8. Легированные стали

Легированные стали – стали, содержащие дополнительные компоненты (легирующие элементы), которые вводятся для получения требуемых технологических и эксплуатационных свойств. Для легирования используются хром, никель, кремний, марганец, вольфрам, молибден, ванадий и другие химические элементы.

Некоторые элементы имеют большее сродство к кислороду, сере, фосфору, чем железо и образуют неметаллические включения: оксиды (MnO, Al₂O₃, SiO₂, P₂O₅), сульфиды (MnS), фосфиды (Fe₃P). Количество этих включений в обычных промышленных сталях невелико.

Легирующие элементы, имеющие большее сродство к углероду, чем железо, образуют простые и сложные карбиды.

Кремний, алюминий, медь, никель, магний, не образуют карбидов. Находятся в сталях в твердых растворах (в аустените или в феррите). При определенных условиях снижают устойчивость других карбидов.

Серебро и свинец не растворяются в железе и присутствуют, в структуре стали в виде отдельных металлических включений. Поэтому стали легированные серебром, свинцом (кроме автоматных сталей) и медью (более 1,0 %) промышленного использования не имеют.

В процессе длительного нагрева выше 900 °С происходит рост зерен аустенита – перегрев стали. Легирующие элементы в той или иной мере уменьшают склонность к росту зерен аустенита. Наиболее сильно тормозят укрупнение зерен аустенита – V, Ti, Al, Zr; в меньшей степени – W, Mo, Cr; почти не влияют – Ni, Si.

1. Влияние малых концентраций легирующих элементов

В небольшом количестве легирующие элементы замещают атомы железа в твердых растворах (аустенит, феррит, мартенсит, цементит) и влияют на их свойства и температурные интервалы существования.

Большинство легирующих элементов замедляет распад переохлажденного аустенита на феррито-цементитную смесь за счет замедления скорости диффузии углерода. Некоторые элементы (Mn, Ni, Si) не изменяют форму кривых на С-образной диаграмме (см. рис. 8.1,а). При введении Cr, W, V, Ti на С-образной диаграмме изменяется как форма кривых, так и сами кривые смещаются вправо по оси времени (рис. 8.1,б). Это приводит к уменьшению критической скорости охлаждения при закалке и позволяет упрочнять более массивные изделия по сравнению с изделиями, изготовленными из углеродистых сталей. Прокаливаемость углеродистых сталей – 10–15 мм, легированных сталей – до 100–200 мм и больше. Наиболее эффективно повышает прокаливаемость введение одновременно нескольких элементов: Сг–Mo, Cr–Ni, Сг–Ni–Mo и др.

Такие легирующие элементы как Si, Mn и Ni растворяются в феррите по типу замещения и повышают его прочность. При введении 4 % Si твердость феррита (60–80 НВ) возрастает до 200 НВ. Меньшее влияние оказывают Mo, W и Cr. При нагреве легированный мартенсит более устойчив, чем нелегированный. Это влияние легирующих элементов на мартенсит используется при создании жарочных сталей.

Цементит образует твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов, например азотом. Легирующие элементы, имеющие большее, чем у железа сродство к углероду, замещают атомы железа в цементите с образованием легированного цементита: например (FeMn)₃C вместо Fe₃C. Однако если марганец может заместить в решетке цементита все атомы железа с образованием карбида – (Mn)₃C, то хром – 25 %, молибден – 3 %, вольфрам – 1 %. Более сильные карбидообразующие элементы (Ti, Nb, V, Zr) мало растворяются в цементите и образуют специальные карбиды.

2. Влияние больших концентраций легирующих элементов

Карбидообразующие элементы. Большинство легирующих элементов имеют высокую степень сродства к углероду и способны образовывать карбиды. К ним относятся переходные металлы с не полностью достроенной 4s-электронной оболочкой (Fe–Mn–Cr–Mo–W–Nb–Zr–Ti). Чем меньше электронов на оболочке, тем устойчивее образующийся карбид. По сравнению с карбидами, имеющими сложные кристаллические решетки (Fe₃C, Mn₃C, Cr₇C₃), карбиды, имеющие простые решетки (Mo₂C, WC, VC, NbC) имеют более высокую твердость, разлагаются и растворяются в аустените при более высоких температурах, медленнее растут. Сталь с такими карбидами более износо- и теплостойкая. Под закалку ее нагревают до более высоких температур.

Некоторые легирующие элементы, вводимые в большом количестве, могут образовывать интерметаллические соединения (Fe₂W, Co₇W₆, Ni₃Ti и др.), что оказывает большое влияние на формирование структуры и свойства высоколегированных сталей.

3. Влияние на температуру превращения Fe_Fe_

Аустенитообразующие элементы (Cu, N, особенно Ni, Mn, Co) расширяют температурную область существования легированного аустенита, т. е. могут существовать твердые растворы с высокой предельной растворимостью элементов в ГЦК решетке железа до комнатной температуры и ниже. Такие сплавы называют аустенитными сталями.

Ферритообразующие элементы (Cr, Si, Al, Mo, V, Ti, W, Nb Zr) расширяют температурную область существования легированного феррита. Твердые растворы с ограниченной растворимостью легирующих элементов в ОЦК решетке железа (обычно 1–2 %, для хрома – до 12 %), устойчивы в широком температурном интервале – до линии солидуса. Такие сплавы называют ферритными сталями.

4. Влияние на растворимость углерода в  -железе

Легирующие элементы оказывают влияние на эвтектоидную концентрацию углерода (точка S диаграммы состояния Fe–С) и предельную растворимость углерода в -железе (точка Е диаграммы). Примеси Ni, Co, Si, W, Mo, Cr и Мn сдвигают точки S и Е в сторону меньшего содержания углерода, V, Ti и Nb – большего содержания.

5. Влияние легирующих элементов на свойства сталей

Хром – повышает коррозионную стойкость и твердость, способствует образованию тугоплавких окислов. Относится к недефицитным легирующим компонентам, что определяет его широкое использование (до 0,3 % в низко-, 0,7–3,5 % – в средне- и 9–35 % – в высоколегированных хромистых и хромоникелевых сталях).

Марганец – дешевый легирующий элемент, но делает сталь чувствительной к перегреву. Для измельчения зерна вводятся карбидообразующие компоненты. Марганец используется как заменитель никеля (до 1,5 %). В значительных количествах (11–14 % в сталях типа Г13Л) обеспечивает высокую вязкость, износостойкость и повышенную степень наклепа.

Никель (0,2–35,0 %) – сильно повышает вязкость, хладостойкость, коррозионную стойкость, пластические и прочностные свойства сталей, измельчает зерна. Дефицитный дорогостоящий элемент.

Кремний (1,5–2,0 %) – дешевый, не образующий карбидов элемент, значительно повышает жидкотекучесть, тормозит снижение прочности при отпуске, но ухудшает свариваемость, повышает порог хладноломкости при содержании свыше 1 %.

Молибден (0,15–0,8 %) и вольфрам (0,18–1,8 %) – относят к дорогим карбидообразующим элементам. Увеличивают твердость и прочность стали при ударных нагрузках и высоких температурах, измельчают зерно, повышают стойкость к отпуску, увеличивают прокаливаемость.

Титан (0,02–1,0 %) и ванадий (0,05–0,8 %) – относятся к сильным карбидообразующим элементам, повышающим прочность и вязкость. Их вводят в стали, содержащие хром, марганец, никель для измельчения зерна. При повышенном содержании образуют карбиды, трудно растворимые при нагреве, которые снижают прокаливаемость; располагаясь по границам зерен, способствуют развитию хрупкого разрушения.

Бор (0,002–0,005 %) – используется для микролегирования сталей с целью увеличения прокаливаемости. Микролегирование бором эквивалентно 1,0 % никеля; 0,5 % хрома и 0,2 % молибдена.