Часть 2 (QNH, SAE-аналоги)
QNH- группа
Стали группы QNH обладают повышенной стойкостью к атмосферной коррозии. Их главная особенность — способность противостоять атмосферной коррозии в 2–8 раз дольше обычной углеродистой стали, что позволяет использовать их без покраски . Секрет долговечности — в химии. В состав добавляют медь (Cu), хром (Cr), никель (Ni) и фосфор (Р). Под воздействием погоды они формируют на поверхности стали плотный защитный слой патины (аморфно-кристаллический оксидно-гидроксидный слой, насыщенный фосфатами и легированный хромом, медью и никелем), который блокирует доступ кислорода и влаги к металлу, останавливая коррозию . Использование сталей QNH-группы приносит значительную экономию на обслуживании, поскольку защитное покрытие не требуется или обновляется крайне редко, расходы на окраску снижаются на 50% и более . Кроме того, отказ от красок и возможность вторичной переработки делают их "зеленым" выбором .
Маркировка и химический состав
Q — первая буква слова «предел текучести» (Qu fu dian), число — минимальный предел текучести в МПа (например, 235, 355, 370, 500), NH (Nai Hou) — атмосферостойкая.
Вот ключевые марки, от начального уровня до высокопрочных:
- Q235NH (начальный уровень)- прочность: 235 МПа; состав (%): C ≤0.13, Si 0.10-0.40, Mn 0.20-0.60, Cu 0.25-0.55, Cr 0.40-0.80, Ni ≤0.65;
- Q355NH (универсальный) - прочность: 355 МПа; состав (%): C ≤0.16, Si 0.20-0.50, Mn 0.20-0.60, Cu 0.25-0.55, Cr 0.30-0.80, Ni 0.12-0.65, Nb 0.010-0.100, V 0.010-0.100, Ti 0.006-0.010, Mo ≤0.10;
- Q370qNH (мостостроение) - прочность: 370 МПа, буква "q" означает "мостовой" (qiao); состав: C ≤0.15, Si 0.15-0.50, Mn 1.10-1.50, Cu 0.25-0.50, Cr 0.40-0.70, Ni 0.30-0.45, Nb 0.010-0.100, V 0.010-0.100, Ti 0.006-0.030, Mo ≤0.10. Микролегирование ниобием, ванадием и титаном измельчает зерно, способствует дисперсионному упрочнению, повышая прочность и ударную вязкость;
- Q500qENH (высокопрочный) - прочность: >500 МПа, класс "E" означает особо высокую ударную вязкость при -40°C; состав: C ≤0.11, Si 0.15-0.50, Mn 1.1-1.50, Cu 0.25-0.55, Cr 0.45-0.70, Ni 0.30-0.45, Nb 0.010-0.100, V 0.010-0.100, Ti 0.006-0.030, Mo ≤0.25. Чтобы достичь высокой прочности, некоторые производители расширяют диапазоны содержания для Mn (до 1.7%),Ni (до 0.8-1.0%),Cr (до 0.8%) и Cu (до 0.75%).
Микроструктура
Микроструктура этих сталей определяется их химическим составом и термической обработкой (состоянием поставки).
Q235NH: феррит+ перлит. Феррит составляет основную матрицу (70-80%), перлит расположен по границам ферритных зерен. Зерно относительно крупное (по сравнению с микролегированными сталями), карбидная фаза представлена в составе пластинчатого перлита. Из-за отсутствия или низкого содержания Nb/V/Ti упрочнение происходит в основном по твердорастворному механизму (Nb, Si).
Q355NH: феррит + перлит (с измельченным зерном). За счет добавления микролегирующих элементов (Nb, V, Ti) и контролируемой прокатки происходит измельчение зерна. Зерно феррита мельче, чем в Q235NH. Перлит более дисперсный (сорбитообразный). Часто наблюдаются выделения карбонитридов Nb/Ti на границах зерен и внутри зерен, препятствующие росту зерна при нагреве.
Q370qNH: состояние поставки — нормализация или термомеханическая обработка (контролируемая прокатка с ускоренным охлаждением, ТМСР). В результате, микроструктура Q370qNH в нормализованном состоянии более однородна, чем у Q355NH и представляет собой совокупность феррита полигонального и перлита мелкодисперсного. После ТМСР наблюдается феррит (с более высокой плотностью дислокаций, чем в нормализованном состоянии), перлит и бейнит.
Q500qENH: состояние поставки - закалка с высоким отпуском или ТМСР с отпуском. После закалки формируется мартенсит и нижний бейнит, а после высокого отпуска (500-600°C) – сорбит отпуска: структура, состоящая из полигонизованного феррита с мелкими округлыми частицами карбидов (цементит и легированные карбиды), равномерно распределенными по телу зерна. После ТМСР сталь имеет структуру бейнита с присутствием полигонального феррита или игольчатого феррита, в зависимости от скорости охлаждения и степени деформации.
Технологичность
Технологичность сталей QNH (в частности, мостовых марок) оценивается как высокая. Они специально разработаны для создания сложных конструкций и сочетают хорошую свариваемость с высокой пластичностью.
Применение
Q235NH: городские ограждения, каркасы зданий, дорожные знаки, уличная мебель.
Q355NH: мосты, несущие конструкции зданий, опоры ЛЭП, мачты, каркасы промышленных цехов.
Q370qNH: специализированная сталь для пролетных строений мостов в сложных условиях.
Q500qENH: уникальные большепролетные мосты, в т.ч. в высокогорных районах.
SAE — аналоги
К этой группе относятся конструкционные легированные стали, регламентируемые китайским стандартом GB/N 3077-2015: 42CrMo (аналог SAE 4140), 35CrMo (аналог SAE 4135), 40CrNiMoА (аналог SAE 4340) и 20CrNiMoА (аналог SAE 8620). Эти стали предназначены для узлов, работающих в условиях экстремальных нагрузок, трения или требующих особых свойств.
Маркировка и химический состав
42CrMo: высокопрочная хром-молибденовая сталь, отличающаяся высокой прокаливаемостью и хорошей ударной вязкостью; состав (%): C 0.38-0.45, Si 0.17-0.37, Mn 0.50-0.80, Cr 0.90-1.20, Mo 0.15-0.25, Ni ≤0.30, Cu ≤0.30, S ≤0.035, P ≤0.035.
35CrMo: по составу близка к 42CrMo, но содержит немного меньше углерода, что обеспечивает более высокую пластичность при сохранении прочности; состав (%): C 0.32-0.40, Si 0.17-0.37, Mn 0.40-0.70, Cr 0.80-1.10, Mo 0.15-0.25, Ni ≤0.30, Cu ≤0.30, S ≤0.035, P ≤0.035.
40CrNiMoА: относится к группе никель-хром-молибденовых сталей. Буква «А» в конце маркировки указывает на высокое качество (повышенные требования к содержанию серы и фосфора, не более 0.025%); состав (%): C 0.37-0.44, Cr 0.90-1.20, Mo 0.15-0.25, Ni 0.50-0.80.
20CrNiMoA: сталь, используемая для цементуемых деталей (с твердой поверхностью и вязкой сердцевиной); состав (%): C 0.18-0.24, Cr 0.70-1.00, Mn 0.5-0.8, Mo 0.15-0.25, Ni 0.50-0.80, Cu 0.25-0.30.
Микроструктура
Хром-молибденовые стали 42CrMo и 35CrMo: в состоянии поставки (горячекатаный или нормализованный прокат) структура обеих сталей типична для доэвтектоидных сталей — феррит + перлит. Однако, у 42CrMo перлита больше, чем у 35CrMo, из-за более высокого содержания углерода, а также возможно наличие ленточной (полосчатой) ликвации — неоднородности химического состава и микроструктуры. Основным эксплуатационным состоянием для деталей из 42CrMo и 35CrMo (валы, шестерни, оси) является состояние после закалки (880°C, охлаждение в масле) высокого отпуска (520°C, охлаждение на воздухе). После закалки и высокого отпуска микроструктура 35CrMo представляет собой сорбит отпуска (мелкодисперсная смесь цементита и феррита) и небольшое количество феррита,
а микроструктура 42CrMo – сорбит отпуска (или троостит отпуска при низком отпуске).
Таким образом, микроструктура 42CrMo характеризуется более высокой дисперсностью и однородностью, что обеспечивает ей более высокую прочность, износостойкость и прокаливаемость, по сравнению с 35CrMo.
Вспомним, что перлит — это смесь двух фаз — феррита (твердый раствор углерода в α-Fe) и цементита (карбид железа — Fe3С). В основном перлит имеет пластинчатую структуру — пластинки феррита чередуются с пластинками цементита. Сорбит и троостит можно назвать разновидностями перлита, отличие состоит лишь в величине межпластинчатого расстояния (суммарная толщина пластинок обеих фаз): в перлите оно от 0,5 до 1,0 мкм, в сорбите 0,2-0,5 мкм, в троостите — 0,1-0,2 мкм.
Никель-хром-молибденовые стали 40CrNiMoА и 20CrNiMoA: микроструктура этих сталей кардинально различается, в силу значительного отличия по содержанию углерода.
40CrNiMoA — это высокопрочная никель-хром-молибденовая сталь с содержанием углерода 0,37–0,44%. Она относится к классу улучшаемых сталей, то есть эксплуатируется после закалки и высокого отпуска.
В горячекатаном состоянии (без термообработки) структура представлена ферритом и цементитом, при этом размер зерна неравномерный. После после закалки с температуры 850-880°C в масло и высокого отпуска (560-600°C) микроструктура 40CrNiMoA представляет собой сорбит отпуска, обеспечивающий высокую прочность (σв ≥ 1100 МПа) и хорошую вязкость.
При необходимости повышения износостойкости применяют закалку без отпуска (мартенсит) или поверхностное упрочнение ТВЧ (мартенсит, остаточный аустенит, карбидные частицы).
20CrNiMoA — это никель-хром-молибденовая цементуемая сталь с содержанием углерода 0,17–0,23%. Она относится к классу сталей для поверхностного упрочнения. Для цементуемых сталей характерной является двухслойная структура: твердая износостойкая поверхность сочетается с вязкой сердцевиной, воспринимающей ударные нагрузки.
В состоянии поставки (после нормализующего отжига при 925°C, приводящего к гомогенизации структуры и растворению карбидов) структура представлена ферритом и перлитом, с низкой твердостью и хорошей обрабатываемостью резанием.
После цементации и закалки в 20CrNiMoA формируется двухслойная структура: мартенсит + карбиды на поверхности и низкоуглеродистый мартенсит (или бейнит) в сердцевине, что обеспечивает высокую износостойкость при сохранении вязкой сердцевины.
Технологичность
Обрабатываемость сталей 40CrNiMoA и 20CrNiMoA сильно отличается. Если 20CrNiMoA — одна из самых технологичных легированных сталей, с хорошей свариваемостью, обрабатываемостью резанием, давлением (штампуемость, ковкость), то сталь 40CrNiMoA требует особого внимания на всех этапах производства, её не рекомендуется использовать в сварных конструкциях без крайней необходимости.
Применение
40CrNiMoA: материал для крупных, высоконагруженных деталей, работающих «на прочность» по всему сечению, часто при повышенных температурах, она незаменима в тяжелом машиностроении, энергетике и авиации — тяжелые валы, роторы, оси, шатуны, детали шасси, тяжелонагруженные болты.
20CrNiMoA: материал для деталей, работающих «на износ» в условиях трения, где требуется твердая поверхность и вязкая сердцевина, это классический выбор для автомобильных шестерён, поршневых пальцев и деталей трансмиссии.
Заключение
Проведённый анализ двух групп сталей — атмосферостойких QNH и конструкционных легированных аналогов SAE — выявил принципиальную разницу в их философии применения.
Стали группы QNH (Q235NH, Q355NH, Q370qNH, Q500qENH) — это выбор в пользу долгосрочной экономии и экологичности. Их ключевая особенность — способность к самопассивации: формирование плотной легированной патины, которая со временем только усиливает защитные свойства. Это позволяет в 2–8 раз продлить срок службы конструкций без покраски, что особенно востребовано в мостостроении, опорах ЛЭП и городской инфраструктуре.
В свою очередь, стали группы SAE-аналоги (42CrMo, 35CrMo, 40CrNiMoA, 20CrNiMoA) решают другую задачу: работа в условиях экстремальных нагрузок, трения и удара. Здесь коррозионная стойкость не является приоритетом — на первый план выходят прочность и износостойкость.
- Высокопрочную и износостойкую сталь всегда можно приобрести в компании МЕТАЛЛСЕРВИС