2.1.3 Выбор легирующих элементов

Основным фактором обеспечения заданного уровня механических и специальных свойств стали в отливках является её структура. Получение требуемой структуры и соответственно свойств достигается выбором, прежде всего, состава стали, а затем получением качественной отливки и, наконец, проведением термической обработки. Получение качественной отливки и проведение термической обработки будут рассмотрены позже. В связи с этим в данном разделе рассмотрим принципы выбора легирующих элементов.

В отливках из углеродистых и легированных конструкционных сталей основными контролируемыми параметрами, наряду с химическим составом, являются показатели механических свойств. При этом структура стали не является контролируемым фактором, но играет решающую роль в формировании механических свойств. Требуемые показатели механических свойств в отливках из углеродистых сталей достигаются за счет изменения содержания углерода и режима термической обработки (Табл. 2.1.2).

Таблица 2.1.2 Влияние содержания углерода (марки стали) и режима термической обработки на механические свойства углеродистых конструкционных сталей

Марка стали	Категория прочности	Временное сопротивление σВ, МПа	Относительное удлинение δ, %	Ударная вязкость KCU, кДж/м2
		Не менее
15Л	К20 / -	392 / -	24 / -	491 / -
30Л	К25 / КТ30	471 / 491	17 / 17	343 / 343
40Л	К30 / КТ35	520 / 540	14 / 14	294 / 294
50Л	К30 / КТ40	569 / 736	11 / 14	245 / 294

В числителе – в отожженном, нормализованном или отпущенном состоянии; в знаменателе – после закалки и отпуска.

В отливках из легированных конструкционных сталей требуемые параметры механических свойств достигаются как изменением содержания углерода, так и за счет их микролегирования (менее 0,1 %) и легирования (более 0,1 %) различными элементами. При этом во многих случаях легирующее воздействие одних элементов эквивалентно легирующему воздействию других элементов, т. е. они являются взаимозаменимыми.

Наиболее доступными и дешёвыми легирующими элементами являются марганец и кремний. Поэтому легированные ими стали (20ГЛ, 20Г1ФЛ, 20ГСЛ, 30ГСЛ, 35ГЛ) получили широкое применение. Низкое легирование марганцем, а также марганцем и кремнием обеспечивает повышение прочности и ударной вязкости низколегированной стали по сравнению с аналогичными показателями углеродистыми сталями, особенно после закалки и отпуска (Табл. 2.1.3).

Таблица 2.1.3 Влияние содержания марганца и кремния на механические свойства низколегированных конструкционных сталей

Марка стали	Категория прочности	Временное сопротивление σВ, МПа	Относительное удлинение δ, %	Ударная вязкость KCU, кДж/м2
		Не менее
30Л	К25 / КТ30	471 / 491	17 / 17	343 / 343
30ГСЛ	К35 / КТ40	589 / 638	14 / 14	294 / 491
35Л	К25 / КТ35	491 / 540	15 / 16	343 / 294
35ГЛ	К30 / КТ35	540 / 589	12 / 14	294 / 491

В числителе – в отожженном, нормализованном или отпущенном состоянии; в знаменателе – после закалки и отпуска.

Ванадий является карбидо- и нитридообразующим элементом. Он способствует измельчению структуры стальных отливок вследствие ограничения роста аустенитных зерен. При микролегировании ванадием достигается существенное повышение пределов прочности и текучести стали при сохранении её пластических характеристик (Табл. 2.1.4)

Таблица 2.1.4 Влияние ванадия на механические свойства низколегированных конструкционных сталей

Марка стали	Категория прочности	Временное сопротивление σВ, МПа	Относительное удлинение δ, %	Ударная вязкость KCU, кДж/м2
		Не менее
45Л	К30 / КТ40	540 / 589	12 / 10	294 / 294
45ФЛ	К40 / КТ50	589 / 687	12 / 12	294 / 294

В числителе – в отожженном, нормализованном или отпущенном состоянии; в знаменателе – после закалки и отпуска.

Хром обеспечивают существенное повышение прочностных показателей, а также ударной вязкости стали после закалки и отпуска (Табл. 2.1.5). При дополнительном легировании хромистых сталей молибденом или марганцем и кремнием достигается более высокий прирост показателей прочности стали, а после закалки и отпуска значительное увеличение прочности сопровождается и увеличением ударной вязкости стали.

Таблица 2.1.5 Влияние хрома на механические свойства низколегированных конструкционных сталей

Марка стали	Категория прочности	Временное сопротивление σВ, МПа	Относительное удлинение δ, %	Ударная вязкость KCU, кДж/м2
		Не менее
40Л	К30 / КТ35	520 / 540	14 / 14	294 / 294
40ХЛ	- / КТ50	- / 638	- / 12	- / 392
35Л	К25 / КТ35	491 / 540	15 / 16	343 / 294
35ХМЛ	К40 / КТ55	589 / 687	12 / 12	294 / 392
35ХГСЛ	К35 / КТ60	589 / 785	14 / 10	294 / 392

В числителе – в отожженном, нормализованном или отпущенном состоянии; в знаменателе – после закалки и отпуска.

Комплексное легирование стали хромом совместно с никелем, а также с кремнием и марганцем обеспечивает, при прочих равных условиях, наибольший прирост прочностных показателей стали (Табл. 2.1.6). Недостатком этих сталей является склонность к отпускной хрупкости. Для устранения этого недостатка их дополнительно легируют молибденом.

Таблица 2.1.6 Влияние хрома, никеля и молибдена на механические свойства легированных конструкционных сталей

Марка стали	Категория прочности	Временное сопротивление σВ, МПа	Относительное удлинение δ, %	Ударная вязкость KCU, кДж/м2
		Не менее
30Л	К25 / КТ30	471 / 491	17 / 17		343 / 343
30ХНМЛ	К55 / КТ65	687 / 785	12 / 10		294 / 392
30Х3С3ГМЛ	- / КТ150	- / 1766	- / 4		- / 196

В числителе – в отожженном, нормализованном или отпущенном состоянии; в знаменателе – после закалки и отпуска.

Для высоколегированных сталей выбор легирующих комплексов затрудняется тем, что требуемая структура стали может быть получена при различном сочетании разных взаимно заменяющих легирующих элементов. Однако ввиду высокого расхода легирующих элементов фактор их стоимости играет существенную роль. В этих случаях предпочтительно пользоваться структурными диаграммами. Наиболее широко известна структурная диаграмма Шеффлера (Рис. 2.1.3), в которой по оси абсцисс отложена эквивалентная концентрация феррито-образующих элементов (хромовый эквивалент Е_Cr), а по оси ординат - эквивалентная концентрация аустенито-образующих элементов (никелевый эквивалент E_Ni).

Значения эквивалентов рассчитывают по следующим уравнениям:

Е_Cr = Cr + Mo + 1,5 Si + 0,5 Nb;

E_Ni = Ni +Co + 30 C + 0,5 Mn + 30 N + 0,3 Cu.

По диаграмме сначала определяют значения никелевого и хромового эквивалентов для требуемой области аустенитных, ферритных, мартенситных, аустенитно-мартенситных, аустенитно-ферритных или мартенситно-ферритных сталей. Затем, исходя из наличия запасов легирующих элементов и с учетом стоимости легирования, выбирают наиболее приемлемый легирующий комплекс.