Легировать сталь научились ещё в XIX веке – учёный Мюшетт изобрёл состав стали, содержащий 1,85% углерода, 9% вольфрама и 2,5% марганца, она использовалась для получения резцов, применяемых в .
Сталь для массового производства появилась благодаря разработкам английского металлурга Роберта Гадфильда. Легирование стали позволило получить состав: 1,0–1,5% углерода и 12–14% марганца, она отличалась повышенной износостойкостью и хорошим качеством литья. Эта марка практически без изменений сохранилась до наших дней.
Легированная сталь обладает большей прочностью, коррозионной стойкостью и пластичностью.
Стали имеют определённую классификацию в зависимости от структуры и области применения.
По структуре делятся на классы:
- мартенситный (основная структура металла);
- мартенситно-ферритный (структура содержит мартенсит + 10% феррита);
- ферритный;
- аустенитно-мартенситный (стали с комбинированной структурой аустенита и мартенсита, количество которых можно менять в больших пределах);
- аустенитно-ферритный (структура: аустенит с содержанием феррита более 10%);
- аустенитный (устойчивая структура аустенита).
По процентному соотношению легирующих добавок сталь подразделяют на:
- низколегированную – 5–10%;
- среднелегированную – 10%;
- высоколегированную – более 10%.
Дополнительная классификация
Легированные конструкционные сплавы подходят для изготовления деталей машин и механизмов в машиностроительной отрасли – производят крупногабаритные детали, которые закаляют и подвергают высокому отпуску. Большая часть легирующих добавок в стали повышают прокаливаемость. Внедрение добавок должно быть достаточным, но не чрезмерным. Большая степень легирования может вызвать:
- снижение пластических свойств;
- развитие отпускной хрупкости;
- снижение порога хладноломкости.
Исключение – никель, он смещает порог хладноломкости в область низких температур, поэтому для машин, работающих в условиях Севера, механизмы изготавливают из никельсодержащих сталей. Пружинная легированная сталь содержит 0,5–0,7% углерода, а в качестве добавок вводят хром, молибден и вольфрам. Такой состав должен обеспечивать высокое сопротивление малым пластическим деформациям и высокой усталостной стойкости.
Шарикоподшипниковые – относят к заэвтектоидным – углерод около 1% с дополнительным легированием металла хромом (1,3–1,65%). В теплостойких подшипниках хром увеличивают до 5%. К подшипниковым – предъявляют особые требования по металлургической чистоте. Применение рафинирующих переплавов, вакуумные способы переплавки, обработка синтетическими шлаками позволяют уменьшить долю и размер неметаллических включений, тем самым повышают сопротивление контактной усталости.
Инструментальные виды
Легированная инструментальная сталь предназначается для производства металлорежущего инструмента, эксплуатируемого при режимах с высокой скоростью резания и для изготовления штампового инструмента.
Быстрорежущие стали способны сохранять высокую твёрдость и износостойкость режущей кромки инструмента. В такую сталь добавляют молибден, ванадий, вольфрам, хром и кобальт.
Штамповые стали для холодной деформации с содержанием 1,0–2,0% углерода обладают износостойкостью и ударной вязкостью. Их легируют хромом до 12%, ванадием, вольфрамом, молибденом.
Штамповые стали для горячей деформации содержат углерод в пределах 0,3–0,5%, обладают высокой теплостойкостью, ударной вязкостью, сопротивлением термической усталости. В качестве добавок вводят вольфрам, молибден, ванадий.
Основные цели легирования
Слово «легирование» происходит от немецкого «legieren» (связывать, соединять). Положительное воздействие легирующих компонентов на свойства стали связано с обеспечиванием протекания двух физико-химических процессов.
Образование термодинамических устойчивых растворов замещения, сопровождающееся замещением части атомов (ионов) железа в его кристаллической решётке (ионами) легирующего элемента. Это ведёт к искажению кристаллической решётки железа, поскольку радиусы ионов (катионов) легирующих элементов отличаются от радиуса катионов железа, что повышает твёрдость и прочность железа с сохранением его пластичности.
Возникновение прочных и практически нерастворимых в жидком железе химических соединений между введёнными в расплавленный металл легирующими добавками и растворёнными в нём неметаллами (кислород, азот, сера, углерод и др.).
Результатами образования таких соединений являются:
- снижение остаточного содержания в расплавленном металле растворенных неметаллов, ухудшающих его качество;
- уменьшение общего объёма вредных примесей (растворённых и в виде неметаллических включений) в стали.
А также происходит выделение (выпадение) из жидкого металла таких мелких неметаллических включений, которые служат центрами кристаллизации и приводят к получению мелкозернистой первичной и вторичной структуры стали. Благодаря этому она имеет лучшую пластичность, малую анизотропность свойств после прокатки и т. д. Выделяющиеся во время кристаллизации мелкие неметаллические включения обладают склонностью скапливаться на поверхности растущих кристаллов, понижая скорость роста граней, а это, в свою очередь, уменьшает зернистость стали.
Основным способом легировать сталь является метод объёмного металлургического легирования. Заключается в сплавлении основного элемента с легирующими в печах разного вида (индукционные, вакуумно-дуговые, тигельные, конвертеры, дуговые, плазменные, и др.). При этом способе возможна существенная потеря активных веществ (марганца, хрома, молибдена, и др.).
Существуют также:
- механическое легирование;
- восстановление;
- электролиз;
- плазмохимическая реакция.
Механическое легирование выполняют в аттриторах – барабанах, в центре которых находится вал с кулачками. В них закладывают порошкообразные компоненты для получения нужного сплава. Во время вращения кулачки «ударяют» по смеси, и происходит «вбивание» легирующих добавок в основу.
При совместном восстановлении перемешивают оксиды элементов сплава с восстановителем, например, с гидридом кальция (СаН 2) и производят нагрев. Идёт реакция восстановления оксидов до металлов, синхронно происходит процесс диффузии, выравнивающий состав сплава. Полученный оксид кальция (СаО) промывают водой, а сплав (в виде порошка) идёт в следующую обработку. Металлотермическое восстановление подразумевает использование металлов (магния, кальция, алюминия и др.) в качестве восстановителей.
С помощью поверхностного легирования поверхности изделия придают особые свойства. На верхний слой наносится определённый элемент или сплав в виде небольшого пласта, затем на неё воздействуют с помощью энергии (лазерного излучения, плазмы, тока высокой частоты др.) - поверхность оплавляется, и на ней формируется новый сплав.
Разница между легированием и примесями
Обычные легирующие добавки - это компоненты, которые вводят в металл в значительных количествах - более 0,10%. Они вызывают изменение кристаллической решётки железа, образуя растворы внедрения, повышают прочностные и других свойства железа (матрицы).
В качестве металлов для легирования используют:
- хром Cr;
- марганец Mn;
- никель Ni;
- алюминий Al;
- молибден Mo;
- кобальт Co;
- титан Ti;
- цирконий Zr;
- медь Cu и другие.
Их внедряют в сталь в разных количествах и сочетаниях.
Примеси
Существует деление вредных примесей на обычные и остаточные. К обычным вредным примесям относят те, содержание которых в металле можно уменьшить во время плавки – это фосфор, сера, кислород, азот, углерод, т. е., неметаллы.
Под остаточными вредными примесями принято понимать такие, содержание которых невозможно снизить во время плавки ни при окислительном рафинировании, ни при обычном легировании. Это характерно для химических элементов, имеющих растворимость в жидком железе. В производственной практике обычно встречающимися вредными остаточными примесями являются:
- никель;
- олово;
- сурьма;
- мышьяк.
Маркировка легированных сталей
В России и СНГ действует система обозначения марок, состоящая из букв и цифр.
Обозначения конструкционных легированных сплавов
Маркировка такой стали состоит из цифр и букв. Буквы – это основные легирующие добавки, цифры после каждой из букв показывают содержание обозначенного элемента, округлённого до целого числа (если содержание легирующего компонента – до 1,5%, то цифра за буквой не пишется). Содержание углерода в процентах, умноженное на 100, пишется в начале наименования стали.
Маркировка основных легирующих компонентов:
| Элемент | Обозначение |
| Н | |
| Кобальт | К |
| Молибден | М |
| Хром | Х |
| Марганец | Г |
| Бор | Р |
| Медь | Д |
| Цирконий | Ц |
| Фосфор | П |
| Кремний | С |
| Ниобий | Б |
| Вольфрам | В |
| Титан | Т |
| Азот | А (в середине наименования) |
| Ванадий | Ф |
| Алюминий | Ю |
| Редкоземельные металлы | Ч |
Если сталь с ограничением содержанием и фосфора P <0,03% и является высококачественной, в конце маркировки указывают «А». Высококачественные стали, полученные электрошлаковым переплавом, имеют маркировку в конце наименования с буквой «Ш» через тире, например, 18ХГ-Ш.
В начале названия указывается буква «А». Если в качестве легирующей добавки идёт свинец, то маркировка будет начинаться с «АС». Для отображения других элементов, действует тот же порядок, что и для конструкционных легированных сталей.
Маркировка подшипниковых
Маркировка у них, как у легированных, только с «Ш» в начале. У стали, полученной электрошлаковым переплавом, добавляют «Ш» в окончании названия через тире. Например, ШХ8-Ш.
Обозначения инструментальных легированных
Маркируются аналогично конструкционным легированным сталям. Процентное содержание углерода указывается в начале маркировки, но отличается тем, что умножается не на 100, а на 10. Если содержание углерода менее 1%, то цифру в начале названия марки стали не указывают.
Маркировка быстрорежущих
Они маркируются в начале наименования буквой «Р» и цифрой, указывающей на содержание вольфрама в стали, затем следуют буквы и цифры других легирующих элементов.
Маркировка коррозионно-стойких
Коррозионно-стойкие (нержавеющие), жаростойкие и жаропрочные имеют в обозначении цифры и записываются так же, как маркировка конструкционных легированных сталей. У литейных добавляется «Л».
Влияние легирующих элементов на свойства стали очень велико. Грамотно используя разнообразные добавки, можно получить самый разный материал, с самыми различными свойствами. Однако чтобы успешно использовать легирующие элементы, необходимо знать, что это такое, как они работают и как называются.
Общее описание веществ
Итак, как уже было сказано, влияние легирующих элементов на свойства стали велико. Что же это за элементы такие? Это вещества, которые вводятся в структуру стали и влияют на ее физические и химические характеристики. Материал, который получен в результате такого вмешательства, называется легированным. Сам же процесс - это технологическая процедура, основная задача которой - это улучшение или изменение изначальных характеристик сырья. Именно благодаря этой процедуре удается изменять любые свойства стали, делая ее пригодной для использования практически в любой сфере деятельности.
Легирующие элементы первого порядка
Естественно, что имеется несколько групп веществ, которые могут оказывать какое-либо действие на материал. В зависимости от степени использования и важности есть основные и вспомогательные реактивы. Влияние легирующих элементов на свойства стали из основной группы очень большое.
Наиболее распространенным считается углерод. Несмотря на то что он используется практически в любой процедуре, его влияние не совсем однозначное. С одной стороны содержание этого вещества в структуре около 1,2% улучшает такие качества, как прочность, твердость и хладноломкость. Однако с ростом этих свойств ухудшаются другие, к примеру, теплопроводность и плотность сырья. Кроме того, даже эти показатели не считаются главными. Как и введение любого другого вещества, добавление углерода в состав стали сопровождается определенной операцией. И вот здесь возникает важная разница. В результате этой процедуры не все реактивы способны сохранить свои компоненты в изначальной форме, некоторые просто теряются. Углерод же, в свою очередь, сохраняется полностью. Другими словами, во время проведения процедуры у операторов есть возможность полного контроля и регулирования количественного содержания этого вещества в структуре.
Другие вещества первой группы
Углерод - это не единственный легирующий элемент, влияющий на свойства стали сильнейшим образом. К основной категории относят также кремний и марганец. Хотя стоит отметить, что, к примеру, добавление кремния всегда очень минимальное, примерно 0,4%, а особых изменений этот реактив в структуру не вносит. Он используется в качестве основного окисляющего и связывающего вещества. Другими словами, эти компоненты являются связующим звеном, которое позволяет добавлять в состав стали другие важные компоненты таким образом, чтобы в итоге получилась целостная и прочная структура.
Элементы второго порядка
Количество веществ, входящих в эту группу, значительно больше. Влияние легирующих элементов на структуру стали из этой группы может быть самым разнообразным. Одним из наиболее используемых веществ стал молибден. Чаще всего эта добавка используется в хромистых сталях. Введение этой присадки значительно влияет на две характеристики стали - это увеличение прокаливаемости, а также значительное понижение порога хладноломкости. Чаще всего стали с содержанием молибдена используются строительной промышленностью. Кроме того, с его помощью создаются молибденовые компоненты. Эти вещества считаются очень эффективными, так как при добавлении их в материал они гарантируют динамическую, а также статическую прочность сырья. В то же время эти компоненты значительно уменьшают вероятность внутреннего окисления.
Еще одним представителем второй категории легирующих компонентов стал титан. Применение этой присадки довольно узкое, а используется она лишь в паре с хромомарганцевыми сплавами. В таких случаях титан способствует измельчению структурных зерен в этом материале. Содержание легирующих элементов, таких как кальций и свинец, к примеру, способствует тому, что процедура резки стали будет проходить гораздо легче. Потому и используются они лишь в тех металлических заготовках, которые после производства нужно будет резать на несколько частей.
Классификация реактивов
Стоит сказать, что кроме условного разделения на такие две категории, как основные и дополнительные элементы, существует более точная классификация. К примеру, это может быть связано с таким признаком, как степень механического воздействия на структуру вещества. По этому признаку все элементы можно разделить на три группы:
- влияние элементов, в результате которого образуются карбиды;
- элементы, оказывающие полиморфное влияние на сталь;
- элементы, введение которых формирует интерметаллические соединения.
Однако здесь очень важно отметить, что влияние реактивов из любой категории этого класса будет зависеть еще и от того, какие сторонние присадки будут присутствовать в сплаве. Кроме того, если углубляться в классификацию легирующих элементов в сплавах, то стоит сказать, что степень полиморфного влияния также можно разделить на несколько групп по характеру их воздействия на материал.
Общее описание улучшений посредством легирования
Если говорить в общем, то имеется несколько категорий, по которым можно разделить все легирующие элементы. Одни будут значительно влиять на механические качества материала, улучшая его технический ресурс. Чаще всего улучшаются такие показатели, как прочность, твердость, пластичность или же прокаливаемость. Еще одним направлением, на которое оказывают влияние эти элементы, являются защитные свойства. Легированная сталь отличается от обычной тем, что она значительно лучше противостоит ударам, у нее значительно выше красностойкость, повышена жаропрочность, а также улучшена стойкость к коррозии.
Некоторые сферы деятельности человека требуют улучшения таких качеств металла, которые можно отнести к электрохимическим. Если необходимо улучшить эту составляющую, то чаще всего акцентируют внимание на повышение электро- и теплопроводности, повышают сопротивляемость к окислению веществ.
Вредные присадки
Естественно, что любой процесс сопровождается еще и негативной стороной. Для легированных сталей такой стороной стало появление фосфора и серы, которые также относятся к легирующим реактивам. Однако от них стараются избавляться, а не добавлять в структуру. К примеру, наличие фосфора в составе железа сохранится даже после того, как пройдет весь процесс легирования. А взаимодействие этих двух компонентов вызывает хрупкость зерен стали. В результате продукт будет иметь более низкую прочность, а также повышенную хрупкость. Хотя стоит отметить, что если будут соединяться элементы фосфора и углерода, то будет улучшаться процесс отделения стружки, что поможет в дальнейшем легче обрабатывать сталь. Поэтому минимальное содержание фосфора все же присутствует в составе сплава.
Из основных легирующих элементов, которые считаются вредоносными, вторым стала сера. Стоит отметить, что содержание этой примеси еще хуже, чем фосфора. В частности это обусловлено тем, что сера нивелирует сопротивляемость металла внешним нагрузкам. Это значит, что наличие этого реактива в составе стали сделает ее менее устойчивой к коррозии, значительно повысит истираемость, а также снизит сопротивляемость усталости металла.
Как проходит легирование
Чаще всего процесс легирования проходит на металлургическом производстве. В расплавленную массу или же шихту добавляют необходимое количество тех веществ, которые были описаны выше. В результате последующей термической обработки происходит процесс соединения отдельных реактивов в цельную структуру и некоторая деформация. Таким образом, происходит улучшение качества сплава.
Подробное описание элементов
| Название легирующего элемента | Свойства сплава |
| Хром | Наличие этого вещества в составе сплава увеличивает его прочность и твердость, однако несколько снижается пластичность. Влияет на увеличение такой характеристики, как стойкость к коррозии. Если добавить более чем 13% хрома в структуру, то материал перейдет в группу нержавеющих сталей. |
| Введение этого компонента также влияет на увеличение сопротивляемости коррозии. Повышается прочность и пластичность сырья. Увеличивается степень прокаливаемости, а также изменяется коэффициент теплового расширения. | |
| Вольфрам | Присадка в виде вольфрама дает толчок к образованию таких веществ, как карбиды. Эти элементы сильно влияют на такие свойства, как красностойкость и твердость. Кроме того, устраняет процесс роста зерен во время нагрева, а также убирает хрупкость, возникающую во время отпуска изделия. |
| Ванадий | Так же, как и хром, увеличивает прочность и твердость, однако не вызывает ухудшения пластичности. Измельчает зерно. Способствует повышению плотности стали, так как выступает в роли окислителя. |
| Кремний | Если ввести в состав стали более 1% кремния, то это значительно увеличит прочность и сохранит вязкость материала. Также с ростом процентного содержания реактива будет увеличиваться электрическое сопротивление. |
| Марганец | Влияние марганца на свойства стали будет происходить лишь в том случае, если его содержание будет также 1% или более. Будет расти твердость, стойкость к износу, повышаться стойкость к ударным нагрузкам. При этом пластичность материала останется прежней. |
| Кобальт | Способствует повышению жаропрочности и магнитным свойствам сырья. |
| Молибден | Усиливает такие характеристики, как красностойкость, упругость и предел прочности. Кроме того, увеличивает сопротивление окислению при повышенных температурах. |
| Титан | Улучшает прочность, а также плотность стали. |
| Ниобий | Добавление ниобия усиливает стойкость к окислению. |
| Алюминий | Способствует измельчению зерна. |
| Медь | Используется для сталей строительного предназначения. Улучшает стойкость к коррозии. |
| Цирконий | Введение циркония измельчает зерно, а также позволяет получать в результате обработки материал с заранее заданной зернистостью. |
Также стоит добавить, что имеется обозначение легирующих элементов, которое служит для того, чтобы можно было быстро понять, какие именно вещества использовались для улучшения структуры.
Что происходит при введении реактивов?
Не стоит думать, что добавление таких веществ не влияет на взаимодействие их между собой. Чем больше вводится разнообразных легирующих веществ, тем сложнее протекает этот процесс. Введение новых элементов создает новые фазы, изменяет процесс термической обработки, приводит к созданию новых структурных составляющих. Также здесь стоит отметить, что все элементы находятся в разном положении. Некоторые находятся в свободном состоянии (медь, свинец), некоторые образуют интерметаллидные соединения - металл-металл и т. д.
Мартенситные стали
Имеется такой вид стали, который относят к мартенситному. Введение определенных легирующих элементов в состав такого материала будет сказываться довольно негативным образом. К примеру, марганец, молибден или хром будут снижать мартенситную точку нагрева, а также способствовать увеличению аустенитного остатка. Эти качества будут негативно сказываться на конечном качестве материала после закалки.
Отпуск сырья
Присутствие легирующих элементов также оставит свой отпечаток и на отпуске стали. Большое количество реактивов будет уменьшать скорость превращения и повышать температуру, требуемую для превращения. По этой причине все легированные сплавы отпускаются при температуре на 100-150 градусов выше, чем обычные.
Подведение итогов
Процесс легирования - это сложный технологический процесс, который используется для улучшения или изменения изначальных характеристик стали. Во время этой процедуры используются основные легирующие элементы или второстепенные. Могут использоваться реактивы из обеих групп сразу. Также стоит помнить о том, что добавление некоторых элементов будет не только улучшать определенные характеристики, но и ухудшать другие. А потому прежде, чем приступить к данному процессу, необходимо проводить тщательные расчеты. Для выполнения этой задачи на заводах и фабриках присутствуют технологи, которые устанавливают состав для каждой марки стали, а также точно определяют количество, какое необходимо добавить в массу, чтобы достичь нужного эффекта.
Легированные стали. Основные легирующие элементы в сталях, их влияние на структуру и свойства. Промышленные стали. Их назначение, требуемые свойства, термическая обработка.
Появление и широкое распространение легированных сталей обусловлено непрерывным ростом требований, предъявляемых к материалам.
Легированными называют стали, содержащие в своем составе кроме обычных примесей специально вводимые элементы, в количестве, обеспечивающем требуемые физические и механические свойства. Эти элементы называются легирующими.
Для легирования стали применяют хром (Cr), никель (Ni), марганец (Mn), кремний (Si), вольфрам (W), молибден (Mo), ванадий (V), кобальт (Co), титан (Ti), алюминий (Al), медь (Cu) и другие элементы. Марганец считается легирующим компонентом лишь при содержании его в стали более 1 %, а кремний – при содержании более 0,8 %. Легирующие элементы либо распределяются между фазами, существующими в обычной углеродистой стали (феррит и цементит) и, таким образом, изменяют их состав и свойства, либо образуют новые фазы, характерные только для легированных сталей
(интерметаллидные соединения, специальные карбиды и т. д.).
Легирующие элементы изменяют критические точки стали и оказывают существенное влияние на кинетику фазовых превращений, протекающих в стали при термической обработке.
По характеру влияния на критические температуры полиморфного превращения железа легирующие элементы разделяются на две группы. К первой группе относятся Ni,Mn,N,Cuи другие элементы, расширяющие область существования γ - твердого раствора (рис.1а). Эти элементы сFeα иFeγ образуют твердые растворы замещения (легированный феррит и легированный аустенит), повышают точку А 4 и понижают точку А 3. При содержании некоторых элементов этой группы вышеn(рис.1а) критическая точка превращения γ-α находится ниже комнатной температуры. Такие сплавы даже при медленном охлаждении приобретают структуру γ - твердого раствора (легированного аустенита).
а)Ni,Mn,Cu,Co,N,Cи др. б)Cr,Si,W,Mo,V,Alи др.
Рис.1. Влияние легирующих элементов на критические точки железа (схема).
Ко второй группе относятся Cr,Si,W,Mo,Vи другие элементы, ограничивающие область существования γ -твердого раствора (рис.1б). Эти элементы понижают точку А 4 и повышают точку А 3 . При содержании элемента этой группы в количествах, превышающихm(рис.1б), сплавы при всех температурах вплоть до температуры плавления имеют строение α -твердого раствора (легированного феррита).
Легирующие элементы оказывают существенное влияние на положение критических точек SиEдиаграммыFe-Fe 3 C. Большинство элементов(Ni,Si,Co,Cr,W,Mn) сдвигает их влево, т.е. в сторону уменьшения содержания углерода. Сильные карбидообразующие элементы (V,Ti,Nb), наоборот, повышают содержание углерода в эвтектоиде, т.е. сдвигают точкуSвправо.
Все легирующие элементы, кроме алюминия и кобальта, увеличивают устойчивость переохлажденного аустенита (сдвигают С-образные кривые вправо) и, следовательно, уменьшают критическую скорость закалки. Поэтому закалка изделий из легированных сталей производится при относительно невысоких скоростях охлаждения (в масле или даже на воздухе).
Легирующие элементы за исключением алюминия, кобальта и кремния снижают температуру начала мартенситного превращения и тем самым способствуют увеличению количества остаточного аустенита в закаленной стали.
По отношению к углероду легирующие элементы также разделяются на две группы:
элементы, не образующие в сталях карбидов (Ni,Si,Co,Cu,Al);
элементы, образующие карбиды (Mn,Cr,W,Mo,V,Ti,Nbи др.).
элементы первой группы полностью растворяются в твердом растворе (феррите, аустените). Элементы второй группы частично растворяются в твердом растворе и частично идут на образование карбидов.
Карбидообразующие элементы обладают большим, чем железо, сродством к углероду. По возрастанию сродства к углероду, а следовательно устойчивости карбидных фаз, карбидообразующие элементы располагаются в следующий ряд: Fe-Mn-Cr-Mo-W-V-Nb-Zr-Ti. Чем устойчивее карбид, тем труднее он растворяется в аустените и выделяется при отпуске.
При введении в сталь в сравнительно небольшом количестве легирующий карбидообразующий элемент сначала растворяется в цементите, замещая часть атомов железа; при этом образуется легированный цементит, например (FeMn) 3 C. С увеличением содержания легирующего элемента сверх предела растворимости образуются специальные карбиды типа Сr 7 С 3 ,Mn 3 Cи др.
По строению кристаллической решетки различают карбиды двух типов. К карбидам первой группы относятся Fe 3 C,Mn 3 C, Сr 7 С 3, Cr 23 C 6 . Такие карбиды недостаточно прочны и при нагреве в процессе термической обработки стали распадаются с образованием твердого раствора легирующих элементов в аустените.
Карбиды второй группы Mo 2 C,WC,TiCимеют простые кристаллические решетки. Они характеризуются большей прочностью и распадаются при более высоких температурах нагрева. Все карбиды обладают высокой твердостью, но твердость карбидов второй группы несколько выше твердости карбидов первой группы.
С повышением дисперсности карбидов растет твердость и прочность стали.
Маркировка легированных сталей.
В России принята буквенно-цифровая система маркировки легированных сталей. Обозначения состоят из цифр и букв, указывающих на примерный состав стали.
Каждому легирующему элементу присвоена буква русского алфавита: А-азот, Б- ниобий, В-вольфрам, Г-марганец, Д-медь, Е-селен, К-кобальт, М-молибден, Н-никель, П- фосфор, Р- бор, С-кремний, Т-титан, Ф-ванадий, Х-хром, Ц- цирконий, Ч-иттрий и редкоземельные металлы, Ю- алюминий.
В конструкционных сталях первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента (например, в стали 30ХГСА- примерно 0,3%С).В инструментальных сталях цифры соответствуют десятым долям процента(сталь 5ХНМ- 0,5%С). Если сталь имеет более 1% углерода, то
начальную цифру, характеризующую содержание углерода, обычно опускают (стали ХВГ, В1).
Цифры, стоящие после букв, обозначающих легирующие элементы, указывают приблизительное содержание легирующего элемента в целых процентах (например, в стали 34ХН3М содержание никеля-3%). При содержании легирующего элемента менее 1% цифра после буквы не ставится.
Буква в конце марки означает: А - данная сталь относится к высококачественной, что в основном определяется количеством вредных примесей серы и фосфора; Л - сталь относится к литейным; Ш и ВД- особо высококачественная сталь, полученная электрошлаковым и вакуумно-дуговым переплавом.
Для сталей специального назначения применяют дополнительную индексацию. Буквы вначале марки стали обозначают: А - автоматная, Ш- шарикоподшипниковая, Р- быстрорежущая, Е- магнитотвердая, Э- электротехническая.
Классификация легированных сталей.
Легированные стали делятся:
2) по суммарному количеству легирующих элементов : низколегированные (до 2%), среднелегированные (2,5-10%), высоколегированные (более 10%);
3) по химическому составу : хромистые, хромоникелевые, марганцовистые и т.д.;
4) классификация легированных сталей по структуре:
По структуре в равновесном состоянии, т.е. после медленного охлаждения(отжига), стали разделяются на следующие группы:
доэвтектоидные стали , имеющие в структуре избыточный легированный феррит;
эвтектоидные , имеющие перлитную структуру;
заэвтектоидные, имеющие в структуре избыточные (вторичные) карбиды;
ледебуритные стали, имеющие в структуре первичные карбиды, выделившиеся из жидкой стали. Образование карбидной эвтектики типа ледебурита в подобных сталях при их кристаллизации связано с тем, что ряд легирующих элементов сдвигает точку Е диаграммыFe-Fe 3 Cвлево, т.е. в сторону меньшего содержания углерода. Так, например, в стали, содержащей 5% хрома, предельная растворимость углерода в аустените (точка Е) смещается до 1,3%, а при содержании хрома 10% - до 1,0% С.
Ледебуритные стали содержат таким образом, меньше углерода, чем белые чугуны, и поэтому могут подвергаться горячей обработке давлением. Врезультате ковки первичные карбиды принимают форму обособленных частиц.
К сталям ледебуритного класса принадлежат бысрорежущие стали (Р 6 М 5, Р18)
К ферритному классу относятся малоуглеродистые стали, легированные большим количеством элементов, сокращающих область существования γ-твердого раствора. Стали этого класса имеют ферритную структуру с небольшим количеством карбидов. Феррит не претерпевает превращений (перекристаллизации) при нагреве вплоть до температуры плавления. Примерами таких сталей являются трансформаторные стали, высокохромистые коррозионностойкие и жаростойкие стали (08Х13, 08Х17Т, 15Х25Т и др.)
В зависимости от структуры, получаемой при охлаждении на воздухе (нормализации) принято разделять стали на три класса:перлитный мартенситный и аустенитный.
Для легированных сталей перлитного класса кривая охлаждения на воздухе пересекает область перлитного превращения переохлажденного аустенита (рис.2а), и после нормализации образуется структура феррито-карбидной смеси (перлита, сорбита, троостита). По структуре в равновесном состоянии (после отжига) перлитные стали разделяются на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные стали. К этому классу относятся все конструкционные и некоторые инструментальные легированные стали с суммарным содержанием легирующих элементов 5-8%.
Рис.2. Диаграмма изотермического распада аустенита различных классов стали:
а – перлитного; б – мартенситного; в – аустенитного
К мартенситному классу принадлежат стали, которые после охлаждения на воздухе (нормализации) приобретают структуру мартенсита с небольшим количеством остаточного аустенита. Суммарное содержание легирующих элементов в этих сталях составляет 10-15%. Повышенное содержание легирующих элементов обусловливает значительное смещение С-образных кривых вправо, и аустенит подобных сталей в условиях нормализации переохлаждается без распада до температуры мартенситного превращения (рис.2б). К мартенситному классу относятся хромистые нержавеющие стали (20Х13) и жаропрочные (15Х11МФ и др.), применяющиеся для лопаточного аппарата паровых и газовых турбин.
Аустенитный класс составляют стали с высоким содержанием никеля или марганца, т.е. элементов, расширяющих область существования γ -твердого раствора (легированного аустенита). При комнатной температуре эти стали имеют структуру аустенита. Общее содержание легирующих элементов в аустенитных сталях составляет 10-40% и более. Столь высокое содержание легирующих элементов приводит не только к резкому смещению С-образных кривых вправо, но и к снижению температуры начала мартенситного превращения в область отрицательных температур (рис.2.в).
К аустенитному классу принадлежат нержавеющие, кислотостойкие, жаропрочные и др. стали с особыми свойствами (стали 12Х18Н9Т, Х18Н10Т и др).
К промежуточным классам относятся: мартенсито-ферритный, аустенито-мартенситный, аустенитно-ферритный.
Легирующие элементы – химические элементы, специально вводимые в сталь для получения заданных свойств. Улучшают , физические и химические свойства основного материала.
Основным легирующим элементом является хром (0,8…1,2)%. Он повышает прокаливаемость, способствует получению высокой и равномерной стали. хромистых сталей — (0…-100) o С.
Дополнительные легирующие элементы:
- Бор — 0.003%. Увеличивает прокаливаемость, а такхе повышает порог хладоломкости (+20…-60 o С .
- Марганец – увеличивает прокаливаемость, однако содействует росту зерна, и повышает порог хладоломкости до (+40…-60) o С.
- Титан (см. ) (~0,1%) вводят для измельчения зерна в хромомарганцевой стали.
- Введение молибдена (0,15…0,46%) в хромистые стали увеличивает прокаливаемость, снижает до –20…-120 o С . Молибден увеличивает статическую, динамическую и усталостную прочность стали, устраняет склонность к внутреннему окислению. Кроме того, молибден снижает склонность к сталей, содержащих никель.
- Ванадий в количестве (0.1…0.3) % в хромистых сталях измельчает зерно и повышает и .
- Введение в хромистые стали никеля , значительно повышает прочность и прокаливаемость, понижает порог хладоломкости, но при этом повышает склонность к отпускной хрупкости (этот недостаток компенсируется введением в сталь молибдена). Хромоникелевые стали, обладают наилучшим комплексом свойств. Однако никель является дефицитным, и применение таких сталей ограничено.Значительное количество никеля можно заменить медью, это не приводит к снижению вязкости.
При легировании хромомарганцевых сталей кремнием получают, стали – хромансиль (20ХГС, 30ХГСА) . Стали обладают хорошим сочетанием прочности и , хорошо свариваются, штампуются и обрабатываются резанием.Кремний повышает ударную вязкость и температурный запас вязкости.
Добавка свинца, кальция – улучшает обрабатываемость резанием. Применение упрочнения улучшает комплекс .
Распределение легирующих элементов в стали.
Легирующие элементы растворяются в основных железоуглеродистых сплавов (феррит, аустенит, цементит), или образуют специальные карбиды. Растворение легирующих элементов в Fe α происходит в результате замещения атомов железа атомами этих элементов. Эти атомы создают в решетке напряжения, которые вызывают изменение ее периода. Изменение размеров решетки вызывает изменение свойств феррита – прочность повышается, пластичность уменьшается. Хром, молибден и вольфрам упрочняют меньше, чем никель, кремний и марганец. Молибден и вольфрам, а также кремний и марганец в определенных количествах, снижают вязкость.
В сталях карбиды образуются металлами, расположенными в таблице Менделеева левее железа (хром, ванадий, ), которые имеют менее достроенную d – электронную полосу.
В процессе карбидообразования углерод отдает свои валентные электроны на заполнение d – электронной полосы атома металла, тогда как у металла валентные электроны образуют металлическую связь, обуславливающую металлические свойства карбидов.
При соотношении атомных радиусов углерода и металла более 0,59 образуются типичные химические соединения: Fe 3 C, Mn 3 C, Cr 23 C 6 , Cr 7 C 3 , Fe 3 W 3 C – которые имеют сложную кристаллическую решетку и при нагреве растворяются в аустените.
При соотношении атомных радиусов углерода и металла менее 0,59 образуются фазы внедрения: Mo 2 C, WC, VC, TiC, TaC, W 2 C – которые имеют простую и трудно растворяются в аустените.