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.
