Легована сталь: особливості, класифікація та характеристики

У століття надлишкового виробництва хіба що дитина не знає, що існує легована сталь. Але часто відбувається підміна понять і багато хто вважає, що єдиною перевагою такого матеріалу є його висока антикорозійна стійкість. Насправді, крім нержавіючої сталі, існує колосальна кількість сплавів, що містять легуючі добавки і мають різні механічні та експлуатаційні характеристики. Ну а тепер все по порядку.

Леговані сталі: визначення і класифікація

Леговані сплави мають непростий склад на основі заліза і вуглецю й утримують різні хімічні елементи, які впливають на структурні перетворення металів на молекулярному рівні. Процентний вміст таких добавок і організація процесу розкислення, легування і модифікації сталей визначають їх фізико-хімічні властивості.

Цікавий факт. Початком масового виробництва немагнітних сплавів вважається виплавка сталі англійцем Робертом Гадфільдом ​​в кінці XIX століття. Звичайно, людство і раніше знало, що таке легована сталь, але організувати потокове виробництво і оцінити всі переваги її застосування люди змогли тільки в епоху глобальної індустріалізації і, на жаль, з появою нових військових технологій. Завдяки високому опору зносу і ударних навантажень сталь Гадфільда ​​аж до середини XX століття стає найбільш використовуваним сплавом для виробництва залізничних хрестовин, танкових траків, піхотних шоломів і навіть тюремних грат. Вона й зараз застосовується при виготовлені зубців ковшів екскаваторів та інших елементів техніки, що піддаються ударним й стираючим навантаженням під час їх експлуатації.

Відмінності від вуглецевих сталей

Будь-яка сталь містить залізо і вуглець. Причому зміст останнього може становити 0,02 – 2,14% і безпосередньо визначає його властивості і марку. Він підвищує твердість і міцність, але при збільшенні концентрації знижує пластичність. Збільшує ріжучу здатність, електричний опір і коерцитивну силу. Знижує температуру плавлення і щільність.

Звичайні вуглецеві стали, також як й леговані, можуть містити кремній, марганець, мідь, сірку, хром, фосфор, водень, азот і алюміній, тільки їх кількість значно нижча. При цьому Si і Mn вводяться для поліпшення показників міцності та фізико-хімічних властивостей. Інші речовини потрапляють в розплавлену сталь з шихти або пічних газів і відповідно вважаються домішками. Деякі з них (наприкад, сірка й фосфор) є постійними шкідливими домішками. При виплавленні легованих сталей їх властивості формуються за рахунок цілеспрямованого введення модифікуючих елементів.

Легуючі добавки

Найбільш поширеними елементами, що використовуються для поліпшення фізичних, хімічних та механічних властивостей сталей є: хром, марганець, нікель, кремній, вольфрам, молібден, ванадій, титан, мідь, кобальт, алюміній, бор, ніобій, цирконій та інші. Але, незважаючи на такий великий список, все ж найбільш використовуються лише кілька з перерахованих вище елементів.

Позначення в маркуванні СНГ

Чим відрізняються вуглецеві сталі від легованих?

Матеріал ділиться на безліч категорій. Сьогодні розглянемо відмінність між вуглецевими та легованими сталями. Хоча обидва типи сталей мають унікальні властивості та застосування, розуміння їхніх відмінностей критично важливе для вибору правильного матеріалу для конкретних потреб.

Вуглецева сталь

Вуглецева сталь – класичний вибір у багатьох галузях промисловості завдяки своїй доступності та ефективності. Основним компонентом, що визначає її властивості, є вуглець, вміст якого коливається від 0,05% до 2,1% за вагою. Це безпосередньо впливає на її властивості та класифікацію на низько-, середньо- і високовуглецеві сталі. Відсоток цього компонента також впливає на твердість матеріалу. Однак зі збільшенням вмісту вуглецю збільшується і крихкість сталі, що може знижувати її пластичність і ударну в’язкість. До того ж вуглецеві сталі мають обмежену корозійну стійкість, що унеможливлює їх застосування в агресивних середовищах.

Один з популярних прикладів вуглецевої інструментальної сталі – У8А, відома своєю хорошою ковкістю і здатністю до заточування. Це робить її ідеальною для виготовлення ріжучого інструменту і холодної зброї. Вуглецева сталь У8А, володіє відмінними робочими характеристиками за умови правильної термічної обробки та використання.

Леговані сталі

Леговані сталі містять один або кілька легуючих елементів, крім вуглецю, які додаються в процесі виробництва для надання сталі певних властивостей. Елементи, такі як хром, нікель, молібден, ванадій і титан, можуть значно поліпшити міцність, твердість, стійкість до корозії та високотемпературні властивості сталі.

Легування дає змогу створювати сталі зі специфічними характеристиками, адаптованими під конкретні умови експлуатації. Наприклад, додавання хрому збільшує стійкість сталі до окислення і корозії. Вона може бути використана в умовах високої вологості або агресивних хімічних середовищах.

Прикладом легованої сталі може слугувати 09Г2С, яка завдяки низькому вмісту вуглецю і додаванню марганцю і кремнію має гарну зварюваність і стійкість до низькотемпературних впливів. Це робить її популярною в будівництві, особливо при зведенні конструкцій, схильних до впливу низьких температур.

Для інструментів, що працюють в умовах високих навантажень і вимагають особливої зносостійкості, часто вибирають інструментальну сталь 9ХС. Ця марка забезпечує відмінну твердість і стійкість до деформацій навіть при інтенсивному використанні.

У сегменті високоміцних і зносостійких інструментів також виділяється Х12МФ, що містить молібден і ванадій, що забезпечує їй високу твердість і здатність зберігати ріжучі властивості за високих температур.

Вибір між вуглецевою і легованою сталлю залежить від вимог до міцності, корозійної стійкості, ударної в’язкості та інших умов проєкту. Вуглецеві сталі, як правило, дешевші та кращі для загальних конструкційних застосувань, де не потрібні особливі властивості матеріалу. З іншого боку, леговані сталі, попри вищу вартість, пропонують розширені можливості для спеціалізованих застосувань, як-от високоміцні компоненти в авіаційній та енергетичній галузях, а також у виробництві інструментів і обладнання для роботи в екстремальних умовах.

Вуглецева сталь: класифікація, маркування, застосування

Перерахувати всі марки сталі, які випускає сучасна металургія можливо, але складно. Однак, незважаючи на великий перелік високоміцних сплавів і економнолегованих сталей, невисока ціна та універсальні механічні та технологічні властивості вуглецевої сталі як і раніше обумовлюють її масове виробництво і різноманітне застосування в інжинірингу, енергетиці, агрокомплексі й так далі.

Що таке вуглецева сталь

Почнемо з визначення. Вуглецева сталь – це сплав, отриманий за рахунок з’єднання заліза з вуглецем (С до 2,14%) і який містить у невеликій кількості марганець, кремній, а також перехідні з шихти сірку, нікель, хром, мідь і інші домішки. Її головною і визначальною основні властивості складовою є вуглець, а концентрація домішок мала і не має значного впливу на ключові характеристики проміжного і кінцевого продукту. Може поставлятися з нормальним і підвищеним вмістом марганцю.

У таких сталей висока критична швидкість загартування і невелика прогартівність. Вони мають низьку стійкість проти відпуску, невисоку теплостійкість й електропровідність. Під впливом зовнішніх факторів схильні до іржавіння та в них неможливо домогтися поєднання високої міцності й твердості з хорошою пластичністю.

Класифікація за вмістом вуглецю

Основні властивості вуглецевих марок визначаються кількісним вмістом C. Чим вища його концентрація у сплаві, тим кращі показники міцності, але в той самий час його збільшена концентрація негативно відбивається на параметрах пластичності та зварюваності, тому класифікація сталі за змістом вуглецю є базовою. Згідно з цим принципом їх поділяють на такі підкатегорії.

Низьковуглецева сталь

Для цієї групи сталей властиво вкрай низька наявність вуглецю у складі – всього в межах 0,025. 0,25%. Завдяки цьому вона прекрасно зварюється усіма видами зварювання, не схильна до відпускної крихкості та флокенонечутлива. Після термообробки значно підвищує свою міцність, але може також легко втратити її при наступному нагріванні. Застосовується, як правило, в малонавантажених деталях, для виготовлення несучих і ненесучих елементів зварних металоконструкцій і збірних каркасів, а також у виробах, що піддаються хіміко-термічній обробці (азотуванню, цементації, нітроцементації та ін.).

Середньовуглецева сталь

Її відрізняє середня масова частка вуглецю в інтервалі від 0,25 до 0,6%. Сталі з таким вмістом C мало флокеночутливі, але схильні до підгартовування. Це викликає деякі труднощі при їх зварюванні й обумовлює необхідність застосування попереднього або супутнього прогріву металу оброблюваних виробів.

Високовуглецева сталь

В її складі на частку вуглецю припадає 0,6. 2,14 відсотка. І через те, що даний хімічний елемент у сталі зазвичай знаходиться у вигляді цементиту (карбіду заліза Fe₃С), то зі збільшенням його вмісту твердість, міцність й пружність підвищуються, але параметри пластичності й опору удару знижуються, а також більше проявляються схильність до старіння і холодноламкості. Відповідно, така вуглецева сталь властивості зварюваності має дуже низькі та вкрай погано обробляється.

Класифікація вуглецевих сталей за ступенем розкислення

В результаті реакцій, що відбуваються в рідкому металі під час плавки, в сталевому розплаві знаходиться більша кількість газів. В основному це кисень, водень, азот, монооксид вуглецю і продукти вторинних реакцій, а їх присутність і характер розподілу в затверділому металі негативно впливають на його хімічну і структурну однорідність і погіршує окремі властивості: межа міцності, ударну в’язкість, міцність від утоми, пластичність та ін.

Дегазація і частково десульфорація сталі здійснюється під час процесу розкислення у сталеплавильному агрегаті, у виливницях та на установках «ківш-піч» під впливом сильнодійних розкисників, які вводять навмисно. Для вуглецевих марок такими компонентами найчастіше виступають кремній та алюміній. Вони є сильними відновниками по відношенню до FeO, активно створюють з’єднання з H₂, N₂ і CO, змінюють склад і кількість газів, що виділяються зі сталі. Марганець також виступає розкислювачем, але є не настільки ефективним як Si та Al. Ще більш глибоку дегазацію можна виконати із застосуванням спеціального обладнання – вакууматора.

При додаванні розкисників до розплаву сталі її охолодження у виливницях відбувається більш спокійно, тобто без бурхливого газовиділення. Це призводить до зниження газових включень і мінімізації концентрації локалізованих навколо них вкраплень сульфідів і неметалевих макро- і микровключень, які підвищують ризики розшарування сталі при прокатці. Відповідно, виходячи з активності процесу дегазації сталі під час її кристалізації вуглецеві сталі виробляються в трьох видах (відповідно до класифікації, прийнятої у стандартах України і СНД).

Спокійні

За рахунок максимального розкислення у них формується щільна, відносно дрібнозерниста і однорідна структура. Тому вони найбільш якісні та відрізняються поліпшеними фізичними, механічними й технологічними властивостями.

Єдиними мінусами спокійних сталей можна назвати:

• підвищену вартість, обумовлену використанням більшої кількості розкислювачів й більш кропітким процесом виробництва;
• занижений вихід готового прокату. Він, як правило, на 10-15 відсотків менше, ніж у киплячих марок.

Киплячі

Мають гірші показники якості, бо відрізняються великою неоднорідністю структури та властивостей. У них набагато вищий поріг холодноламкості, підвищена схильність до утворення тріщин після зварювання. Їх не рекомендується використовувати у конструкціях підвищеного класу надійності та для агрегатів, розрахованих на експлуатацію при низьких температурах. Проте, завдяки меншим витратам при виробництві і втратам при подальшій переробці, такі сталі як і раніше широко використовуються при виготовленні невідповідальних виробів, що експлуатуються в нормальних умовах.

Напівспокійна

Сталі цього виду є частково розкисленими, тому вони характеризуються усередненими показниками якості та основних фізико-механічних властивостей. У порівнянні зі спокійними вони менш затратні у виробництві й дешевше, а у порівнянні з киплячими – більш зручні у обробці та надійні в експлуатації.

Класифікація вуглецевих сталей за якістю

Ця система, також прийнята на основі вітчизняних стандартів ДСТУ та ГОСТ, передбачає поділ за способом виплавки, від якого залежить якість металу, і тут основним критерієм виступає кількість сірки (S) і фосфору (P). Такий принцип класифікації дає можливість точно регламентувати нормовані показники сплавів, виходячи з умов застосування й вимог, що висуваються до них.

Щоб зрозуміти навіщо та як класифікуються вуглецеві сталі за якістю, досить згадати, що на їх структурну й хімічну однорідність впливає наявність неметалічних включень, обумовлених присутністю сполук S і P. Сірка сприяє червоноламкості, провокує утворення тріщин при зварюванні та знижує ударну в’язкість, а фосфор збільшує холодноламкість з одночасним зміцненням. Таким чином, чим більше таких домішок містить сталь, тим активніше проявляється негативний вплив цих елементів.

Вуглецеві сталі звичайної якості

У їх складі на частку вуглецю припадає не більше 0,49%, на сірку і фосфор – не більше відповідно 0,050% і 0,040%. Можуть вироблятися у сталеплавильних агрегатах будь-якого типу. Поставляються з хімічним складом згідно ДСТУ 2651/ГОСТ 380 у вигляді різноманітних фасонних профілів, гарячекатаних прутків, дроту, листів, смуг і поковок.

Зазвичай прокат з таких сталей поставляється в гарячекатаному або холоднокатаному стані, але для отримання певних властивостей може піддаватися різним термообробці. Хоча, з причини відсутності значної кількості легуючих елементів в складі сплаву, занадто значного приросту властивостей вона не дає.

Хімічний склад вуглецевих сталей звичайної якості за ДСТУ 2651/ГОСТ 380

Масова частка основних компонентів у відсотках

Якісні вуглецеві сталі

Містять сірку та фосфор не більше 0,040% і 0,035% відповідно. Гарячекатаний і кований прокат з таких сталей поставляється з хімічним складом і механічними властивостями згідно ДСТУ 7809/ГОСТ 1050 (в частині хімії стандарт також поширюється на напівфабрикати, труби, штампування та інші види металовиробів). Якісні конструкційні сталі також виплавляються у агрегатах будь-якого типу, але тільки у процесі їх виплавки особливо контролюють дотримання всіх технологічних етапів і строго підходять до складу вихідних матеріалів і методів доведення сплаву.

Якісні сталі мають гарну пластичність, витривалість, достатню ударну в’язкість і високу межу плинності. Краще пручаються зносу й після термообробки характеризуються достатньою твердістю поверхневих шарів.

Хімічний склад і механічні властивості деяких марок вуглецевої конструкційної якісної сталі за ДСТУ 7809/ГОСТ 1050

Хімічний елемент/

Хімічний склад у ковшового пробі,%

Механічні властивості*

П римітка: * Механічні властивості сталей оцінюють за результатами проведених випробувань на зразках. Отримані характеристики необхідні при розробці технологічних режимів, розрахунку та проектуванні елементів обладнання, контроль якості металовиробів.

Класифікація за призначенням

Дані про те, якими за якістю виробляють вуглецеві конструкційні сталі, дозволяють об’єктивно оцінити властивості та якісні показники кінцевої металопродукції. Але щоб при виробництві виробів, напівфабрикатів, комплектуючих, запасних частин і конструкцій виробники змогли забезпечити їм належний рівень технологічності, надійності й безпеки, необхідно керуватися тим, де, як та у якому вигляді буде використовуватися сталь вуглецева. Для цього її в системі стандартів України та СНД класифікують на дві наступні підгрупи.

Конструкційні

Велика група, що включає марки сталі, що використовуються для металоконструкцій, деталей і комплектуючих механізмів, пристроїв, предметів побуту. Вони повинні добре чинити опір удару і оброблятися, відрізнятися оптимальним співвідношенням достатньої міцності, пластичності й довговічності. За якісними ознаками конструкційні вуглецеві сталі містять марки звичайної якості і якісні. Обираються з урахуванням параметрів міцності у широкому сенсі, а також глибини прогартівності, величини ударної в’язкості та зносостійкості й ін.

Інструментальні

Широко застосовуються для штампового оснащення, ручного і механічного різального інструменту, дуже обмежено – для вимірювального. Поставляються з хімічним складом згідно ДСТУ 3833/ ГОСТ 1435 і використовуються переважно у термообробленому вигляді.

Інструментальна вуглецева сталь склад основних хімічних елементів має схожий з конструкційними марками. Тільки зазвичай в їх складі 0,65. 1,35% вуглецю, а на частку сірки і фосфору припадає не більше 0,028 і 0,030% у разі якісних сталей та не більше 0,018% і 0,025% для високоякісних відповідно. Відрізняються підвищеними характеристиками міцності параметрами, твердістю, а також хорошою зносостійкістю і стійкістю до малих пластичних деформацій. Їх зовнішні шари добре прогартовуються, при цьому серцевина зберігає відносну в’язкість, перешкоджаючи передчасному руйнуванню інструмента.

Особливості маркування вуглецевих сталей

На цей час єдина міжнародне маркування металевих сплавів відсутня, і кожна країна/регіон використовує як власні, так і світові міждержавні системи. Як правило, вони ґрунтуються або на хімічному складі, або на призначення сплаву із зазначенням гарантованого рівня основних властивостей.

В Україні, як і в інших країнах-учасницях СНД, при замовленні металопродукції, у проектно-конструкторській та іншій документації маркування вуглецевих сталей виконується за першим принципом з використанням буквено-цифрової системи. Причому літерним скороченням «Ст» прийнято позначати сталі звичайної якості, а наступні цифри від 0 до 6 – це номер сплаву, умовно присвоєний на основі складу хімічних елементів. Для маркування якісних сталей використовують двозначні номери, порядок яких говорить про усереднену кількості вуглецю у сотих частках відсотків.

Для позначення ступеня розкислення після номера прописують відповідні індекси – кп (кипляча), пс (напівспокійна), сп (спокійна). У разі, якщо в складі знаходиться збільшена масова частка марганцю (від 0,80% і вище), то після цифрового позначення ставиться буква «Г». Разом з тим наявність літери «А» у маркуванні вказує, що вуглецева сталь відрізняється хорошою оброблюваністю. Такі сплави часто називають автоматними, бо вони відмінно зарекомендували себе при серійному виробництві деталей, де використовується обробка на високошвидкісних металорізальних верстатах з ЧПУ та автоматичних верстатних лініях.

Для позначення інструментальних вуглецевих сталей прийнято використовувати «У» на початку маркування. Після неї традиційно йдуть одна або дві цифри, числовий порядок яких відображає кількість вуглецю в десятих частках відсотків.

Іноді у позначенні вуглецевих сталей після цифрового коду можна побачити й інші буквені позначення. Вони вказують наступне:

• К – котельна сталь. Для неї властива поліпшена стабільність фізико-механічних властивостей і підвищена міцність, що дозволяє використовувати її для газових балонів, елементів теплогенеруючого обладнання і посудин, що працюють під тиском;
• Л – ливарна сталь. Володіє підвищеною рідкоплинністю, бо призначена для виливків.

За правилами Євросоюзу класифікація та маркування вуглецевих сталей більш складні. Так, перша частина EN 10027 регламентує порядок найменування на основі буквено-цифрових позначень виходячи з їх призначення, фізичних і механічних властивостей (перша група) і хімічних властивостей (друга група). EN 10027-2 характеризує порядок присвоєння цифрових кодів, де марки вуглецевої сталі звичайної якості мають номер 1.00ХХ, якісні – 1.01ХХ. 1.09ХХ, інструментальні – 1.15ХХ. 1.18ХХ.

Але в багатьох країнах діють відразу кілька систем. Наприклад, в США сталі маркують, керуючись численними стандартами, але найбільш вживаними є ASTM, AISI, SAE, ASME. Японська система ще недавно широко використовувалася в країнах Південно-Східної Азії, але поступово почався перехід на власні стандарти.

Принцип найменування сталей групи 1 за EN 10027-1

Конструкційні

Для трубопро-водів