требования: хорошая свариваемость, высокая прочность при статических нагрузках, хладостойкость. Примеры: 09Г2С, 15ХСНД, 14Г2АФ.
  • Машиностроительные — для деталей машин (валы, шестерни, оси, шатуны, пружины). Требования: высокая прочность, износостойкость, усталостная прочность. Примеры: 40Х, 40ХН, 30ХГСА, 38ХМЮА.
  • Арматурные — для железобетонных конструкций (стержни, сетки). Примеры: 25Г2С, 35ГС.
  • Рессорно-пружинные — для упругих элементов. Примеры: 60С2А, 50ХГА.

По качеству

  • Обыкновенного качества — с содержанием серы и фосфора до 0,05 %.
  • Качественные — до 0,035 % каждого.
  • Высококачественные — до 0,025 %.
  • Особовысококачественные — до 0,015 %, выплавляются электрошлаковым переплавом.

Маркировка

В России и странах бывшего СССР действует буквенно-цифровая система маркировки, установленная ГОСТ 4543-2016. Первые две цифры указывают среднее массовое содержание углерода в сотых долях процента (например, 40 — 0,40 % C). Далее следуют буквы, обозначающие легирующие элементы (Х — хром, Н — никель, М — молибден, В — вольфрам, К — кобальт, Т — титан, Ю — алюминий, С — кремний, Г — марганец, Ф — ванадий, Р — бор, Б — ниобий, Ц — цирконий, Д — медь, А — азот). Цифры после буквы указывают среднее содержание элемента в процентах (если цифра отсутствует, содержание около 1 %). Буква «А» в конце марки означает высококачественную сталь (с пониженным содержанием серы и фосфора). Примеры:

  • 40Х — 0,40 % C, около 1 % Cr.
  • 30ХГСА — 0,30 % C, 1 % Cr, 1 % Mn, 1 % Si, высококачественная.
  • 12Х18Н10Т — 0,12 % C, 18 % Cr, 10 % Ni, с добавкой Ti.
  • 09Г2С — 0,09 % C, около 2 % Mn, около 1 % Si.

Характеристики и свойства

Легирующие элементы изменяют структуру и свойства стали:

  • Хром повышает прокаливаемость, твёрдость, износостойкость, коррозионную стойкость (при содержании >12 %).
  • Никель увеличивает прочность, вязкость, хладостойкость, уменьшает склонность к хрупкому разрушению.
  • Марганец (до 1,5 %) повышает прочность и прокаливаемость, но при избытке снижает вязкость.
  • Молибден улучшает прокаливаемость, повышает жаропрочность и сопротивление отпускной хрупкости.
  • Ванадий образует карбиды, измельчает зерно, повышает прочность и износостойкость.
  • Кремний (до 1,5 %) увеличивает упругость и прочность, используется в пружинных сталях.
  • Бор в микродозах (0,001–0,005 %) резко повышает прокаливаемость.

Механические свойства легированных сталей после термической обработки могут достигать предела прочности 1000–2000 МПа (у высокопрочных марок), при этом сохраняется достаточная вязкость. Твёрдость по Бринеллю (HB) варьируется от 150–200 (в отожжённом состоянии) до 500–600 (после закалки и отпуска).

Термическая обработка

Для достижения требуемых свойств конструкционные легированные стали подвергают термической обработке:

  • Отжиг — нагрев до 800–900 °C, медленное охлаждение (с печью) для снятия внутренних напряжений, улучшения обрабатываемости резанием.
  • Нормализация — нагрев выше критических точек, охлаждение на воздухе. Применяется для низколегированных сталей (09Г2С, 15ХСНД) для улучшения структуры и повышения прочности.
  • Закалка — нагрев до 850–950 °C (в зависимости от состава), быстрое охлаждение в масле, воде или полимере. Формирует мартенситную структуру, обеспечивающую высокую твёрдость.
  • Отпуск — нагрев закалённой стали до 150–650 °C, выдержка, охлаждение. Низкий отпуск (150–250 °C) сохраняет высокую твёрдость, средний (350–500 °C) даёт оптимальное сочетание прочности и вязкости, высокий (500–650 °C) — максимальную вязкость.
  • Цементация — поверхностное насыщение углеродом (для сталей с низким содержанием углерода, например 20Х), затем закалка и отпуск. Используется для деталей, работающих на износ (шестерни, кулачки).

Применение

Конструкционные легированные стали широко используются в промышленности:

Преимущества и недостатки

Преимущества:

  • Возможность получения широкого спектра свойств (прочность, вязкость, износостойкость, коррозионная стойкость) за счёт варьирования состава и термообработки.
  • Высокая прокаливаемость — возможность закалки деталей большого сечения.
  • Улучшенная обрабатываемость давлением и резанием по сравнению с высокоуглеродистыми сталями.

Недостатки:

  • Более высокая стоимость по сравнению с углеродистыми сталями из-за дорогих легирующих элементов (никель, молибден, ванадий).
  • Склонность к отпускной хрупкости (особенно у хромомарганцевых сталей) при неправильном режиме отпуска.
  • Сложность сварки — требуется предварительный подогрев и последующая термообработка для снятия напряжений.
  • Повышенная чувствительность к концентраторам напряжений (надрезы, царапины) при высоких прочностях.

Интересные факты

  • Сталь марки 30ХГСА (хромансиль) широко применялась в авиации СССР в 1930–1950-х годах, в том числе для изготовления лонжеронов крыльев истребителей Ла-5 и Ла-7.
  • Микролегирование стали бором (0,001–0,003 %) позволяет снизить содержание более дорогих элементов (никеля, молибдена) при сохранении прокаливаемости.
  • Высокопрочные легированные стали (например, 40ХН2МА) после закалки и низкого отпуска могут достигать предела прочности до 2000 МПа, что сравнимо с прочностью некоторых титановых сплавов.

Источники

  • ГОСТ 4543-2016 «Прокат из конструкционной легированной стали. Технические условия».
  • ГОСТ 19281-2014 «Прокат из стали повышенной прочности. Общие технические условия».
  • Марочник сталей и сплавов / под ред. В. Г. Сорокина. — М.: Машиностроение, 1989.
  • Металловедение и термическая обработка стали / А. П. Гуляев. — М.: Металлургия, 1977.
  • Конструкционные материалы: справочник / под ред. Б. Н. Арзамасова. — М.: Машиностроение, 1990.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →

Похожие материалы