2. Легуючі елементи в сталях

Легуючими називаються елементи, які спеціально вводяться в сталь у будь-якій кількості. Наприклад, в сталі може бути 0,05% V , або 0,002%В, і вони є легуючими елементами. Однак слід знати, що марганцевиста сталь називається легованою, якщо Мп>0,7%, а крем- иіста - якщо Зі>0,4%. В сталях, як вуглецевих, так і легованих, завжди присутні постійні домішки:

1. корисні - Мп, 8і, А1;

2. шкідливі - 8, Р.

Границі їх вмісту: 0,3-0,7% Мп; 0,2-0.4% Зі; 0,01-0,02% А1\ 0,01-0,05% Р; 0,01-0,04% 3. Окрім того, присутні скриті домішки (О, Н, ІЗ) і випадкові домішки (Си, Сг, Ак, 5п, 2п, 5Ь, РЬ тощо).

Легуючими елементами в сталі можуть бути: Сг, М, Мп, Зі, Ті, Мо, Ж, V, N6, А І, Со, Си, В, N. 2г, Р, 3, Зе, Са, РЗМ.

Легуючі елементи в сталях взаємодіють з залізом, вуглецем і поміж собою. В промислових легованих сталях, які являються багатокомпонентними, легуючі елементи можуть знаходитись:

1. В твердих розчинах у фериті або аустеніті. Розчинюватись в залізі в значній кількості може більшість легуючих елементів, окрім С, N. О, В і металоїдів, що віддалені від заліза в періодичній системі Менделєєва.

2. В нових фазах, які представляють собою або істинні хімічні сполуки, або фази, які позначаються стехіометричною формулою і мають змінну концентрацію в певних границях. Останні часто відносяться до твердих розчинів, але на базі нової кристалічної решітки.

Утворюючи нові фази, легуючі елементи, перш за все, можуть

бути:

• в карбідній фазі - у вигляді твердого розчину в цементиті, наприклад: (Ре,Сг)₃С, або у вигляді самостійної сполуки з вуглецем- спеціальних і складних карбідів, наприклад: (Сг,Ре)₂₃С₆; Ре₃Мо^С (Ре₂Мо₂С); УС; ТіС; \У₂С;

• в нітридній фазі (А1ІЧ; УИ), яка у вигляді дрібнодисперсних виділень суттєво підвищує механічні властивості сталей;

-у формі інтерметалічних сполук з залізом або поміж собою, наприклад: АІ₃Ті; Мі₃АІ;Ре₇Мо₆; Ре₃Ті; РеСг. Такі фази утворюються у високолегованих сталях в певних умовах експлуатації або термічної обробки і дуже впливають на механічні і інші властивості цих сталей.

3. Існують елементи, які не взаємодіють із залізом навіть при їх вмісті у невеликій кількості. Це такі елементи, як РЬ, А§, Си. Вони можуть знаходитись в сталях майже у вільному стані.

Так, існують автоматні сталі з додаванням 0,15-0,30% свинцю, який виділяється у вигляді дисперсних частинок і поліпшує обробку різанням. Розчинність міді різко зменшується з пониженням температури, при цьому виділяється дисперсна фаза £ (майже чиста мідь). Це призводить до збільшення твердості (дисперсійне твердіння). Леговані сталі з міддю застосовуються у будівництві, при виготовленні литих деталей гідротурбін тощо. Сталі, леговані сріблом, не вико

ристовуються, але його раніше вводили в нержавіючі сталі для поліпшення обробляємості різанням.

3. Вплив легуючих елементів на поліморфізм заліза і властивості фериту і аустеніту

Всі елементи, які розчиняються в залізі, впливають на критичні точки, при яких відбувається перетворення Реа<^ Ре-_;/.Частина елементів знижує температуру А₃ і підвищує А4. Збільшення таких елементів в сталях розширює область існування у-заліза і твердого розчину на його основі - аустеніту (рис. 236,а). До таких елементів відноситься, насамперед, вуглець, а також Мп, №, N. Со, Си. Вони називаються аустенітотвірними.

Д руга частина елементів навпаки, підвищує температуру А₃ і знижує А₄, і при певному вмісті такого елемента область у-заліза зовсім зникає (рис. 236,6). Від температур плавлення і до кінця охолодження в таких системах буде існувати твердий розчин на основі а- заліза. Іншими словами - легований ферит. Такими елементами являються: Зі, АІ, Сг, Мо, Ті, \¥, V, N6, 2г, Р, Ве. Вони називаються фери- тотвірними. Як видно з діаграми Ре-Сг (рис. 237), в цій системі критична точка Ас$ спочатку при збільшенні хрому до 4% знижується, а потім підвищується, і область у-фази замикається при 13-14% Сг. В системі Ре-Зі без- Рис. 236. Схеми діаграм стану залізо — легуючий межна П-фаза існує вже елемент. Легуючі елементи: а) розширюють . о; „ •

³ А після 2% Зі, а в системі

область у-гвердого розчину; о) розширюють ’

область а-твердого розчину. Ре-Мо у-фаза замика-

ється при 3,5% Мо. Таким чином, сплави стають феритними, якщо в системі Ре-Сг хрому буде >13%, в системі Ре-8і кремнію буде >2%, а в системі Ре-Мо молібдену буде >3,5%.

О

К

		и
^ -—

Ч~Що

		лі
		/
^ ^ -

г 5оо

2000

1500

1000

500

У	/ / /
у

		Мп
/ /		г

о 2 Ч іїс°% О 2 Ч 0г% О 2 Ч Мл%

Рис. 238. Вплив легуючих елементів на тердість фериту: пунктирна лінія - після загартування; суцільна - після відпалу (А. П. Гуляєв).

сновою більшості конструкційних легованих сталей є ферит, легований одним або декількома елементами. Легування фериту супроводжується його зміцненням, що пояснюється тим, що легуючі елементи, які розчиняються у фериті, утворюють тверді розчини заміщення, змінюючи період решітки а- заліза. На рис. 238 показано вплив легуючих елементів на твердість фериту у відпаленому і загартованому станах. Аналіз цих даних показує, що у відпаленому стані Сг, Мо, \¥

зміцнюють ферит менше, ніж Зі, №, Мп. В загартованому стані хром сильно зміцнює сталь.

Нікель - дуже цінний легуючий елемент. Його вводять в конструкційну сталь до 2-4%. Він зміцнює ферит, підвищує ударну в'язкість (КС11), тріщиностійкість (К-Іс) прогартовуваність сталі і знижує поріг холодноламкості (Т₅₀). Кремній і марганець сильно зміцнюють ферит, але знижують ударну в'язкість сталі.

Ю.М.Лахтін приводить емпіричну формулу, за якою можливо підсумовувати вплив усіх легуючих елементів на зміцнення фериту:

Аа_т=^К_іС_і

і-1

де Сі - концентрація і- го легуючого елемента, розчиненого у фериті, % за масою;

Кі - коефіцієнт зміцнення фериту, тобто приріст о_т при розчиненні в ньому 1% за масою і-го легуючого елементу.

Коефіцієнт К| має слідуючі значення:

^Ле^ЄГеГ ^С+К ^{Р 8І Ті А1 М}" ^{Сг № М}° ^У

Кі 4670 690 85 80 60 35 -ЗО ЗО 10 З

П ри високому вмісті в сталі № або Мп аустеніт може існувати і при низьких температурах (рис. 239). Структуру аустеніту мають багато коро- зостійких, жароміцних і немагнітних сталей. Найбільш зміцнюють аустеніт вуглець і азот. Інші легуючі елементи, розчинені в аустеніті, підвищують його міцність при нормальних і високих температурах. Для легованого аустеніту характерні низька границя текучості при порівняно високій границі міцності. Аустеніт легко наклепується при холодній пластичній деформації. Аустеніт - парамагнітний, володіє великим коефіцієнтом теплового розширення.