Для материалов, используемых в технических изделиях, машинах, оборудовании, строительных конструкциях часто предъявляются требования к повышенной прочности и износостойкости. Особенно актуальными эти требования становятся при эксплуатации в условиях высоких механических нагрузок, включая ударное воздействие и абразивный износ, в комбинации с отрицательными температурами воздуха. Кроме того, актуальным является и увеличение соотношения прочности к весу конструкции, что ведёт к экономии материалов и топлива.
Ранее в этом канале была рассмотрена высокопрочная и износостойкая сталь Гадфильда. Теперь же давайте рассмотрим основные группы китайских сталей (BSMC, Q, NM, QNH и SAE-аналоги), также относящихся к классу высокопрочных и износостойких, но существенно более дешевых, чем сталь Гадфильда. Производство этих сталей регламентировано как китайской системой государственных стандартов (GB/T), так и корпоративными стандартами китайских производителей. В первой части статьи уделим внимание сталям групп BSMC, Q и NM, во второй части — сталям групп QNH и SAE-аналоги.
BSMC - группа
BSMC - это вид высокопрочного малоуглеродистого низколегированного стального проката, разработанный и производимый китайской корпорацией Baosteel (Baowu), применяемый для ответственных металлоконструкций, работающих при высоких статических и динамических нагрузках, включая условия низких температур.
Маркировка стали имеет структуру, описывающую её происхождение и свойства:
- B (Baosteel) — производитель, Baosteel (Китай);
- S (Structure) — конструкционная сталь;
- Цифры после букв BS обозначают минимальный предел текучести, при котором в материале начинается пластическая деформация (600, 700) МПа.
- MC (Thermo-Mechanical Controlled Rolling) — контролируемая прокатка и ускоренное охлаждение (контролируемая термомеханическая прокатка), что обеспечивает мелкозернистую структуру и хорошую свариваемость.
Категории качества для данной стали определяются по её способности сохранять ударную вязкость при отрицательных температурах. Эти категории обозначаются специальными суффиксами в названии марки (K2, J4, K4):
- базовая категория, марка BS700MC - без гарантии хладостойкости; подходит для конструкций, работающих только при комнатной температуре или в условиях, где ударные нагрузки не критичны;
- K2, марка BS700MCК2, стандартная категория хладостойкости, гарантирует ударную вязкость (KV, определяется для стандартного образца сечением 10х10 мм с надрезом 2 мм) не менее 40 Дж при температуре -20°C;
- J4, марка BS700MCJ4, повышенная хладостойкость, гарантирует ударную вязкость не менее 27 Дж при температуре -40°C;
- K4, марка BS700MCK4, самая строгая категория хладостойкости, гарантирует ударную вязкость не менее 40 Дж при температуре -40°C.
Химический состав: это низкоуглеродистая сталь, легированная микродобавками (ниобий, ванадий, титан, молибден, бор). Низкое содержание углерода обеспечивает хорошую свариваемость, а микролегирование — высокие уровни прочности и пластичности. Так, алюминий, ниобий и титан, являясь сильными карбидо- и нитридообразующими элементами, предотвращают рост зерна в аустените при нагреве и способствуют формированию мелких зерен в феррите при охлаждении. Мелкодисперсные частицы карбидов, нитридов и карбонитридов, выделяясь по границам зерен аустенита, препятствуют их росту при нагреве, и, находясь в теле зерен аустенита, создают много центров зарождения новых зерен феррита при охлаждении, что приводит к их измельчению и повышению прочности, в соответствии с соотношением Холла-Петча.
- Если Al, Nb и Ti измельчают зерно, то кремний и марганец упрочняют непосредственно тело зерна (матрицу). Растворяясь в феррите, Si и Mn искажают его кристаллическую решетку, блокируя движение дислокаций. Молибден упрочняет тело зерна как за счет растворения в кристаллической решетке и её искажения (твердорастворное упрочнение), так и за счет образования в зерне карбидов Mo₂C (дисперсионное упрочнение), что приводит к затруднению движения дислокаций, ответственных за пластическую деформацию.
Типичный химический состав BSMC-сталей (в процентах по массе):
C (Углерод) ≤ 0,12%, низкое содержание углерода обеспечивает отличную свариваемость;
Si (Кремний) ≤ 0,60%, раскислитель, упрочнитель феррита — растворяясь в феррите, вызывает твердорастворное упрочнение матрицы;
Mn (Марганец) ≤ 2,10%, повышает прочность и прокаливаемость, расширяет область аустенита, позволяя вести прокатку при более низких температурах без образования феррита, стабилизирует остаточный аустенит, способствует измельчению бейнитных пакетов;
P (Фосфор) ≤ 0,025%, жёсткое ограничение, так как вызывает хладноломкость;
S (Сера) ≤ 0,015%, жёсткое ограничение, так как вызывает красноломкость;
Al (Алюминий) ≥ 0,015% раскислитель, связывает азот в AlN, контролируя рост зерна при нагреве и способствуя образованию мелкозернистой структуры;
Nb (Ниобий) ≤ 0,09%, микролегирующий элемент для измельчения зерна и дисперсионного твердения;
V (Ванадий) ≤ 0,20%, микролегирующий элемент для повышения прочности за счёт карбидов и нитридов;
Ti (Титан) ≤ 0,22%, микролегирующий элемент, также способствует измельчению зерна;
Mo (Молибден) ≤ 0,50%, повышает прокаливаемость и прочность;
B (Бор) ≤ 0,005%, может добавляться микродозами для повышения прокаливаемости .
Микроструктура: в зависимости от химического состава (особенно Mn, Mo) и скорости охлаждения, в сталях BSCM формируются различные типы микроструктуры.
- Феррито-перлитная структура (низкая прочность)
- Условия: медленное охлаждение (например, на воздухе) или низкая прокаливаемость;
- Механизм: из вытянутого, после прокатки, аустенита при медленном охлаждении сначала выделяется феррит по границам зерен (полигональный феррит), а углерод накапливается в остаточном аустените, который затем превращается в перлит;
- Результат: крупнозернистая феррито-перлитная структура с низкой прочностью (предел текучести 300-400 МПа).
2. Феррито-бейнитная структура (основной тип для BSCM)
- Условия: умеренное ускоренное охлаждение 10-30°C/c при наличии Mn и Mo;
- Механизм: деформация аустенита в ходе прокатки создает множество центров зарождения (границы зерен деформированного аустенита, полосы скольжения), из которых при охлаждении образуется игольчатый (ацикулярный) феррит. Игольчатый феррит имеет высокую плотность дислокаций, внутри ферритных игл и по границам выделяются мелкие карбиды (Mo₂C, NbC).
Результат: очень мелкозернистая (размер зерна до 1-5 мкм) феррито-бейнитная структура с высокой прочностью 500-800 МПа и отличной вязкостью.
3. Мартенситная и бейнитная структура (высокая прочность)
- Условия: высокая прокаливаемость (Mn + Mo) и очень быстрое охлаждение (закалка);
- Механизм: аустенит превращается в пакетный мартенсит или нижний бейнит. Углерод не успевает диффундировать;
- Результат: очень высокая прочность > 800 МПа, но требует последующего низкотемпературного отпуска для снятия напряжений.
Технологичность: материал отлично поддается холодной гибке (минимальный радиус гиба может составлять двойную толщину листа), резке (включая плазменную и лазерную), сварке - сталь обладает хорошей сопротивляемостью холодному растрескиванию и может свариваться без предварительного подогрева (при использовании соответствующих сварочных материалов, например, проволоки WH80-G) в условиях температуры выше 0°C . Исследования подтверждают, что сварное соединение сохраняет высокую прочность (до 97% прочности основного металла) .
Применение: благодаря высокому соотношению прочности к весу, BS700MCK2 позволяет снизить массу готовых изделий без потери несущей способности, что ведет к экономии материалов и топлива.
Основные области применения :
- Производство подъемной техники: стрелы автомобильных и гусеничных кранов (в том числе телескопические стрелы сложного профиля), траверсы;
- Строительное и дорожное машиностроение: рамы, стрелы и другие несущие элементы экскаваторов, бульдозеров, погрузчиков;
- Автомобилестроение: несущие элементы рам грузовых автомобилей, детали шасси, элементы навесного оборудования;
- Производство спецтехники: стрелы бетононасосов, элементы конструкций мобильных установок.
Аналоги: BS700MCK является прямым аналогом европейской стали S700MC по стандарту EN 10149-2. Также она может сопоставляться с японскими сталями типа Wel-ten 70 или 80 (стандартJIS G 3128).
Q -группа
Стали Q-группы предназначены для ответственных сварных металлоконструкций, работающих под высокими нагрузками в условиях экстремально низких температур.
Благодаря высокой прочности и отличной ударной вязкости при отрицательных температурах, эти стали позволяют значительно снизить вес конструкций без потери несущей способности.
Маркировка: название марки строится по логике китайских стандартов (GB/T):
- буква Q происходит от первого иероглифа китайского слова, переводимого как «предел текучести», цифры после Q – значение минимального предела текучести (460, 550, 690) в МПа.
Категории качества: категория Е - гарантирует работоспособность (ударная вязкость не менее 45Дж) стали при температуре -40°C, существуют также категории C (0°C) и D (-20°C).
Химический состав: это сталь с низким содержанием углерода и микролегирующими добавками (Nb, V, Ti, иногда B), что обеспечивает баланс прочности и свариваемости. Типичный состав может варьироваться в зависимости от производителя и толщины проката.
C 0.14-0.45%, - низкое содержание углерода способствует хорошей свариваемости, повышенное содержание углерода стабилизирует остаточный аустенит, обеспечивающий высокую пластичность
Si 0.15-2.8%
Mn ≤ 2.0%
P ≤ 0.025%
S ≤ 0.020%
Cr ≤ 1.0%
Ni ≤ 0.8%
Mo ≤ 0.3%
Nb ≤ 0.11%
V ≤ 0.12%
Ti ≤ 0.20%
B ≤ 0.004% .
Микроструктура: микроструктура высокопрочных сталей Q-группы эволюционирует от феррито-перлитно-бейнитной структуры у Q460 до мартенситных структур отпуска (сорбит) у Q690E.
Технологичность: материал обладает хорошей свариваемостью, однако для предотвращения холодных трещин рекомендуется предварительный подогрев (100–150°C) и использование низководородных сварочных материалов (WY80-G, Св-08ХН2ГМЮ, ПП82).
Обычно поставляется в термоулучшенном состоянии (закалка + высокий отпуск). Возможно изготовление по технологии контролируемой прокатки (TMCR) для меньших толщин. Обрабатываемость: требует более мощного оборудования для гибки и резки по сравнению с обычными сталями, но хорошо поддается механической обработке.
Применение: Q690E используется там, где требуется максимальное снижение веса конструкции при сохранении высокой несущей способности в суровых климатических условиях :
- тяжелое машиностроение: стрелы кранов (в том числе мобильных), рамы и ковши крупных экскаваторов, карьерных самосвалов, бульдозеров;
- горное оборудование: механизированные крепи, элементы конвейеров;
- мостостроение: пролетные строения и несущие элементы в регионах с холодным климатом;
- энергетика: трубопроводы высокого давления (в том числе для ГЭС и морских платформ), корпуса сосудов давления.
Аналог: европейская сталь S690QL (стандарт EN 10025-6).
NM - группа
Это китайская линейка высокопрочных износостойких сталей, предназначенных для работы в условиях интенсивного абразивного износа, часто в сочетании с ударными нагрузками: от ковшей экскаваторов до футеровок дробилок.
Маркировка: аббревиатура NM расшифровывается по первым буквам китайских слов (Nai Mo)— «износостойкий». Цифры в маркировке (400, 450, 500, 600) указывают на номинальную твердость по Бринеллю, которая является главной характеристикой этой стали . Чем выше номер, тем выше твердость и износостойкость, но ниже пластичность и ударная вязкость.
Химический состав: это низколегированные стали с контролируемым содержанием углерода и добавками Mn, Cr, Mo, Ni и B для обеспечения прокаливаемости и твердости по всему сечению .
С 0.3-0.45%
Si 0.7%
Mn 1.6-1.7%
P ≤ 0.025%
S 0.010%
Cr 1.2-1.6%
Ni ≤ 0.7-2.0%
Mo 0.5-0.8%
B 0.0005-0.0060% .
Микроструктура: секрет экстремальной твердости сталей NM кроется в их термической обработке. После прокатки листы подвергают закалке (обычно с последующим низким отпуском), в результате чего формируется характерная микроструктура: основная фаза — мартенсит игольчатого или реечного строения, образующийся при очень быстром охлаждении из аустенитной области.
Высокая плотность дислокаций внутри мартенситных реек — главная причина высокой твердости. Внутри мартенситной матрицы распределены карбонитриды титана — TiCN и ниобия — NbCN размером всего несколько нанометров. Они создают дополнительный барьер для движения дислокаций, усиливая эффект упрочнения.
Размер зерна в сталях NM-группы может быть очень маленьким — так, для стали NM500 он составляет всего 2 мкм. Мелкое зерно — это классический способ повысить и прочность, и вязкость.
Такой мелкозернистый «коктейль» из мартенсита с наночистицами позволяет сталям NM оставаться очень твердыми, но при этом сохранять достаточную вязкость, чтобы выдерживать ударные нагрузки без разрушения.
Технологичность: стали NM-серии выпускаются преимущественно в виде широкого листового проката:
- Толщина: от 3 мм до 120 мм (наиболее ходовой диапазон 4-80 мм) .
- Ширина: от 1000 мм до 4000 мм .
- Длина: до 12000-16000 мм .
Из-за высокой твердости обработка сталей NM-серии имеет ряд критических нюансов:
- раскрой (резка): рекомендуется гидроабразивная, лазерная или плазменная резка; при газовой (кислородной) резке обязателен предварительный подогрев металла до 100-200°C (особенно для NM500 и толстых листов) и замедленное охлаждение после резки для предотвращения трещин на кромке;
- сварка: сталь сваривается, но требует использования специальных низководородных сварочных материалов и, как правило, предварительного подогрева (100-150°C) для предотвращения холодных трещин;
- гибка: из-за высокой прочности требует мощного оборудования; радиус гиба должен быть увеличен (например, для NM500 рекомендуется радиус не менее 6-кратной толщины листа при гибе на 90°); возможна гибка на 180° при соблюдении технологии и соответствующем качестве металла;
- механическая обработка: рекомендуется использовать твердосплавный инструмент; для NM450 и NM500 предпочтительны сверла с содержанием кобальта 8%.
Применение: благодаря высокой стойкости к абразивному износу (в 3-5 раз выше обычных конструкционных сталей), NM-группа используется для изготовления деталей, работающих в контакте с рудой, песком, гравием и т.п. :
- горная и карьерная техника: футеровка кузовов самосвалов, ковши экскаваторов, зубья ковшей, желоба, течки, бункеры, питатели;
- строительная техника: ножи и отвалы бульдозеров, грейдеров, элементы гидромолотов, бетоносмесители;
- дробильно-сортировочное оборудование: брони дробилок, сита, классификаторы;
- прочее: оборудование для металлургии, цементной промышленности, переработки вторсырья.
Аналоги: основным европейским аналогом китайских износостойких сталей группы NM (NM400, NM450, NM500) является продукция под торговой маркой Hardox от шведской компании SSAB, а также стали марок XAR (например, XAR400, XAR500) от немецкой компании ThyssenKrupp.
Заключение
Проведенный в первой части статьи обзор китайских высокопрочных и износостойких сталей групп BSMC, Q и NM позволяет сделать вывод: металлургия КНР предлагает широкий спектр материалов, способных успешно конкурировать с известными решениями, такими как сталь Гадфильда, и при этом обладающих значительным экономическим преимуществом.
Во второй части статьи будет продолжен обзор и рассмотрены коррозионно-стойкие стали группы QNH, а также стали группы SAE-аналоги, что позволит сформировать целостную картину возможностей китайского металлургического комплекса.
- Высокопрочную и износостойкую сталь всегда можно приобрести в компании МЕТАЛЛСЕРВИС
https://mc.ru/metalloprokat/stal_listovaya_visokoproh