Тема 7. ОСНОВЫ ЛЕГИРОВАНИЯ СТАЛЕЙ

Углеродистые стали имеют ряд существенных недостатков, ограничивающих область их применения:

1. Низкая устойчивость переохлажденного аустенита и, как следствие, высокая критическая скорость закалки. При закалке углеродистые стали приходится охлаждать в воде, что приводит к возникновению больших остаточных напряжений, при этом увеличивается вероятность коробления и трещинообразования, особенно в сталях с высоким содержанием углерода. Из-за малой прокаливаемости (DKр в воде = 10... 15мм) невозможно осуществить сквозную закалку для деталей большого сечения, изготовленных из углеродистых сталей.

2.Невозможность получения высокого комплекса механических свойств, то есть хорошего сочетания характеристик прочности, пластичности и вязкости. Малоуглеродистые стали пластичны, но имеют низкую прочность; высокоуглеродистые стали, напротив, обеспечивают получение высоких прочностных свойств, но из-за повышенной хрупкости недостаточно надежны.

3.Низкая теплостойкость. Высокую прочность и твердость углеродистые стали приобретают при закалке. Однако при отпуске происходит интенсивное разупрочнение из-за распада мартенсита, поэтому для изделий из углеродистых сталей невозможно обеспечить сохранение высокой прочности во время эксплуатации при повышенных температурах.

4.Невозможность получения каких-либо специальных свойств,

например, коррозионной стойкости, жаростойкости, жаропрочности и др.

Для улучшения механических, физических и технологических свойств стали легируют, вводя в их состав специальные добавки (легирующие элементы/ В качестве легирующих элементов используют Сг, Mn, Si, Ni, Mo, W, Ti и др. Легирующие элементы следует отличать от примесей. Технологические и случайные примеси, в том числе вредные, содержатся во всех сталях, даже в углеродистых. Однако их количество ограничено, например, для марганца не более 0,8 %, кремния не более 0,4 % и т. д.

Большинство легирующих элементов относится к металлам, располагающимся в периодической системе вблизи железа. Растворяясь в железе, они образуют твердые растворы замещения: легированный феррит на основе a -железа и легированный аустенит на основе у-железа. Большинство легирующих элементов, особенно кремний, марганец и никель, упрочняют феррит; это используется при создании конструкционных сталей повышенной прочности. Все легирующие элементы, за исключением кобальта, увеличивают устойчивость аустенита, поэтому легированные стали обладают большей прокаливаемостью, чем углеродистые. Кроме того, есть возможность

получения ферритных или аустенитных сталей, которые вообще не претерпевают полиморфного превращения; это используется при создании нержавеющих и жаропрочных материалов.

Таким образом, благодаря легированию можно целенаправленно изменять структуру и свойства сталей. Теория легирования позволяет на основании свойств отдельных легирующих элементов прогнозировать поведение сталей и сплавов в различных условиях, а также разрабатывать новые материалы с заданными характеристиками. К важнейшим свойствам легирующих элементов, влияющим на структуру и свойства легированных сталей, относятся: влияние на прочность межатомных связей в кристаллической решетке, определяющую диффузионную подвижность атомов железа; влияние на диффузию атомов углерода; растворимость в а- и у-железе, а также в цементите; влияние на критические точки железа и сталей; возможность образования новых фаз, например, карбидов легирующих элементов (спецкарбидов), нитридов, карбонитридов, интерметаплидов; влияние на механизм и кинетику фазовых превращений, протекающих в сталях при нагреве и охлаждении.

Пример. Как влияет легирование хромом на структуру и свойства стали, содержащей

0,4 % углерода?

Решение. В малолегированные стали обычно вводят 0 ,4 ... 1,0 % хрома. Цели легирова­ ния: уменьш ение критической скорости закалки, увеличение прокапи-

ваемости, сдерживание роста зерна аустенита при нагреве под закалку,

структуру более дисперсного, чем в углеродистых сталях, сорбита отпуска и, как следствие, больш ую прочность.

В среднелегированных сталях (2 ...5 % Сг) хром образует собственные карбиды типа Ме^Сз, очень устойчивые против коагуляции, поэтому повыш ается теплостойкость сталей. Еще более устойчивые карбиды типа

Ме2эС6 образуются при содержании более 5 % Сг. Чем больше количество хрома, тем мельче зерно, больш е прокаливаемость, выш е характеристики прочности и теплостойкость. Кроме того, при содержании более 5 % Сг сущ ественно увеличивается ж аростойкость, а при содержании более 12 % Сг

коррозионная стойкость статей.

Существует несколько видов классификации легирующих элементов. Так, но влиянию на температуры полиморфных превращений в железе все легирующие элементы делятся на две группы: а- и у-стабилизаторы. Альфастабилизаторы (Сг, Mo, W, Si, AI и др.) увеличивают устойчивость a -железа и расширяют температурный интервал его существования. Эти элементы, следовательно, повышают температуру критической точки Аз для железа, а в сталях повышают температуры А\ и Аз. Гамма-стабилизагоры (Ni, Мп), наоборот, понижают критическую точку Аз для железа и критические точки А\ и А\ для сталей. По взаимодействию с углеродом легирующие элементы делят

т.е. при охлаждении на воздухе из аустенитной области в образцах

По назначению - конструкционная улучш аемая маш иностроительная сталь. Структура после окончательной термической обработки, включающей закалку и высокий отпуск, - сорбит отпуска (рис. 21).

Легированные стали чаще всего поставляют в горячекатаном состоянии с дополнительной термической обработкой, обеспечивающей улучшение обрабатываемости резанием. Для конструкционных сталей бейнитного и мартенситного класса, подкаливающихся на воздухе, проводят высокий отпуск или отжиг, а инструментальные стали подвергают сфероидизирующему отжигу для получения структуры зернистого перлита.

Особенности термической обработки легированных сталей

Термическая обработка легированных сталей по сравнению с обработкой углеродистых сталей имеет ряд технологических особенностей, которые заключаются в различии температуры и скорости нагрева, длительности выдержки и способе охлаждения.

При выборе температуры нагрева под закалку необходимо учитывать влияние легирующих элементов на положение критических точек. Для

= Ас\ + 30...50 °С). Температура нагрева при закалке высоколегированных сталей должна быть значительно выше для более полного растворения

элементов, особенно карбидообразующие, сдерживают рост зерна аустенита при нагреве, поэтому несмотря на высокие температуры в сталях сохраняется мелкое зерно. Легирующие элементы понижают теплопроводность, в связи с этим высоколегированные стали необходимо нагревать медленно, лучше по ступенчатому режиму, чтобы уменьшить термические напряжения.

Все легирующие элементы, кроме кобальта, увеличивают устойчивость переохлажденного аустенита (рис. 22) и уменьшают критическую скорость закалки, поэтому мартенситную структуру в легиро­ ванных сталях можно получить при более медленном охлаждении, например, при закалке в масле, что значительно снижает напряжения, вызывающие коробление и трещинообразование. Кроме того, благодаря большой устойчивости переохлажденного аустенита, прокаливаемость легированных

сталей лучше, чем углеродистых, и во многих среднелегированных сталях достигает 100 мм и более. Легирующие элементы понижают мартенситный интервал МН...МК, что приводит к увеличению доли остаточного аустенита в структуре закаленной стали и, соответственно, снижению твердости.

Превращения при отпуске, включающие распад мартенсита и коагуля­ цию карбидов, в легированных сталях затруднены, следовательно, уменьшение твердости и прочности при отпуске происходит менее интенсивно, чем в углеродистых сталях. Это следует учитывать при назначении температуры отпуска на заданную твердость.

Тема 8. МАРКИРОВКА СТАЛЕЙ В РОССИИ

Маркировка углеродистых сталей

ВРоссии принята буквенно-цифровая маркировка углеродистых сталей

взависимости от их металлургического качества и назначения. Принцип маркировки сталей разных групп можно проиллюстрировать следующей схемой:

Углеродистые стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-94) - - наиболее дешевые конструкционные стали, содержат повышенное количество вредных примесей (до 0,06 % серы и до 0,07 % фосфора), широко применяются в строительстве. Стали этой группы маркируют буквами Ст и цифрами от 0 до 6 Цифры показывают номер марки стали. Чем больше порядковый номер, тем больше содержание углерода и выше прочностные свойства стали.

Углеродистые конструкционные качественные стали (ГОСТ 1050-88), в составе которых не более 0,035 % серы и фосфора, маркируют с помощью двузначного числа, показывающего среднее содержание углерода в сотых долях процента. В конце марки указывают дополнительные индексы, обозначающие степень раскисления для кипящих и полуспокойных сталей, а также повышенное содержание марганца.

Автоматные стали (ГОСТ 1414-75), обладающие повышенной обрабатываемостью резанием за счет более высокого содержания серы (* 0,2 %), имеют в начале марки букву А.

Высококачественные стали (не более 0,025 % серы и фосфора), маркируют так же, как качественные стали, но в конце марки ставят букву А.

Пример. Сталь 20 - конструкционная качественная углеродистая сталь со средним содержанием углерода 0,2 % (обозначение Ст20 - неверно).

Сталь 20А - то же, высококачественная.

Сталь А20 автоматная углеродистая сталь со средним содержанием углерода 0,2 % и повышенным содержанием серы, конструкционная.

Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435-99) обозначают буквой У в начале марки и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в десятых долях процента.

Пример. У7 инструментальная качественная углеродистая сталь со средним содержанием углерода 0,7 %.

У12А - инструментальная высококачественная углеродистая сталь со сред­ ним содержанием углерода 1,2 %.

Маркировка легированных сталей

Основной принцип маркировки легированных сталей не связан с их металлургическим качеством и определяется только назначением сталей.

Легированные конструкционные стали (ГОСТ 4543-74, 5632-72 и др.) маркируют сочетанием букв и цифр. Буквами обозначают легирующие элементы: X - хром (Сг), Н - никель (Ni), М - молибден (Mo), С - кремний (Si),

и легирующих элементов.

Среднее содержание углерода показывают в сотых долях процента двумя цифрами в начале марки. В отличие от углерода легирующие элементы обычно вводят в большом количестве, поэтому их содержание указывают цифрами, округленными до целых процентов; цифры ставят после букв, обозначающих соответствующий элемент. Цифру не ставят, если среднее содержание

легирующего элемента (после округления) составляет 1%, а также в случае содержания элемента в очень малом количестве. В виде микродобавок, т.е. в десятых или сотых долях, вводят такие элементы, как V, Nb, Ti, Zr, В, N.

Значение некоторых букв (А, Р, Ш) зависит от их положения в марке: буква А в начале марки - автоматная сталь (АС - автоматная свинцовистая),

всередине - легирующий элемент азот, в конце - высококачественная сталь; буква Р в начале марки - быстрорежущая сталь, в середине или в конце - леги­ рующий элемент бор; буква Ш в начале марки - шарикоподшипниковая сталь,

вконце (через тире) - особовысококачественная сталь (не более 0,015 % серы).

Легированные инструментальные стали (ГОСТ 5950-2000) маркируют аналогично конструкционным сталям, с той лишь разницей, что содержание углерода указывают одной цифрой в десятых долях процента. Количество углерода 1 % и более в марке не указывают.

Маркировка некоторых групп легированных сталей отличается от рассмотренной выше. К этим группам относятся быстрорежущие стали

Ш Х 15С Г - шарикоподшипниковая (износоустойчивая) сталь со средним содерж анием хрома 1,5 % , кремния и марганца - 1 % каждого. Первая буква в м арке означает группу ш арикоподш ипниковых сталей, содержание хрома

указывается в десятых долях процента.