Задание 85

Условие.

Влияние легирующих элементов на структуру, критические точки и свойства стали. Коррозионностойкие, жаро- и окалиностойкие стали и сплавы.

Решение.

1. Легирующие элементы специально вводят в сталь с целью изменения ее структуры и свойств. Изменение структуры и свойств сталей возможно лишь в том случае, если элементы, вводимые в сталь, взаимодействуют с железом или углеродом, тогда эти элементы и являются легирующими.

Стали, содержащие легирующие элементы, называются легированными. В зависимости от содержания легирующих элементов различают низколегированные (до 2...3 %), среднелегированные (3...10 %) и высоколегированные стали (более 10 %).

Основными легирующими элементами сталей являются металлы, которые образуют с железом твердые растворы замещения. Железо является полиморфным металлом и имеет две модификации: α-железо (ОЦК-решетка) и γ-железо (ГЦК-решетка). В α-железе хорошо растворяются элементы, имеющие ОЦК-решетку. Соответственно в γ-железе - элементы с ГЦК-решеткой. К первой группе относятся хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан и кремний. Сплавы железа с ними описываются диаграммой состояния с расширенной областью сплавов с ОЦК-решеткой α-твердых растворов. При этом область γ-твердых растворов резко уменьшается (рис. 6а). Сплавы, не претерпевающие α → γ превращения, то есть лежащие правее точки а на оси концентраций, называются ферритными. Эти легирующие элементы повышают температуру А₃ (точка G на диаграмме состояния системы Fe - Fe₃C) и понижают А₄ - температуру существования высокотемпературной модификации Fe_α (точка N в соответствии с диаграммой состояния системы Fe - Fe₃C; см. рис. 5).

Рис. 6. Влияние легирующих элементов на вид диаграммы состояния сплава железо - легирующий элемент и температуру полиморфных превращений железа:

а - легирующие элементы с ОЦК-решеткой;

б - легирующие элементы с ГЦК-решеткой.

Ко второй группе относятся марганец, никель и кобальт. Эти элементы образуют с железом сплавы, имеющие диаграмму состояния с расширенной областью сплавов с ГЦК-решеткой - γ-твердых растворов - и уменьшенной областью существования α-твердых растворов (рис. 6б). Сплавы, не претерпевающие γ → α превращения, то есть лежащие правее точки а на оси концентраций, называются аустенитными. Эти легирующие элементы оказывают противоположное влияние на температуры А₃ (понижают) и А₄ (повышают).

По взаимодействию с углеродом легирующие элементы делятся на:

• карбидообразующие элементы, которые образуют собственные карбиды;

• графитообразующие (графитизаторы), способствующие распаду карбидов с выделением свободного углерода;

• нейтральные.

Карбидообразующими элементами являются марганец, хром, молибден, вольфрам, ванадий и титан. Самым сильным карбидообразующим является титан, а наиболее слабым (исключая железо) - марганец. При легировании сталей марганец (независимо от его количества), хром (до 2 %), а также вольфрам и молибден в малых количествах (десятые доли процента) растворяются в цементите, частично замещая атомы железа в его кристаллической решетке. Образуется легированный цементит, мало отличающийся по свойствам от обычного. При повышенных концентрациях легирующие элементы в стали образуют собственные карбиды. Так, при содержании 2...10 % хрома в сталях образуется карбид Сr₇С₃, а при увеличении свыше 10 % - Сr₂₃С₆. Причем эти карбиды могут растворять в себе железо (значительное количество) и другие легирующие элементы. Тогда они обозначаются как М₇С₃ и М₂₃С₆. Вольфрам и молибден образуют сложные карбиды Fe₃W₃C и Fe₃Mo₃C (M₆C). Все эти карбиды сравнительно легко растворяются в аустените при нагреве. Сильные карбидообразующие элементы образуют карбиды типа МС (TiC, VC, WC, МоС). Вольфрам и молибден могут образовывать также карбиды типа М₂С (W₂C и Мо₂С). Все эти карбиды практически не растворяются в аустените.

Графитизаторами являются никель и кремний. Например, кремний сильно ускоряет реакцию графитизации, то есть происходит распад цементита с образованием свободного углерода. В качестве графитизатора его широко используют при выплавке чугунов.

К нейтральным элементам относится кобальт, который широко применяется в твердых сплавах в качестве металла-связки.

В отожженном состоянии легированные стали имеют прочность и твердость большие, чем у углеродистых, но их ударная вязкость ниже. Это вызвано тем, что легирующие элементы, растворяясь в феррите, упрочняют его, особенно марганец и кремний. Существенное влияние легирующие элементы оказывают на положение линий диаграммы состояния системы Fe - Fe₃C. При нагреве они растворяются в аустените, искажают его кристаллическую решетку, уменьшая тем самым растворимость в нем углерода. В результате линия SE сдвигается влево, то есть в сторону меньшего содержания углерода (рис. 7). Это приводит к тому, что структура перлита и ледебурита у легированных сталей достигается при более низком содержании углерода, чем в углеродистых сталях. Так, сталь с 5 % хрома является заэвтектоидной при 0,6 % С, а при 1,5 % углерода уже содержит в структуре ледебурит, то есть является чугуном, в то время как заэвтектоидные углеродистые стали содержат более 0,8 % углерода - точка S диаграммы состояния.

Рис. 7. Влияние легирующих элементов на положение точек S и E

диаграммы состояния системы Fe - Fe₃C.

Основные преимущества легированных сталей перед углеродистыми проявляются при термической обработке. Прежде всего, это связано с изменением вида диаграммы изотермического превращения аустенита. Марганец и никель повышают устойчивость переохлажденного аустенита, при этом на С-образной диаграмме линия начала распада аустенита смещается вправо (рис. 8а). Кар-бидообразующие элементы не только смещают эту линию вправо, но и принципиально меняют вид диаграммы: диаграмма раздваивается, на ней появляется два минимума устойчивости переохлажденного аустенита (рис. 8б). При этом важен именно сдвиг во времени начала распада переохлажденного аустенита, который начинается позже и приводит к снижению критической скорости охлаждения, то есть увеличению прокаливаемости.

Рис. 8. Диаграммы изотермического превращения аустенита в углеродистой стали и сталях, легированных Ni, Si, Μη (а) и сильными карбидообразующими элементами (б).

Влияние легирующих элементов проявляется также в том, что большинство легирующих элементов снижает температуру мартенситных точек М_н и М_к. Это приводит к появлению в структуре закаленных сталей остаточного аустенита. Особенно сильно увеличивается его количество в высокоуглеродистых сталях. В этих случаях в технологии термической обработки деталей для устранения остаточного аустенита необходимо предусмотреть обработку холодом. Исключением являются алюминий и кобальт - они повышают температуры М_н и М_к, а также кремний, не оказывающий влияния на эти температуры.

Легирующие элементы повышают устойчивость мартенсита при нагреве, то есть задерживают выделение из него атомов углерода и уменьшают скорость коагуляции карбидов. Поэтому для получения одинаковой твердости и прочности детали из легированных сталей следует отпускать при более высокой температуре.

2. Коррозионно-стойкие (нержавеющие стали) - это сложнолегированные стали, устойчивые к коррозии в атмосфере и агрессивных средах.

Основной легирующий элемент нержавеющей стали - хром в количестве 12 - 20 %. Помимо хрома, нержавеющая сталь содержит элементы, необходимые для придания необходимых физико-механических свойств (Ni, Mn, Ti, Nb, Co, Mo). Сопротивление нержавеющей стали к коррозии напрямую зависит от содержания хрома: при его содержании 13 % и выше сплавы являются нержавеющими в обычных условиях и в слабоагрессивных средах, более 17 % - коррозионно-стойкими в более агрессивных средах, в частности, в азотной кислоте крепостью до 50 %.

Причина коррозионной стойкости нержавеющей стали объясняется, главным образом, тем, что на поверхности хромсодержащей детали, контактирующей с агрессивной средой, образуется тонкая плёнка нерастворимых окислов. При этом большое значение имеет состояние поверхности материала, отсутствие внутренних напряжений и кристаллических дефектов.

Для деталей, работающих в сильных кислотах (серной, соляной, фосфорной и их смесях) применяют сложнолегированные сплавы с высоким содержанием Ni и присадками Mo, Cu, Si.

По химическому составу нержавеющие стали делятся на:

• хромистые (30Х13, 40Х13 и др.):

• мартенситные;

• мартенисто-ферритные;

• ферритные;

• хромоникелевые (07Х16Н6 и др.):

• аустенитные;

• аустенитно-ферритные;

• аустенитно-мартенситные;

• аустенитно-карбидные;

• хромомарганцевоникелевые (08Х18Г8Н2Т).

3. Жаростойкие (окалиностойкие) стали - это стали, обладающие стойкостью против коррозионного разрушения поверхности в газовых средах при температурах свыше 550 °C, работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии.

Для повышения окалиностойкости сталь легируют элементами, которые изменяют состав и строение окалины. В результате введения в сталь необходимого количества хрома или кремния, обладающих бо́льшим родством с кислородом, чем железо, в процессе окисления на поверхности образуются плотные оксиды на основе хрома или кремния. Чтобы обеспечить окалиностойкость до температуры 1100 °C, в стали должно быть не менее 28 % хрома (например, сталь 15Х28). Наилучшие результаты получаются при одновременном легировании стали хромом и кремнием.

Жаростойкие стали подразделяются на несколько групп:

• хромистые стали ферритного класса (15Х25Т, 15Х28);

• хромокремнистые стали мартенситного класса (40Х10С2М);

• хромоникелевые стали аустенитно-ферритного класса (20Х23Н13);

• хромоникелевые аустенитные стали (10Х23Н18).

Хромистые стали ферритного класса могут применяться для изготовления сварных конструкций, не подвергающихся действию ударных нагрузок при температуре эксплуатации не ниже -20 °C. Жаростойкость - до 1100 °C.

Хромокремнистые стали мартенситного класса применяются для изготовления клапанов авиационных двигателей, автомобильных и тракторных дизельных двигателей, крепёжные детали двигателей.

Хромоникелевые стали аустенитно-ферритного класса применяются для изготовления деталей, работающих при высоких температурах в слабонагруженном состоянии. Жаростойкость до 900 - 1000 °C.

Хромоникелевые аустенитные стали применяются для изготовления листовых деталей, труб, арматуры (при пониженных нагрузках), а также деталей печей, работающих при температурах до 1000 - 1100 °C в воздушной и углеводородной атмосферах.