Классификация легирующих элементов

ЛЕГИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ

Основные определения и понятия

Специальные стали – это сплавы на основе железа, отли­чающиеся от обычных сталей особыми свойствами, обу­словленными либо их химическим составом, либо особым способом производства, либо способом их обработки.

В большинстве случаев специальные стали содержат легирующие элементы.

Легирующими элементами называют химические эле­менты, специально введенные в сталь для получения тре­буемых строения, структуры, физико–химических и механи­ческих свойств.

Основными легирующими элементами в сталях являют­ся Мn, Si, Сг, Ni, Мо W, Со, Сu, Тi, V, Zr, Nb, Аl, В. В не­которых сталях легирующими элементами могут быть также Р, S, N, Se, Те, Рb, Се, Lа и др. Перечисленные элемен­ты, а также Н, О, Sn, Sb, Аs, Вi могут быть также приме­сями в стали. Содержание легирующих элементов в стали может колебаться от тысячных долей процента до десят­ков процентов.

Примесями называют химические элементы, перешед­шие в состав стали в процессе ее производства как техно­логические добавки или как составляющие шихтовых ма­териалов. Содержание примесей в стали обычно ограничи­вается следующими пределами: Мn £ 0,8 %, Si £ 0,4 %, Сг £ 0,3 %, Ni £ 0,3 %, Сu £ 0,3 %, Мо £ 0,10 %, W £ 0,2 %, Р £ 0,025–0,040 %, S £ 0,015–0,050 %.

Легированные стали – это сплавы на основе железа, в химический состав которых специально введены легирую­щие элементы, обеспечивающие при определенных спосо­бах производства и обработки требуемую структуру и свойства.

Некоторые легирующие элементы (V, Nb, Тi, Zr, В) могут оказывать существенное влияние на структуру и свойства стали при содержании их в сотых долях процента (В – в тысячных долях процента). Такие стали иногда на­зывают микролегированными.

Из приведенных определений видно, что понятие спе­циальные стали более широкое, чем понятие легированные стали, так как к специальным сталям, кроме легирован­ных, могут относиться и углеродистые стали, если им при­даны специальные свойства посредством определенных спо­собов производства и обработки. Так, к специальным сталям относятся следующие углеродистые стали определен­ного назначения и качества: качественные конст­рукционные, инструментальные, термичес­ки упрочненные, для холодной штампов­ки и др.

Классификация легирующих элементов

Согласно общепринятой классификации железо и сплавы на его основе относятся к черным металлам, а все остальные металлы и сплавы на их основе – к цветным. Легирующие элементы – металлы можно условно разделить на следующие группы:

Металлы железной группы. К ним относятся металлы кобальт, никель, а также близкий к ним по свойствам мар­ганец.

Тугоплавкие металлы. К ним относятся металлы, имею­щие температуру плавления выше, чем у железа, т. е. вы­ше 1539 °С. Из тугоплавких металлов, наиболее часто ис­пользуемых в качестве легирующих элементов в стали, можно отметить вольфрам, молибден, ниобий, а также, ванадий и хром.

Легкие металлы. Из этой группы легирующих элемен­тов наиболее часто применяют титан и алюминий.

Редкоземельные металлы (РЗМ). К этой группе отно­сятся лантан, церий, неодим, а также близкие к ним по свойствам иттрий и скандий. Редкоземельные металлы час­то используют в виде так называемого мишметалла, со­держащего 40–45 % церия и 45–50 % всех других редко­земельных металлов.

В сплавах железо – углерод классификацию легирую­щих элементов можно проводить по степени сродства леги­рующих элементов к углероду по сравнению со сродством к нему железа. По этому признаку различают карбидообразующие и некарбидообразующие легирующие элементы. Карбидообразующие легирующие элементы (Тi, Zr, V, Nb, Та, Сr, Мо, W, Мn), а также железо могут образовывать в стали карбиды. Некарбидообразующие элементы (Сu, Ni, Со, Si, Аl) карбидов в стали не образуют. Склонность к карбидообразованию у легирующих элементов тем силь­нее, чем менее достроена d–оболочка у металлического ато­ма.

Легирующие элементы изменяют температуру поли­морфных превращений в железе, т. е. точки А₃ и А₄, тем самым, влияя на вид диаграмм железо – элемент.

По влиянию легирующих элементов на диаграмму со­стояния их можно разделить на две группы, каждая из ко­торых в свою очередь делится на две подгруппы. На рис. 1.1 приведена схема, иллюстрирующая класси­фикацию легирующих элементов по их влиянию на поли­морфизм железа.

а – открытая; б – расширенная; в – закрытая; в – суженная

Рисунок 1.1 – Влияние легирующих элементов на вид g–области диаграммы железо – легирующий элемент

.

К первой группе относятся легирующие элементы, рас­ширяющие g–область (рис. 1.1а, б). Расширение g–области будет происходить в том случае, если легирующий элемент повышает точку А₄ и понижает точку А₃. При этом воз­можно существование g–фазы во всем интервале концентра­ций (открытая g–область) и ограничение области существо­вания g–фазы вследствие появления новых фаз и образо­вания гетерогенных областей (расширенная g–область).

Таким образом, легирующие элементы первой группы можно еще разделить на элементы, образующие с железом сплавы со структурой неограниченного гомогенного твердого раствора (рис. 1.1а), к ним относятся никель, марганец, кобальт, палладий, платина, и на элементы, образую­щие сплавы, в которых гомогенная область ограничивается гетерогенной вследствие образования новых фаз (рис. 1.1б). К таким элементам относятся: углерод, азот, медь, цинк.

Ко второй группе относятся элементы, сужающие g–об­ласть (рис.1.1в, г). Сужение g–области будет происходить в том случае, если легирующий элемент понижает точку А₄ и повышает точку А₃. При определенной концентрации ле­гирующего элемента может происходить полное замыкание g–области. В этой группе различают также двойные систе­мы с замкнутой g–областью и гомогенной a–областью (за­крытая g–область, рис. 1.1б) и системы, в которых g–область ограничена областью гетерогенных структур (суженная – g–область, рис. 1.1г).

Таким образом, легирующие элементы второй группы разделяют на элементы, образующие с железом сплавы с полностью замкнутой g–областью и образованием гомоген­ной a–области (Be, Al, Si, V, Cr, Mo, W, Ti, As, Sn, Sb), и элементы, образующие с железом сплав с суженной g–областью, ограниченной гетерогенной областью (Re).