Специальные стали и сплавы
1
Специальные стали – это сплавы на основе железа, отличающиеся от обычных сталей особыми свойствами, обусловленными либо их химическим составом, либо способом производства, либо способом обработки.
Легирующие элементы в сталях
Сплавы железа с углеродом:
-Техническое железо
-Стали
-Чугуны
Примесями называют химические элементы, перешедшие в состав стали в процессе производства как технологические добавки или как составляющие шихтовых материалов.
Mn 0,8%; Si 0,4%; Cr 0,3%; Ni 0,3%; Cu 0,3%; Mo 0,1%; W 0,2%; P 0,025…0,040%; S 0,015…0,050%
2
Примеси могут быть постоянными и случайными. Постоянные примеси подразделяются на:
Вредные примеси, наличие которых в стали обусловлено невозможностью их полного удаления из металла в процессе его выплавки: S, P и газы O, N, H;
Полезные (постоянные) примеси, присутствие которых связано с технологическими особенностями производства сталей: Mn и Si.
Случайные примеси (Cr, Ni, Cu, олово, мышьяк) попадают в сталь из вторичного сырья или руд отдельных месторождений.
Влияние серы.
Сера мало растворяется в железе в твердом состоянии и образует с ним химическое соединение – сульфид железа FeS. При 9880С в сплаве образуется хрупкая сульфидная эвтектика, которая
приводит к явлению
красноломкости.
3
Красноломкость отсутствует при содержании серы в стали до 0,025%, т.к. она в таких количествах растворяется в железе и эвтектика не образуется.
Красноломкость устраняется введением в сталь марганца. Mn, обладающий большим сродством к сере, чем железо, восстанавливает железо из его сульфида, образуя тугоплавкий сульфид: FeS+Mn Fe+MnS.
Содержание серы в сталях не должно превышать 0,025…0,06%.
Влияние фосфора.
Фосфор также является вредной примесью и попадает в сталь при выплавке из руд и флюсов. Растворимость фосфора в феррите составляет до 1,2%. Фосфор сильно искажает кристаллическую решетку, увеличивая предел прочности и предел текучести, но существенно снижая пластичность и ударную вязкость.
Вязкость металлов резко уменьшается при понижении температуры ниже порога хладноломкости (переход из вязкого состояния в
хрупкое). Фосфор вызывает хладноломкость: он сдвигает порог хладноломкости в сторону более высоких температур.
Содержание фосфора в стали не должно превышать 0,025…0,07%.
4
Влияние газов.
Кислород и азот присутствуют в стали в виде хрупких неметаллических включений (оксидов FeO, SiO2, Al2O3 и нитридов
Fe4N) или в свободном виде (в газообразном состоянии) в
несплошностях металла. Мелкие частицы оксидов и нитридов располагаются по границам зерен и являются концентраторами напряжений, вызывая повышение порога хладноломкости. Водород не образует соединений с железом. Растворяется в стали, сильно охрупчивает сталь, приводит к образованию трещин.
5
Влияние марганца и кремния.
Mn и Si специально вводят в качестве технологических добавок при производстве чугунов и сталей для раскисления.
FeO + Mn Fe + MnO;
2FeO + Si 2Fe + SiO2.
Кроме того:
Mn устраняет вредное влияние серы, предупреждая появление красноломкости;
Si, дегазируя металл, повышает плотность слитка.
В зависимости от степени раскисления стали подразделяют на
кипящую, полуспокойную и спокойную.
При использовании только марганца (ферромарганца) получается
кипящая сталь.
При раскислении марганцем и небольшим количеством кремния (ферросицилия) или алюминия получают полуспокойную сталь,
превосходящую по качеству и стоимости кипящую.
При последовательном раскислении стали ферромарганцем, ферросицилием и алюминием получают спокойную сталь.
После раскисления в стали сохраняется 0,5…0,8% Mn и 0,35…0,4%
Si. |
6 |
|
Классификация легирующих элементов
Легирующими элементами называют химические элементы, специально введенные в сталь для получения требуемых структуры и свойств.
Основными легирующими элементами в сталях являются Mn, Si, Cr, Ni, Mo, W, Co, Cu, Ti, V, Zr, Nb, Al. В некоторых сталях легирующими элементами могут быть также P, S, N,
Se, Te, Pb, Ce, La и др. Эти элементы, а также H, O, Sb, As, Bi могут быть также примесями в сталях.
Условием легирования сталей является то, что легирующими компонентами могут быть только те элементы которые взаимодействуют с основными компонентами стали: железом и углеродом. Только в этом случае возможно изменение структуры и свойств сталей.
Легирующие элементы-металлы делят на следующие группы:
Металлы железной группы: кобальт, никель, марганец. Тугоплавкие металлы: это металлы с температурой
плавления выше, чем у железа (1539 °С): вольфрам, |
|
молибден, ниобий, ванадий, хром. |
7 |
|
|
Взаимодействие легирующих компонентов с углеродом
Различают карбидообразующие и некарбидообразующие
(графитообразующие и нейтральные) легирующие элементы.
1. Карбидообразующие легирующие элементы могут образовывать в стали карбиды. Это Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn. При этом между их атомами и атомами углерода в решетке карбида образуются ковалентные и ионные связи,
отличающиеся высокой энергией.
Все карбидообразующие компоненты располагаются в периодической системе слева от железа и чем левее, тем больше выражена их карбидообразующая способность. Т.о. самым сильным карбидообразующим является титан, а самым слабым – марганец.
2.Графитообразующие компоненты (графитизаторы), к
которым относятся Ni и Si. Введение этих компонентов вызывает распад карбидов и выделение из них углерода в свободном состоянии – в виде графита.
3.Нейтральные компоненты (некарбидообразующие) (Cu, Ni, Co, Si, Al) карбидов в стали не образуют и8 не разрушаюткарбидов.
Влияние легирующих элементов на критические точки стали
Все легирующие элементы по их растворимости в железе делят на 2 группы.
К первой группе относятся легирующие элементы, хорошо растворяющиеся в -железе и плохо в -железе. К ним относятся те элементы, которые имеют ГЦК решетку. Эти легирующие элементы повышают точку А4 и понижают А3, и расширяют -
область.
При этом возможно существование -фазы во всем интервале концентраций (открытая -область: Ni, Mn, Co, Pd, Pt – рис. а) и
ограничение области существования -фазы вследствие
появления новых фаз и образования гетерогенных областей |
|
(расширенная -область: C, N, Cu, Zn – рис. б). |
9 |
Ко второй группе относятся элементы, хорошо растворяющиеся в -железе и плохо в -железе. Это элементы с ОЦК решеткой. Эти легирующие элементы. понижают точку А4 и повышают точку А3, сужая -область.
При определенной концентрации легирующего элемента может происходить полное замыкание -области. В этом случае возможно образование двойных систем с замкнутой-областью и гомогенной -областью (закрытая -область: Be, Al, Si, V, Cr, Mo, W, Ti, As (мышьяк), олово, сурьма – рис. в)
и систем, |
ограничена областью |
гетерогенных |
рений – рис. г). |
10
