10. Легированные стали

10.1 Классификация

Элементы, специально вводимые в сталь с целью придания ей требуемых свойств, называют легирующими, а сталь, содержащую такие элементы, называют леги­рованной.

По назначению легированные стали можно разде­лить на три группы: 1) легированная конструкционная, 2) легированная инструментальная и 3) стали и сплавы с особыми физическими и химическими свойствами.

Легирование конструкционной стали производят с целью повышения ее прочностных свойств. Поскольку наибольшее повышение прочности легированной стали может быть достигнуто только вследствие термической обработки, то второй задачей легирования стали явля­ется обеспечение закалки в больших сечениях, т. е. повышение прокаливаемости стали.

Легированные инструментальные стали, кроме лучшей термообрабатываемости, отличаются повышен­ной износостойкостью и теплостойкостью (красностой­костью).

При введении значительного количества легирующих элементов сталь приобретает новые свойства: большую коррозионную стойкость, жаропрочность, немагнитность или же, наоборот, приобретает очень большую коэрци­тивную силу и т. п.

Для легирования можно применять следующие элементы: Мn, Сг, Ni, W, Мо, V, Si, С, Тi, Аl и т.д. Чтобы разобраться в причинах, вызывающих изменение свойств стали при введении этих элементов, необходимо рассмотреть в отдельности их взаимодействие с железом и углеродом.

С железом легирующие элементы образуют твёрдые растворы, имеющие большую твёрдость и прочность, чем простой углеродистый феррит. Так, например, если твердость феррита составляет примерно НВ 50…60, то при введении 5% Ni твердость вырастает до НВ 160, а при введении 4% Мn — до НВ 230. При большом содер­жании легирующих элементов образуются химические соединения, так называемые интерметаллиды, например FeNi ₃. Интерметаллиды являются веществами очень твердыми и хрупкими и при их образовании твердость и хрупкость сплава возрастают.

Легирующие элементы изменяют температуру алло­тропических превращений железа и тем самым увели­чивают или уменьшают температурную устойчивость различных аллотропических модификаций. По влиянию на устойчивость той или иной аллотропической модификации элементы разделяются на две группы: элементы 1-й группы понижают температуру точки A_3, т. е. расширяют область существования легированного аустенита. К эле­ментам этой группы относятся Ni и Mn.

К элементам 2-й группы относятся: Сг, W, Мо, V, А1 и др. В присутствии таких элементов повышается тем­пература точки А₃, что приводит к сужению области аустенита по темпе­ратуре. При определенном для каждого эле­мента количестве область аустенита полностью замы­кается и сталь приобретает только ферритную структуру. Стали со структурой феррита, легированные так же, как и аустенитные, пластичны и имеют высокую коррозион­ную стойкость, но в отличие от них магнитны.

По отношению к углероду все легирующие элементы также могут быть разделены на две группы. К 1-й груп­пе относятся элементы, не образующие карбидов в ста­ли: Ni, Со, А1, Si, не взаимодействующие с углеродом. Ко 2-й группе относятся элементы, образующие в стали карбиды. В порядке возрастания сродства к углероду эти элементы располагаются следующим образом: Fе, Мn, Сr, Мо, W, V, Тi. При небольшом количестве карбидообразующего элемента в стали образуется легирован­ный цементит типа (Fе, Ме)₃С, например (Fе, Сr)₃С.

При значительных количествах легирующего элемента возникают сложные карбиды, имеющие кристаллическую решетку специального карбида, но содержащие в твер­дом растворе, кроме атомов легирующего элемента, атомы железа, например (Сr, Fе)₂₃С_б. Если же железо не может растворяться в решетке образующего карбида, возникает специальный карбид типа МоС, ТiС и т. п. Карбиды, содержащие легирующие элементы,. имеют большую твердость и более дисперсны, чем простой це­ментит, и поэтому присутствие их в легированной стали повышает ее прочность и твердость.

Вопросы для повторения и закрепления:

1. Что называется легированной сталью?

2. На какие три группы делятся легированные стали по своему назначению?

3. С какой целью вводят легирующие элементы?