Например, марганец в количестве до 0,9 % и кремний до 0,52 %, которые всегда попадают в сталь при ее раскислении, считаются постоянными примесями. Эти же элементы, введенные специально и в больших количествах, будут считаться легирующими.

3.3.1.1. Взаимодействие железа с легирующими элементами

Впромышленных сталях легирующие элементы могут находиться:

♦в свободном состоянии;

♦в виде интерметаллических соединений с железом или между собой;

♦в виде оксидов, сульфидов и других неметаллических соединений;

♦в карбидной фазе в форме раствора в цементите или в виде специальных карбидов - самостоятельных соединений с углеродом;

♦в форме раствора в железе.

Рассмотрим кратко перечисленные варианты:

1.В стали могут находиться в свободном состоянии в виде металлических включений свинец, серебро и медь. Эти элементы не образуют химических соединений с железом. Кроме того, свинец и серебро

нерастворимы в твердом железе, а растворимость меди меньше 1 %.

В качестве легирующего элемента для литейных сталей из этой группы применяют только медь. В углеродистых сталях содержание меди ограничивают до 0,3 %, что меньше предела ее растворимости.

Таким образом, случай, когда легирующий элемент находится в стали в свободном состоянии, встречается крайне редко. В качестве примера можно привести медистые легированные стали.

2. Интерметаллические соединения или интерметаллиды, т.е. химические соединения металлов, могут образовывать большинство легирующих элементов, но только при высоких концентрациях (свыше IQ15 %). Интерметаллиды вызывают повышение твердости и резкое падение пластичности. Они играют большую роль при упрочнении высоколегированных сталей и сплавов.

3. Неметаллические включения - оксиды и сульфиды - образуют многие элементы, имеющие большее сродство к кислороду и сере, чем железо. В первую очередь это алюминий, титан, ванадий, кремний, марганец. Неметаллические включения ухудшают все свойства сталей. Они крайне нежелательны и должны удаляться в ходе ведения плавки.

4. Растворяться в цементите или создавать самостоятельные карбидные фазы (специальные карбиды) могут элементы, расположенные в периодической системе левее железа. К ним относятся: титан, ванадий, хром, марганец, молибден, вольфрам и некоторые другие элементы. Так как эти элементы одновременно растворяются и в железе, то они будут распределяться между цементитом и ферритом в определенном соотношении.Состав и количество карбидной фазы могут оказывать

большое влияние на свойства стали.

5. Большинство легирующих элементов может растворяться в железе в значительных количествах, изменяя свойства твердого раствора и температуры полиморфных превращений. Исключение составляют углерод, азот, кислород, бор и металлоиды, удаленные в периодической системе от железа.

Таким образом, можно сделать вывод, что для легирования сталей можно использовать элементы, способные растворяться в основных фазах железоуглеродистых сплавов (феррит, аустенит, цементит) или образовывать специальные карбиды.

3.3.1.2. Классификация легирующих элементов

Легирующие элементы можно классифицировать по трем основным признакам:

♦строению атомно-кристаллической решетки;

♦влиянию на полиморфные превращения;

♦отношению к углероду, содержащемуся в стали.

По п е р во м у п ри зна ку - строению атомно-кристаллической решетки (табл. 3.5) - легирующие элементы можно поделить на три группы

Таблица 3.5

Типы и параметры кристаллических решеток некоторых легирующих элементов

Примечание: ГПУ - гексагональная плотноупакованная; ОЦК - объемноцентрированная кубическая; ГЦК - гранецентрированная кубическая.

В первую группу входят хром, вольфрам и молибден, имеющие объемноцентрированную кубическую решетку, как у а -железа, и металлоид кремний со сложной кристаллической решеткой.

Вторую группу составляют элементы с гранецентрированной кубической решеткой, родственной у-железу. К ним относятся никель, медь и, условно, м арганец с более сложной кубической гранецентрированной решеткой.

В третью группу входят элементы с гексагональной решеткой: титан, кобальт и некоторые редкоземельные металлы.

Такое деление позволяет судить о растворимости элементов в железе той или иной модификации и о влиянии элементов на свойства твердого раствора.

Элементы, имеющие с железом однотипную кристаллическую решетку и атомный радиус, отличающийся от атомного радиуса железа не более чем на 8 %, могут неограниченно растворяться в нем. Другие элементы имеют ограниченную растворимость или нерастворимы в железе.

Чем больше отличаются кристаллические решетки и атомные радиусы легирующего элемента и железа, тем больше твердость, прочность и меньше пластичность образуемого твердого раствора. Влияние легирующ их элементов на некоторые свойства феррита показано на рис. 3.5.

Содержание легирующеео элемента, %

Рис. 3.5. Влияние легирую щ их элементов на свойства феррита: а - твердость; б - ударная вязкость

По степени упрочнения феррита основные легирующие элементы могут быть расположены в следующий ряд: Si, Mn, Ni, Mo, V, W, Сг.

Молибден, вольфрам, а также марганец и кремний (при содержании более 1 %) снижают вязкость феррита. Хром уменьш ает вязкость значительно слабее, а никель не снижает ее совсем.

По вт ором у признаку все элементы делятся на две группы: ферритостабилизаторы и аустенитостабилизаторы.

Под влиянием легирующих элементов значительно изменяются температуры полиморфных превращений и устойчивость фаз - феррита и аустенита.

Ферритостабилизаторами н азы ваю тэле менты .по вы ш а ­ ющие устойчивость а - и - 5 железа, т.е. низко- и вы сокотем пера­ турного феррита. К этой группе относятся хром, вольф рам, молибден, ванадий, кремний, титан. Данные элементы понижают точку А4 и повышают точку Аз. При определенной концентрации легирую щ его элемента (см. точку m на рис. 3.6,6) область у-фазы полностью замыкается. Если содержание легирующего элемента больше, чем в точке т , то сплавы при всех температурах будут состоять из твердого раствора легирующего элемента в a -железе. Такие стали

называются ферритными. При меньших концентрациях может происходить лишь частичное превращение у —►ос, и сталь будет полуферритной.

Аустенитостабилизаторы никель, кобальт, марганец, медь оказывают противоположное влияние на критические точки А4 и Аз и расширяют область устойчивости аустенита до низких температур, как показано на рис. 3.6, а. Если содержание легирующего элемента будет больше, чем в точке п на рис. 3.6, а, то сталь будет аустенитной. При меньших концентрациях фазовое превращение произойдет частично, и мы получим полуаустенитную сталь.

По третьему признаку, т.е. по отношению к углероду, легирующие элементы подразделяют на карбидообразующие и графитизирующие.

Большинство легирующих элементов имеют высокое сродство к углероду и азоту и вступают с ними в химическое взаимодействие, образуя карбиды или карбонитриды . Эти элементы называют карбидообразующими. По возрастанию карбидообразующей способности их можно расположить в следующей последовательности: Mn, Сг, Mo, W, V, "П. В сталях могут наблюдаться комплексные карбиды типа (FeMe)3C (легированный цементит), просто карбиды МехСу и карбонитриды.Эти

избыточные фазы являются главными упрочнителями жаропрочных сталей. Графитизирующие элементы: Si, AI, Си, Со (расположены по убыванию графитизирующей способности) - понижают устойчивость цементита и карбидов других элементов. Графит, как известно, в ж елезоуглеродисты х сплавах является терм одинам ически более устойчивой фазой, чем цементит. Однако зарождение или рост графита в стали так медленны, что в обычных условиях в малоуглеродистых сталях аустенит переходит в ф еррит и цементит без образования

граф ита.

Графит может выделиться в качестве самостоятельной фазы в заэвтектоидных сталях при введении графитизаторов. Такие стали называются граф итизированны ми. Они будут рассмотрены в дальнейшем.

Ниже рассмотрено влияние наиболее распространенны х легирующих элементов на механические и литейные свойства сталей.

Кремний растворяется в феррите, упрочняет его и повышает твердость. При концентрациях до 1 % Si пластичность феррита не уменьшается. При более высоком содержании кремния пластичность и вязкость феррита резко падают. Как указывалось ранее, кремний является хорошим раскислителем и из технологических соображений присутствует практически во всех марках сталей в количестве до 0,52 %. Он положительно влияет на литейны е свойства, повышает ж идкотекучесть, снижает горячелом кость, несколько уменьш ает линейную усадку. При содержании более 0,5 % темп роста жидкотекучести падает, а горячеломкость возрастает.

Марганец растворяется в феррите и упрочняет его, но основное влияние на повышение прочности оказывают более устойчивые, чем цементит, сложные карбиды (FeMn)3C. Ударная вязкость повышается при увеличении концентрации до 1 %, а затем наблюдается резкое падение. Максимальная пластичность достигается при 2 % Мп. На литейные свойства Мп оказывает положительное влияние. При концентрации более 1 % Мп возрастает горячеломкость стали из-за снижения теплопроводности.

Марганец, как и кремний, используется при плавке стали в качестве раскислителя. Но его раскисляющая способность хуже, чем кремния, поэтому и остаточное содержание марганца в сталях выше (до 0,9 %).

Никель образует с железом твердые растворы, упрочняет феррит при сохранении и даже увеличении пластичности и вязкости. Этот элемент расширяет аустенитную зону, снижая температуру превращения Аз и увеличивая температуру А4. Никель в количестве до 3,5 % повышает жидкотекучесть, но увеличивает суммарную усадку и объем усадочной раковины, снижает трещиноустойчивость стали из-за уменьшения её теплопроводности.

Хром повышает устойчивость феррита и упрочняет его, но слабее, чем Мп, Si, Ni. В сталях хром образует специальные карбиды, сначала Сг?Сз, а при содержании хрома 10-12 % и более карбид СгсзСе. При малом содержании в стали (до 2 %) хром растворяется в цементите и замещает в нем атомы железа, образуя легированный цементит. Карбиды хрома блокируют плоскости скольжения, и прочность хромистых сталей возрастает.

Литейные свойства стали при введении хрома ухудшаются. Из-за образования окисны х плен снижается жидкотекучесть. Заметно возрастают линейная и объемная усадки. Малые добавки хрома (до 1 %) улучшают трещ иноустойчивость.

Молибден, вольфрам, как и хром, являются карбидообразующими элементами. Растворимость Мо и W в цементите мала, поэтому они образую т свои специальные карбиды сложного состава. В конструкционных малолегированных сталях упрочнение специальными карбидами незначительно, но в высоколегированных жаропрочных сталях оно играет решающую роль.

При малом содержании этих добавок (до 1 %) литейные свойства

Ванадий образует мелкодисперсный карбид VC, который оказывает упрочняющее действие, не снижая пластичности. На литейные свойства он влияет так же, как Мо и W.

3.3.2. Низколегированные конструкционные стали

Состав и свойства низколегированных конструкционных сталей регламентируются тем же ГОСТ 977-88, что и углеродистых сталей. Стандарт насчитывает 22 марки низколегированных сталей. Их средний состав приведен в табл. 3.6.

Это весьма многочисленная группа литейных сплавов. Легирование конструкционных сталей преследует цель значительного повышения м еханических свойств, но при этом улучшаются и некоторые специальны е служебные свойства. Литейные свойства низколегированных сталей практически совпадают со свойствами углеродистых при одинаковом содержании углерода.

Как видно из табл. 3.6, легированные конструкционные литейные стали содержат не более 2 % каждого из легирующих элементов. Содержание углерода не должно превышать 0,45 %, чтобы избежать снижения пластичности. Малые добавки таких элементов, как Мо, V, Ti (0,07 % Ti содержится в стали 13ХНДФТЛ и по 0,05 % Ti в сталях 20Г1ФЛ и 20ХГСНДМЛ), улучшают технологические свойства, измельчают зерно, повышают ударную вязкость.

Средний химический состав легированны х конструкционны х сталей, %

пластичность несколько снижается.

Высокие механические свойства у отливок из легированных сталей могут быть получены только после термической обработки. Для данной группы сталей применяют три основных варианта ТО: нормализация + высокий отпуск, закалка + высокий отпуск и закалка + низкий отпуск. Первый вариант наиболее простой, но не обеспечивает получения оптимального комплекса свойств. Наилучшее сочетание прочности и пластичности может быть получено при улучшении (закалка + высокий отпуск). Наибольшая прочность достигается при низком отпуске, но за счет некоторого снижения пластичности.

Механические свойства некоторых легированных конструкционных сталей при различных режимах термической обработки

Без термической обработки использование легированных сталей нецелесообразно, так как свойства отливок из таких сталей будут мало отличаться от свойств отливок из углеродистых сталей, а стоимость будет существенно выше.

Все низколегированны е стали, как правило, относятся к перлитному классу. В нормализованном состоянии они имеют феррито­ перлитную структуру.

По химическому составу стали несколько условно можно поделить на группы, как это сделано в табл. 3.7 горизонтальными линиями.

М а р га н ц о в и ст ы е ст али являются наиболее дешевыми легированными сталями. По сравнению с углеродистыми они обладают больш ей прочностью из-за растворного упрочнения феррита и образования более устойчивых, чем цементит, сложных карбидов (РеМп)зС. При этом стали сохраняют высокую ударную вязкость. Из марганцовистых низколегированных сталей получают отливки, испытывающие значительный износ,ударные и переменные нагрузки. Это детали железнодорожного транспорта, экскаваторов и т.п.

В машиностроении из таких сталей изготовляют отливки для валов, траверс, зубчатых колёс. Истинная жидкотекучесть марганцовистых сталей несколько ниже, чем углеродистых с таким же содержанием углерода, ниже и трещ иноустойчивость. При терм ообработке м арганец повышает прокаливаемость, но все же толщина стенки отливок не должна превышать 100 мм. Ещё выше прокаливаемость сталей, легированных одновременно марганцем и кремнием (20ГСЛ, ЗОГСЛ). Отливки из них характеризуются более высокими показателями механических свойств и лучшей износостойкостью. Из марганцовокремнистой стали отлиты крупные лопасти гидротурбин. Для измельчения зерна вводят до 0,1 % ванадия (сталь 20Г1ФЛ).

В а н а д и е в ы е ст али наиболее яркие представители так называемых экономнолегированных сталей, к которым также относят и вышерассмотренные марганцовистые и марганцовокремнистые стали. Ванадиевые стали содержат всего лишь 0,06-0,20 % V, но такая добавка более эффективна, чем добавки Мл, Si, Cr, Ni в значительно больших количествах.

Хромистые низколегированные стали имеют более высокую прочность, чем углеродистые, и лучшую прокаливаемость. Сталь 40ХЛ применяют для изготовления отливок, подвергающихся повышенному износу при отсутствии ударных нагрузок. Небольшие добавки молибдена (35ХМЛ) улучшают структуру и свойства стали. Хромоникелевая сталь ЗОХНМЛ считается одной из лучших среди конструкционных сталей. Ее используют для изготовления особо ответственных высоконагруженных деталей. Никель упрочняет феррит, но сохраняет его пластичность и ударную вязкость, а карбиды хрома блокируют плоскости скольжения. У стали ЗОХНМЛ отношение предела текучести к пределу прочности (0,81) больше, чем у других конструкционных сталей. Хорошая прокаливаемость позволяет использовать хромоникелевую сталь для получения крупных отливок. Молибден снижает отпускную хрупкость стали. Для получения равномерных свойств по всему сечению толстостенны х отливок необходима более сложная термическая обработка, которая включает в себя следующ ие последовательны е операции: гомогенизацию, нормализацию, закалку, высокий отпуск.

Хромансилы - стали, комплексно легированные добавками хрома, кремния и марганца. Ведущую роль среди них играет сталь 35ХГСЛ. Она применяется для изготовления деталей, работающих в условиях износа при высоких ударных нагрузках (рычаги, толкатели, шестерни, валы). Хорошая жидкотекучесть позволяет получать отливки с толщиной стенки до 4 мм, а хорошая прокаливаемость - применять сталь и для отливок со стенками до 100 мм. Для улучш ения структуры и технологических свойств к основному легирующему комплексу добавляют молибден, ванадий, титан.Это позволяет уменьшить склонность стали к образованию трещин и короблению.