4.3.2.1 Холодостійкі сталі кліматичного холоду

Низьколеговані холодостійкі сталі широко використовують в будівельних конструкціях, для виготовлення труб магістральних газопроводів, металоконструкцій машин та механізмів, в суднобудуванні та інших галузях. Сталі повинні мати низький поріг холодноламкості, володіти доброю зварюваністю, оброблювальністю тиском та різанням, а у випадку ливарного виконання – добрими ливарними властивостями [6]. Температурна границя їх використання обмежується порогом холодноламкості, який в залежності від металургійної якості сталі та її структури складає від 0 до −60 °С. Ефективними заходами зниження порогу холодноламкості та підвищення надійності роботи є зменшення вмісту вуглецю, створення дрібнозереної структури (розмір зерен 10…20 мкм), зниження вмісту шкідливих домішок та їх нейтралізація добавками рідкоземельних металів, а також ванадію, ніобію, титану, легування нікелем, який ефективно знижує поріг холодноламкості (див. рис. 1.1, в) та використання термічного зміцнення [5].

В холодостійких сталях, що зварюються, вміст вуглецю повинен бути меншим за 0,2 % та в структурі повинно бути мало перліту (малоперлітні сталі). Вважають, що збільшення в сталі вмісту вуглецю на кожні 0,1 % підвищує поріг холодноламкості на 20 °С.

Різко негативний вплив на холодноламкість має фосфор, сірка, розчинені гази: кисень, азот, водень.

Із збільшенням вмісту сірки зростає кількість сульфідних включень, що слугують концентраторами напружень. Збільшення вмісту сірки на 0,01 % підвищує поріг холодноламкості приблизно на 15 °С.

Окрихчуючий вплив фосфору виявляється в збагаченні ним міжзерених ділянок завдяки сильній ліквації, а також через утворення концентраторів напружень – фосфідної евтектики. При збільшенні вмісту вуглецю окрихчуючий вплив фосфору зростає. Збільшення вмісту фосфору на 0,01 % для ливарної сталі 35Л підвищує критичну температуру крихкості приблизно на 20 °С. Шкідливий вплив фосфору може бути суттєво стриманий за рахунок легування молібденом.

Сірка та фосфор також можуть сегрегувати на міжфазних межах «карбід-матриця», що призводе до дрібноямкового руйнування із низькою локальною пластичністю та енергоємністю. Сегрегація сірки та фосфору на внутрішньозеренних поверхнях поділу ослаблює когезійну міцність субграниць, що також сприяє крихкому руйнуванню.

Для отримання потрібних властивостей сталей є доцільним використання комплексного легування. При цьому необхідно враховувати й економічний бік питання. Так, внаслідок дефіцитності та високої вартості нікелю та молібдену, використання цих елементів для легування сталей із ферито-перлітною структурою є обгрунтованим лише у випадку виготовлення найбільш відповідальних виробів.

При виборі легувальних елементів слід також враховувати їх взаємну розчинність, намагатися використовувати комбінації, в яких елементи взаємно посилюють свій позитивний вплив. Ефект від їх сумісного впливу повинен перевищувати суму ефектів від введення кожного елементу окремо. Найкращим чином використовувати з цією метою необхідно легувальні елементи, що здатні утворювати тверді взаємні розчини (хром, нікель, кремній, марганець, молібден, ванадій, мідь). В цьому випадку посилюється стійкість твердого розчину та підвищується його міцність [6].

Сталі звичайної якості (спокійні, напівспокійні та киплячі) – використовують для різноманітних виробів, що працюють під тиском. Мінімальна робоча температура цих сталей без спеціальної обробки обмежується −20 °С, а в киплячих сталях знаходиться в межах від 0 до −10 °С, оскільки в них поріг холодноламкості на 10…20 С вищий, ніж в спокійних.

Комплексом заходів (поліпшення металургійної якості, подрібнення зерна, мікролегування) вдається знизити допустиму температуру експлуатації цих дешевих сталей до –50 С. Хоча вартість сталі при цьому збільшується, але все ж таки є нижчою за вартість легованих сталей. При використанні сталей при температурах нижче 0С є необхідним опрацювання конструкції деталі – усунення небезпечних концентраторів, використання тонкостінних елементів, в яких полегшені температурні деформації. Для крупних конструкцій використовують зварювальні низьколеговані сталі підвищеної міцності 09Г2С, 14Г2АФ та ін. Крім низьковуглецевих сталей використовують середньовуглецеві поліпшувальні та ресорно-пружинні сталі 45, 40Х, 65Г, 60С2А. Мінімальною робочою температурою для них є −50С.

Нікелеві сталі мають кращу холодостійкість: так, сталі 12ХН3А та 18Х2Н4МА після термічного поліпшення використовують до температури -196 °С [5].

В табл. 4.16 та 4.17 вказані основні марки деформівних та ливарних холодостійких сталей кліматичного холоду та галузі їх використання.

Таблиця 4.16 – Конструкційні деформовні низьколеговані сталі для зварних конструкцій північного виконання та основні галузі їх використання [6]

Марка сталі	Призначення та галузь використання
Конструкційні вуглецеві якісні сталі
Сталь 08	Шайби, патрубки, прокладки та інші невідповідальні деталі, до яких висуваються вимоги щодо високої пластичності (−40…450 °С)
Сталь 10	Деталі, до яких висуваються вимоги щодо високої пластичності (−40…450 °С); після ХТО повинні мати високу поверхневу твердість при невисокій міцності серцевини
Сталь 15	Болти, гвинти, гаки та ін. деталі, до яких висуваються вимоги щодо високої пластичності (−40…450 °С); після ХТО – важелі, кулачки, гайки та ін. деталі з високою поверхневою твердістю та високою міцністю серцевини
Продовження табл. 4.16
Сталь 20	Вироби після нормалізації або без термічної обробки – гаки, крани, муфти, вкладиші вальниць (−40…450 °С)
Конструкційні низьколеговані сталі для зварних конструкцій
09Г2	Стійки ферм, верхні обв’язки вагонів, хребтові балки, двотаври та ін. деталі вагонобудування, деталі екскаваторів, елементи зварних конструкцій та ін. деталей (−40…450 °С)
16ГС	Фланці, корпуси та ін. деталі (−40…450 °С під тиском); елементи зварних металоконструкцій (від −70 °С)
17ГС	Корпуси апаратів, днища, фланці та ін. зварні деталі, що працюють під тиском (−40…450 °С)
17ГС1	Зварні деталі, що працюють під тиском (−40…450 °С)
09Г2С	Різноманітні деталі та елементи зварних металоконструкцій (−40…450 °С під тиском)
16Г2АФ	Металоконструкції, зварні ферми для виробів машинобудування
14ХГС	Зварні конструкції, листові клапанні конструктивні деталі
10ХСНД	Елементи зварних металоконструкцій та різноманітні деталі, до яких висуваються вимоги щодо підвищеної міцності, корозійної стійкості з обмеженням маси (−40…450 °С)
15ХСНД	Те ж саме
35ГС	Для виготовлення арматури періодичного профілю класу А-ІІІ діаметром від 6 до 40 мм
25Г2С	Те ж саме

Таблиця 4.17 – Призначення марок сталей для холодостійких відливок [6]

Марка сталі	Призначення
08Г2ДНФЛ	Крупногабаритні корпусні відливки, верхні частини рам кар-терів, литі деталі екскаваторів високої вантажопідйомності та інші деталі підвищеної міцності, що зварюються
Продовження табл. 4.17
12ХГФЛ	Відповідальні литі деталі тракторів, зварно-литі конструкції
20ГЛ, 20ФТЛ	Відповідальні литі деталі автозчепного устаткування та візки вантажних вагонів
14Х2ГМРЛ, 20ХГСФЛ, 25Х2НМЛ	Відповідальні зварно-литі конструкції великих перерізів кар’єрних та крокуючих екскаваторів
35ХМФЛ, 35ХМЛ	Відповідальні литі деталі гірничометалургійного обладнання
27ХН2МФЛ	Суцільнолиті зубці та елементи їх кріплення (скоби, клини) одноківшових екскаваторів
27ХГСНМДТЛ	Наконечники спушувачів мерзлих ґрунтів, опорні катки важ-ких бульдозерів, шестерні, зірочки гусеничних машин та ін.
30ГЛ, 30ХЛ	Деталі вантажних вагонів
30ХГ2СТЛ	Башмаки гусеничних машин, кутові ножі бульдозерів, кремальєрні шестерні екскаваторів, опорні ролики ланцюгів, робочі органи шахтних машин, важелі, зубчаті колеса
110Г13Л, 110Г13ХБРЛ	Зубці ковшів екскаваторів, гусеничні кільця, робочі органи дробарного обладнання