ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Общие положения

Появление и широкое распространение легированных сталей обусловлено ростом требований, которые выдвигаются к материалам при развитии техники. Легирование проводят с целью изменения механических, физических, химических и технологических свойств металлов. Для этого в сталь вводят элементы, которые называют легирующими.

Основными легирующими элементами являются Сг, Nі, Мо, Al, V, W, Те, Zr. Кремний и марганец также считаются легирующими элементами, если их содержание в стали превышает 0,4% (для Sі) и 0,8% (для Mn). В количестве до 0,1% вводят Nb, Ti, а содержание бора при легировании не превышает 0,003%. Легирование, когда концентрация элемента составляет меньше 0,1%, называют микролегированием. Если общее количество легирующих элементов не превышает 2,5%, то такие стали относят к низколегированным. Среднелегированные стали содержат до 10%, а высоколегированные – более 10% легирующих элементов.

Легирующие элементы преимущественно растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов (феррите, аустените, цементите) или при увеличении их содержания могут принимать участие в образовании специальных карбидов. Твердый раствор углерода и легирующих элементов в a-железе определяется как легированный феррит, а в g-железе – как легированный аустенит. Легированный цементит это твердый раствор углерода и легирующих элементов в цементите.

В большинстве конструкционных сталей феррит является основной структурной составляющей, которая занимает не менее 90% объема металла. Поэтому от свойств феррита в значительной степени зависят свойства стали в целом. Растворение легирующих элементов в феррите проходит в результате замещения атомов железа атомами этих элементов. При этом происходит увеличение или уменьшение параметра кристаллической решетки a-железа. Элементы с меньшим атомным радиусом, чем у железа, уменьшают параметр решетки, а с более большим – повышают.

Изменение параметров решетки ведет к повышению прочности и уменьшению пластичности a-железа. Чем большей является разница в атомных размерах железа и легирующего элемента, тем более значительными будут искажения кристаллической решетки и, соответственно, твердость, прочность, но ниже пластичность и особенно вязкость феррита. Все основные легирующие элементы повышают твердость феррита. Наиболее упрочняют феррит Si, Mn, Ni. При общем наличии этих элементов более 4% твердость феррита увеличивается до 160…220 HB.

Молибден и вольфрам, а также марганец и кремний (при содержании последних более 1%) снижают вязкость феррита. Хром уменьшает вязкость слабее перечисленных элементов, а никель в количестве до 3% повышает вязкость феррита, а при большем количестве – незначительно её уменьшает.

Порог хладноломкости снижает только никель, другие элементы его повышают, что влечет за собой повышение склонности к хрупкому разрушению.

Таким образом, наиболее ценным является влияние никеля. Упрочняя феррит, он не снижает его вязкости и одновременно понижает порог хладноломкости.

По взаимодействию с углеродом легирующие элементы распределяются на карбидообразующие, графитизирующие и нейтральные элементы.

Карбиды могут образовывать элементы, имеющие менее достроенную d-электронную орбиталь в сравнении с железом. Чем более она недостроенная и, таким образом, меньше электронов на d-орбитали, тем более выражена склонность легирующего элемента к карбидообразованию и выше стойкость карбидной фазы. Чем более стойкий карбид, тем труднее он растворяется в аустените и выделяется при отпуске. По сродству к углероду и стойкости карбидных фаз карбидообразующие элементы распределяются в следующий ряд: Fe - Mn - Cr - Mo - W - Nb -Zr - Ti.

Природа карбидной фазы легирующих элементов зависит от соотношения R_c/R_m, где R_с – атомный радиус углерода, а R_m – атомный радиус легирующего элемента. В соответствии с этим карбиды легирующих элементов возможно распределить на две группы.

К первой группы относятся карбиды железа, марганца, хрома, для которых R_с/R_m > 0.59. Они являются типичными химическими соединениями и существуют при следующих стехиометрических соотношениях металла 0(Ме) и углерода (С): Мe₃C, Mе₆C, Ме₇C₃, Ме₂₇C₆. Эти карбиды являются недостаточно стойкими и при нагревании в процессе термической обработки распадаются с образованием твердого раствора легирующих элементов в аустените.

Карбиды второй группы, для которых R_c/R_m <0.59, представляют собой фазы внедрения и имеют простой тип решетки. Такие карбиды образуют карбидообразующие элементы (Mo, W, V, Nb, Ti). Фазы внедрения отличаются высокой твердостью и тугоплавкостью. Например, твердость карбида вольфрама достигает 18 000 МПА, карбида титана - 30 000 МПА, а температуры плавления, соответственно, 3500^оС и 3200^оС. Для растворения таких карбидов, как WC, NbC, TiC, сталь необходимо нагревать до 1300^оС. Это означает, что даже при высокотемпературном нагреве они не могут перейти в твердый раствор. В этом их отличие от карбидов первой группы, которые при нагреве легко растворяются в аустените.

Легирующие элементы, растворенные в железе, влияют на температурный интервал полиморфных превращений. Если с помощью двойных диаграмм провести анализ влияния легирующих элементов на область существования a- и g-железа, то по этому признаку все легирующие элементы разделяются на две группы.

К первой группы относят аустенитообразующие элементы, которые повышают критическую точку А₄ и снижают А₃, расширяя таким образом g-область. Вторую группу составляют ферритообразующие элементы, которые снижают критическую точку А₄ и повышают А₃. При этом происходит выклинивание g-области (рис. 19).

К элементам, которые расширяют область существования аустенита, относятся Ni, Mn, Co, Cu, Pt, Ru, Os. Начиная с некоторых концентраций этих легирующих элементов, стали при комнатной температуре имеют состояние g - твердого раствора. Такие стали называют аустенитными.

К элементам, которые расширяют область существования феррита, относятся Cr, Mo, Si, Al, V, W, Ti. При легировании в большом количестве ферритообразующими элементами стали будут иметь ферритную структуру и называться ферритными.

t,^oC t,^oC

Содержание легирующего элемента, %

Рисунок 19 – Влияние легирующих элементов на температуры

полиморфных превращений в стали

Легирующие элементы, которые только растворяются в феррите или цементите, не образуя специальных карбидов, влияют на кинетику распада аустенита только количественно. Кобальт ускоряет превращение, другие элементы (Mn, Ni, Cu) замедляют его.

Карбидообразующие элементы вносят не только количественные, но и качественные изменения в кинетику аустенитного превращения. Их влияние на скорость распада аустенита зависит от температуры:

- при 700...500⁰С – замедляют превращение;

- при 500... 400⁰С – значительно замедляют превращение;

- при 400…300 ⁰С – ускоряют превращение.

Таким образом, в сталях с карбидообразующими элементами (Cr, Mo, W и др.) наблюдаются два максимума скорости изотермического распада аустенита, разделенных областью высокой устойчивости переохлажденного аустенита (рис. 20).

Легирующие элементы влияют на мартенситное превращение. Аl и Co повышают температуру его начала, Mn и Si не влияют, а большинство элементов снижает её, увеличивая при этом количество остаточного аустенита.

Рисунок 20 – Влияние легирующих элементов на кинетику распада

переохлажденного аустенита

Легирующие элементы влияют на рост зерна аустенита. Все элементы, за исключением марганца и бора, уменьшают склонность аустенитного зерна к росту. Карбидообразующие элементы в результате барьерного действия карбидов сильно уменьшают рост зерна. Некарбидообразующие элементы относительно слабо влияют на рост зерна.

Легирующие элементы влияют на превращения при отпуске. Они замедляют процесс распада мартенсита, поскольку препятствуют диффузии углерода, особенно это относится к карбидообразующим элементам. Для получения одинаковых результатов сталь, легированную такими элементами, как хром, молибден, кремний нужно нагревать при отпуске до более высокой температуры или увеличивать длительность отпуска по сравнению с углеродистой сталью.

Легирующие элементы влияют на концентрацию углерода в перлите и аустените, сдвигая точки S и E (на диаграмме Fе-С) в сторону меньшего содержания углерода.

Легированные стали можно классифицировать:

- по структуре в равновесном состоянии;

- по структуре образцов после охлаждения на воздухе;

- по назначению.

По структуре в равновесном состоянии различают такие классы легированных сталей: доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные. Наличие ледебурита в легированных сталях может иметь место при содержании углерода значительно ниже 2,14%, Например, при содержании хрома 5%, сталь с 1,5% углерода является ледебуритной. Наличие ледебурита в легированных сталях значительно слабее уменьшает их пластичность, по сравнению с чугунами, что позволяет подвергать их горячей пластической деформации.

По структуре образцов после охлаждения на спокойном воздухе возможно выделить три основных класса сталей: перлитный, мартенситный и аустенитный.

Наличие мартенситных и аустенитных сталей обусловлено тем, что по мере увеличения содержания легирующих элементов стойкость аустенита в перлитной области растет, а температура мартенситного превращения снижается. Первое обстоятельство приводит к тому, что даже при незначительных скоростях охлаждения может происходить мартенситное превращение. Второе обстоятельство объясняет наличие аустенитной структуры при комнатной температуре.

Стали перлитного класса характеризуются относительно малым содержанием легирующих элементов, мартенситного класса – более значительным, аустенитного класса – еще более высоким содержанием легирующих элементов.

По назначению легированные стали подразделяются на конструкционные, инструментальные, а также стали с особенными свойствами (нержавеющие, жаропрочные, жаростойкие, электротехнические, магнитные и т. д.).

Легированные стали маркируются цифрами и буквами. Для конструкционных сталей цифры в начале маркировки определяют количество углерода в сотых долях процента, буквы - легирующие элементы, цифры за буквами - количество легирующих элементов в процентах. Отсутствие цифры за буквами указывает на то, что содержание этого легирующего элемента не превышает 1%.

В инструментальных сталях цифра в начале марки показывает содержание углерода в десятых долях процента. Начальную цифру опускают, если содержание углерода 1%.

Обозначают легирующие элементы следующими буквами алфавита: Х – хром, Г –марганец, Н – никель, М – молибден, С – кремний, Ф – ванадий, В – вольфрам, К – кобальт, Ю – алюминий, Д – медь, П – фосфор, Т – титан, Р – бор, Б – ниобий, Ц – цирконий, Е – селен, А – азот, Ч – редкоземельные элементы.

Буквы в начале маркировки определяют назначение стали: А - автоматные, Ш - шарикоподшипниковые, Р – быстрорежущие, Е - магнитные, Э - электротехнические.

Буквы в конце маркировки указывают на качество сталей (А-высококачественные) или на способы дополнительного переплава при изготовлении (Ш - электрошлаковый, ВД - вакуумно-дуговой, ВИ - вакуумно-индукционный, ПД – плазменно-дуговой).