Главная  >  Справочник  >  Сталь конструкционная низколегированная 15ГФ

Сталь конструкционная низколегированная марки 15ГФ: описание, свойства и применение

Конструкционная низколегированная сталь 15ГФ – это высокопрочный материал, широко используемый в различных отраслях промышленности благодаря своим оптимальным механическим свойствам, хорошей свариваемости и устойчивости к атмосферной коррозии. Эта марка стали относится к категории улучшаемых сталей, что означает, что её свойства могут быть значительно улучшены посредством термической обработки, такой как закалка и отпуск.

 

Общая характеристика:

Сталь 15ГФ представляет собой сталь с ограниченной свариваемостью, что накладывает определенные требования к технологиям сварки и подготовке к ней. Она характеризуется повышенной прочностью по сравнению с углеродистыми сталями, при этом сохраняя достаточную пластичность и ударную вязкость. Введение легирующих элементов, таких как марганец (Mn) и ванадий (V), обеспечивает упрочнение ферритной матрицы и улучшает прокаливаемость стали. Благодаря своему химическому составу и технологиям производства, сталь 15ГФ демонстрирует хорошую сопротивляемость хрупкому разрушению, что делает её пригодной для использования в конструкциях, работающих при пониженных температурах и подверженных динамическим нагрузкам.

 

Химический состав стали 15ГФ (ГОСТ 19281-2014):

Элемент	Массовая доля, %
Углерод (C)	0.12 - 0.19
Кремний (Si)	≤ 0.37
Марганец (Mn)	1.10 - 1.40
Хром (Cr)	≤ 0.30
Никель (Ni)	≤ 0.30
Медь (Cu)	≤ 0.30
Ванадий (V)	0.10 - 0.18
Сера (S)	≤ 0.040
Фосфор (P)	≤ 0.035
Азот (N)	≤ 0.012
Мышьяк (As)	≤ 0.08

 

 

• Углерод (C): Основной упрочняющий элемент. Повышает прочность и твердость стали, но снижает пластичность и свариваемость. Содержание углерода в стали 15ГФ строго контролируется для достижения оптимального баланса между прочностью и свариваемостью.
• Кремний (Si): Раскислитель, удаляет кислород из расплава стали. Незначительно повышает прочность и упругость стали.
• Марганец (Mn): Важный легирующий элемент, повышает прочность, твердость и прокаливаемость стали. Улучшает свариваемость и снижает вредное воздействие серы. В стали 15ГФ марганец обеспечивает значительное повышение прочности без существенного снижения пластичности.
• Хром (Cr): Повышает прокаливаемость, твердость и износостойкость стали. Улучшает коррозионную стойкость, особенно в сочетании с никелем. В стали 15ГФ содержится в небольших количествах, оказывая умеренное влияние на свойства.
• Никель (Ni): Повышает прочность, вязкость и коррозионную стойкость стали. Улучшает свариваемость. В стали 15ГФ содержится в небольших количествах, оказывая умеренное влияние на свойства.
• Медь (Cu): Повышает коррозионную стойкость стали в атмосферных условиях. Однако, может ухудшить свариваемость, если содержание меди слишком высокое.
• Ванадий (V): Мощный упрочняющий элемент. Образует мелкие карбиды, которые дисперсно распределены в ферритной матрице, значительно повышая прочность и предел текучести стали. Также улучшает прокаливаемость и измельчает зерно. Ванадий является ключевым легирующим элементом, обеспечивающим высокие прочностные характеристики стали 15ГФ.
• Сера (S): Вредная примесь, снижает пластичность, ударную вязкость и свариваемость стали. Образует сульфиды железа, которые располагаются по границам зерен, ослабляя связь между ними. Содержание серы в стали 15ГФ строго ограничено.
• Фосфор (P): Вредная примесь, повышает хрупкость стали, особенно при низких температурах. Способствует образованию ликвации. Содержание фосфора в стали 15ГФ строго ограничено.
• Азот (N): Может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на свойства стали. В небольших количествах может повышать прочность, но в больших количествах снижает пластичность и свариваемость.
• Мышьяк (As): Вредная примесь, ухудшает свариваемость и снижает пластичность стали.

 

Физико-механические свойства стали 15ГФ (ГОСТ 19281-2014):

Свойства стали 15ГФ могут варьироваться в зависимости от способа производства, термической обработки и толщины проката. Приведем типичные значения для стали в нормализованном состоянии:

• Предел текучести (σт): Минимальное напряжение, при котором начинается пластическая деформация материала. Для стали 15ГФ в нормализованном состоянии: ≥ 345 МПа (для толщины до 20 мм). Более высокие значения предела текучести достигаются после закалки и отпуска.
• Временное сопротивление (σв): Максимальное напряжение, которое материал может выдержать до начала разрушения. Для стали 15ГФ в нормализованном состоянии: ≥ 490 МПа (для толщины до 20 мм). После термической обработки (закалка и отпуск) временное сопротивление может достигать 600-700 МПа и выше.
• Относительное удлинение (δ5): Процентное увеличение длины образца после разрыва по отношению к его первоначальной длине. Характеризует пластичность материала. Для стали 15ГФ в нормализованном состоянии: ≥ 21%.
• Относительное сужение (ψ): Процентное уменьшение площади поперечного сечения образца после разрыва по отношению к его первоначальной площади. Характеризует пластичность материала. Для стали 15ГФ в нормализованном состоянии: ≥ 50%.
• Ударная вязкость (KCU): Мера сопротивления материала ударной нагрузке. Определяется энергией, необходимой для разрушения образца с надрезом. Для стали 15ГФ в нормализованном состоянии: ≥ 29 Дж/см2 (при температуре +20°C). Значение ударной вязкости зависит от температуры испытания и может значительно снижаться при отрицательных температурах.
• Модуль упругости (E): Характеризует жесткость материала. Для стали 15ГФ: около 200-210 ГПа.
• Плотность (ρ): Около 7850 кг/м3.
• Коэффициент линейного термического расширения (α): Около 12 x 10-6 / °C (в диапазоне температур 20-100 °C).
• Теплопроводность (λ): Около 40-50 Вт/(м·°C).

 

Расшифровка значений физико-механических свойств:

• Предел текучести (σт): Критически важный параметр при проектировании конструкций, так как определяет нагрузку, которую конструкция может выдержать без остаточной деформации. Высокий предел текучести позволяет использовать сталь 15ГФ в конструкциях, подверженных значительным нагрузкам.
• Временное сопротивление (σв): Показывает максимальную нагрузку, которую материал может выдержать до разрушения. Важен для оценки надежности конструкции в аварийных ситуациях.
• Относительное удлинение (δ5) и относительное сужение (ψ): Характеризуют пластичность материала. Высокие значения этих параметров указывают на то, что материал способен деформироваться перед разрушением, что позволяет избежать хрупкого разрушения. Пластичность важна для восприятия перегрузок и концентраторов напряжений.
• Ударная вязкость (KCU): Важный параметр для конструкций, работающих при динамических нагрузках или при низких температурах. Высокая ударная вязкость свидетельствует о том, что материал устойчив к хрупкому разрушению при ударных воздействиях. Низкая ударная вязкость может привести к быстрому распространению трещин и разрушению конструкции.
• Модуль упругости (E): Определяет жесткость материала. Чем выше модуль упругости, тем меньше деформируется конструкция под нагрузкой.
• Плотность (ρ): Важна для расчета массы конструкции и выбора оптимальных размеров сечений.
• Коэффициент линейного термического расширения (α): Необходимо учитывать при проектировании конструкций, подверженных перепадам температур. Разные материалы имеют разные коэффициенты термического расширения, что может приводить к возникновению напряжений в конструкции.
• Теплопроводность (λ): Влияет на скорость нагрева и охлаждения материала. Важна при выборе материала для конструкций, работающих в условиях высоких температур.

 

ГОСТы, регламентирующие сталь 15ГФ:

• ГОСТ 19281-2014. Прокат толстый и широкополосный из стали для строительных конструкций. Общие технические условия. Основной стандарт, определяющий технические требования к прокату из стали 15ГФ, включая химический состав, механические свойства, размеры и допуски.
• ГОСТ 14637-89 (ISO 630-80). Прокат толстолистовой из углеродистой стали обыкновенного качества. Технические условия. Хотя этот ГОСТ относится к углеродистым сталям, он может использоваться в качестве справочного материала для сравнения свойств стали 15ГФ с углеродистыми сталями.
• ГОСТ 27772-2015. Прокат для строительных стальных конструкций. Общие технические условия. Определяет требования к прокату, предназначенному для изготовления строительных конструкций. Сталь 15ГФ может использоваться для изготовления несущих элементов строительных конструкций в соответствии с этим ГОСТом.
• ГОСТ Р 58574-2019. Трубы стальные сварные для магистральных газопроводов, нефтепроводов и нефтепродуктопроводов. Технические условия. Сталь 15ГФ может использоваться для изготовления труб для магистральных трубопроводов после соответствующей термической обработки и испытаний.

 

Сферы применения стали 15ГФ:

Благодаря своим высоким прочностным характеристикам, хорошей свариваемости и устойчивости к атмосферной коррозии, сталь 15ГФ широко применяется в различных отраслях промышленности:

• Строительство: Несущие элементы стальных конструкций (мосты, фермы, колонны, балки), элементы каркасов зданий и сооружений. Сталь 15ГФ позволяет создавать более легкие и прочные конструкции по сравнению с использованием углеродистых сталей.
• Машиностроение: Изготовление рам и корпусов машин и механизмов, деталей, работающих под высокими нагрузками (валы, шестерни, оси).
• Судостроение: Корпусные конструкции судов, элементы палубных надстроек.
• Транспортное машиностроение: Рамы вагонов, детали подвижного состава железнодорожного транспорта.
• Нефтегазовая промышленность: Трубы для магистральных трубопроводов, элементы бурового оборудования, детали платформ морских нефтегазовых месторождений.
• Мостостроение: Несущие конструкции мостов.
• Производство сельскохозяйственной техники: Элементы рам и корпусов сельскохозяйственных машин.

 

Операции в цеху со сталью 15ГФ:

В зависимости от конкретного применения стали 15ГФ, в цеху могут выполняться различные технологические операции:

• Резка: Резка листового проката или сортового проката на заготовки требуемого размера. Для резки стали 15ГФ могут использоваться различные методы, такие как газовая резка, плазменная резка, лазерная резка, механическая резка (гильотина, ленточная пила). Выбор метода резки зависит от толщины металла, требуемой точности и объемов производства.
• Гибка: Придание заготовкам требуемой формы путем гибки на листогибочных прессах или вальцах.
• Сварка: Соединение отдельных деталей в единую конструкцию. Сталь 15ГФ относится к сталям с ограниченной свариваемостью, поэтому необходимо соблюдать определенные требования к технологии сварки, подготовке кромок и выбору сварочных материалов. Рекомендуется применять методы сварки, обеспечивающие минимальное тепловложение, такие как ручная дуговая сварка покрытыми электродами (РДС), полуавтоматическая сварка в защитных газах (MIG/MAG), автоматическая сварка под флюсом (SAW). Перед сваркой необходимо выполнить предварительный подогрев металла, а после сварки – термическую обработку для снятия напряжений.
• Механическая обработка: Обработка заготовок на металлорежущих станках (токарных, фрезерных, сверлильных, шлифовальных) для придания им окончательных размеров и формы. Сталь 15ГФ хорошо обрабатывается резанием, однако требует использования твердосплавного инструмента и соблюдения режимов резания.
• Термическая обработка: Изменение свойств стали путем нагрева и охлаждения по определенному режиму. Для стали 15ГФ наиболее часто применяются следующие виды термической обработки:
  • Нормализация: Нагрев до температуры выше температуры Ac3 (температура полного аустенитного превращения) с последующим охлаждением на воздухе. Нормализация позволяет измельчить зерно и улучшить механические свойства стали.
  • Закалка: Нагрев до температуры выше температуры Ac3 с последующим быстрым охлаждением в воде или масле. Закалка позволяет получить структуру мартенсита, которая обеспечивает высокую твердость и прочность.
  • Отпуск: Нагрев закаленной стали до температуры ниже температуры Ac1 (температура начала аустенитного превращения) с последующим охлаждением на воздухе. Отпуск позволяет снизить внутренние напряжения, повысить пластичность и вязкость стали, не снижая при этом ее прочность.
  • Отжиг: Нагрев стали до определенной температуры, выдержка при этой температуре и медленное охлаждение вместе с печью. Отжиг применяют для снятия внутренних напряжений, улучшения обрабатываемости резанием и повышения пластичности.
• Контроль качества: Проверка соответствия готовой продукции требованиям нормативной документации (ГОСТов, технических условий). Контроль качества включает в себя:
  • Визуальный контроль: Проверка внешнего вида продукции на наличие дефектов (трещин, пор, раковин).
  • Измерение размеров: Проверка соответствия размеров продукции требованиям чертежей.
  • Контроль механических свойств: Испытания на растяжение, ударный изгиб, твердость.
  • Неразрушающий контроль: Проверка наличия внутренних дефектов с помощью ультразвукового контроля, рентгеновского контроля, магнитопорошкового контроля.
• Покраска: Нанесение защитного покрытия на поверхность стали для защиты от коррозии. В качестве защитных покрытий могут использоваться лакокрасочные материалы, полимерные покрытия, металлические покрытия (цинкование, хромирование).

 

Особенности сварки стали 15ГФ:

Сталь 15ГФ относится к ограниченно свариваемым сталям, поэтому при сварке необходимо учитывать следующие факторы:

• Предварительный подогрев: Перед сваркой необходимо выполнить предварительный подогрев металла до температуры 100-200 °C (в зависимости от толщины металла и условий сварки). Предварительный подогрев снижает скорость охлаждения сварного соединения и предотвращает образование трещин.
• Выбор сварочных материалов: Необходимо использовать сварочные материалы, предназначенные для сварки низколегированных сталей с пределом текучести не ниже, чем у стали 15ГФ. Рекомендуется использовать электроды и сварочную проволоку с низким содержанием водорода.
• Режимы сварки: Необходимо соблюдать режимы сварки, обеспечивающие минимальное тепловложение. Следует избегать высоких сварочных токов и скоростей сварки.
• Последующая термическая обработка: После сварки рекомендуется выполнить термическую обработку (отпуск) для снятия напряжений и улучшения механических свойств сварного соединения.

 

Преимущества использования стали 15ГФ:

• Высокая прочность: Позволяет создавать более легкие и прочные конструкции по сравнению с использованием углеродистых сталей.
• Хорошая свариваемость: Обеспечивает возможность изготовления сложных конструкций методом сварки.
• Устойчивость к атмосферной коррозии: Позволяет использовать сталь 15ГФ в конструкциях, эксплуатируемых в атмосферных условиях без дополнительной защиты от коррозии.
• Хорошая обрабатываемость: Легко обрабатывается резанием и давлением.
• Оптимальное соотношение цена/качество: Представляет собой экономически выгодное решение для многих областей применения.

 

Сталь 15ГФ – это универсальный конструкционный материал, обладающий комплексом ценных свойств, что обеспечивает её широкое применение в различных отраслях промышленности. Правильный выбор технологии производства, термической обработки и сварочных материалов позволяет в полной мере реализовать потенциал этой марки стали и обеспечить надежность и долговечность конструкций. При проектировании и изготовлении конструкций из стали 15ГФ необходимо руководствоваться требованиями соответствующих ГОСТов и технических условий.