книги из ГПНТБ / Ромадин К.П. Материаловедение [учебное пособие]

Элементы первой группы: Mn, Ni, С, N, Cu и Со расширяют область 7-твердых растворов (фиг. 68); они повышают точку A4

и одновременно понижают (за исключением Со) точку A3. Эле­

менты второй группы: Zr, В, Be, Al, Si, Ti, V, Mo, W, Та, N'b и Cr сужают область γ -твердых растворов (фиг. 69); они понижа­ ют точку A4 и повышают (за исключением Cr) точку A3. Эле­

менты первой группы принято называть аустенитообразующнми, а элементы второй группы — ферритообразующими.

2. Взаимодействие легирующих элементов с углеродом

По отношению к углероду легирующие элементы можно раз­

делить на две группы:

1. Элементы, не образующие карбидов: никель, кремний, кобальт, алюминий, медь.

2. Карбидообразующие элементы: хром, марганец, вольфрам,

молибден, ванадий, тантал; цирконий, титан, ниобий. Эти эле­

менты с- углеродом образуют простые или сложные карбиды.

Простыми карбидами называются химические соединения леги­ рующих элементов с углеродом типа Mn3-C, Crs3lC6 и др. Слож­

ными или двойными карбидами называются химические соеди­

нения типа FesMo2C, Fe2W2C и др.

Карбиды, образованные легирующими элементами, обладают высокой твердостью и хрупкостью. Однако по отношению к кар­

биду железа Fe3C они являются более твердыми и менее хруп­

кими. Учитывая степень химического средства легирующих эле­ ментов к углероду, можно написать ряд:

Fe, Mn, Cr, Wt Mo, Та, V, Nb, Zr, Ti.

80

Элементы, расположенные в начале ряда, образуют менее устой­ чивые карбиды, чем элементы, лежащие в конце ряда.

Наряду с простыми и сложными карбидами карбиодообра-

зующие элементы, растворяясь в цементите, образуют легиро­ ванный цементит типа (Fe, Cr)3C, (Fe1Mo)3C и др. Карбиды,

образованные легирующими элементами, в свою очередь раст­

воряют железо и образуют карбиды типа (Cr, Fe)23C6 и др.

Следовательно, легирующие элементы в зависимости от их

содержания и содержания углерода в стали распределяются

между различными ее составляющими: они растворяются в це­

ментите, образуют карбиды и растворяются в железе.

3. Влияние легирующих элементов на свойства стали

Большинство легирующих элементов оказывает влияние на положение точки S и точки E диаграммы железо—углерод (см. фиг. 23). Эти точки сдвигаются легирующими элементами

влево, что приводит к уменьшению содержания углерода в пер­

лите и понижает растворимость углерода в аустените. Наиболее

сильное влияние на эти точки оказывают титан, молибден, вольфрам, кремний.

Все легирующие элементы (за исключением марганца) прц нагревании стали уменьшают склонность аустенита к росту

зерна и сдвигают (кроме кобальта) диаграмму изотермического

превращения вправо, что обеспечивает более глубокую прокали­

рующие элементы, за исключением кобальта, увеличивают про­ качиваемость. Особенно сильно увеличивают прокаливаемость

молибден, марганец, хром и никель.

Большинство легирующих элементов снижает температуру

начала мартенситного превращения (точку √Wh) и увеличивает количество остаточного аустенита. Особенно резко точку А4Н сни­

жают марганец, хром, никель, ванадий, молибден и медь. Тем­ пература конца мартенситного превращения (точка ΛJκ.) также понижается большинством легирующих элементов, но менее

энергично, чем точка Ajh.

Легирующие элементы, образующие карбиды, затрудняют

превращения при отпуске, повышают температуру превращения

и делают сталь более устойчивой против отпуска. Они оказыва­ ют влияние на диффузионные процессы, происходящие при от­

пуске, связанные с выделением и коагуляцией карбидов в зака­

ленной стали. При отпуске легированной стали, содержащей

карбидообразующие элементы, твердость ее до температуры

400—450° почти не изменяется. Легирующие элементы, не обра­ зующие карбидов, не влияют на характер изменения твердости

при отпуске закаленной стали.

— сталь с особыми свойствами. Такими сталями являются:

нержавеющие и кислотоупорные, жаропрочные и жаростойкие,

износоустойчивые, с особым тепловым расширением, с особыми

магнитными свойствами, высокого электросопротивления и т. д.

Для обозначения марок сталей по ГОСТу принята буквенно-

металлургического производства высококачественной стали. Если содержание легирующего элемента меньше или около

В ряде случаев для сокращения числа знаков в обозначении цифры не пишутся. Например, сталь марки 18ХНВА в среднем содержит: 0,18% углерода, 1,5% хрома, 4,5% никеля, 1,0% воль­

фрама. По принятой системе она должна была бы обозначаться

не 18ХНВА, а 18Х2Н4ВА.

Некоторые легированные стали выделены в особые группы и

содержащая 0,1% углерода, 18% хрома и 90∕o никеля, обознача­

ется Я1, быстрорежущая сталь, в среднем содержащая 0,7% уг­ лерода, 4,5% хрома, 18% вольфрама и 1,2% ванадия, обозна­

чается Р18.

Стали, выплавляемые на заводе «Электросталь», обознача­

ются буквой Э (ЭХ12М, ЭЗОХГСА и т. д.). Опытные марки, вы­ плавляемые на заводе «Электросталь», обозначаются буквами ЭИ или ЭП и номером (ЭИ100, ЭИ417, ЭИ437 или ЭП56,

ЭП222 и т. д.).

IV. НИКЕЛЕВЫЕ СТАЛИ

Сплавы железа с никелем после затвердевания обладают

структурой γ-твердых растворов. В з-железе никель раство­

ряется в ограниченном количестве. Критические точки Aci и

Ac3 никель понижает, что позволяет нагревать никелевые стали

под закалку, отжиг и нормализацию до более низких темпера­

тур. Теплопроводность никелевых сталей немного ниже, чем у обычной углеродистой стали, поэтому никелевые стали при на­ гревании не требуют предосторожностей. Способность свари­

ваться и коваться у никелевых сталей хорошая. Никель затруд­

няет диффузию углерода и процессы, совершающиеся при от­

пуске.

Сравнивая влияние никеля на механические свойства стали

с влиянием других легирующих элементов, можно сказать, что

никелевая сталь является наиболее вязкой.

В табл. 6 приведены состав и свойства никелевых сталей.

Сталь 13Н2А применяется для изготовления распределитель­

ных валиков и малонагруженных цементируемых деталей.

Сталь 13Н5А применяется для изготовления кулачковых шайб, валиков и приводов, подвергающихся цементации.

Kpo1Me этих сталей перлитного класса, практическое приме­

нение имеют высоконикелевые сплавы, обладающие особыми свойствами.

Сплав, содержащий 36% никеля и обладающий минималь­ ным коэффициентом линейного расширения, является практиче­

ски не расширяющимся в интервале температур от минус IOOo

до плюс 100°. Такой сплав называется инваром. Применяется он для изготовления эталонов, деталей часовых механизмов и про­

чих приборов, которые с изменением температуры должны со­ хранять свои размеры.

Сплав, содержащий 46% никеля, имеет такой же коэффици­ ент линейного расширения, как у платины. Такой сплав назы­ вается платинитом. Применяется он вместо платины в качестве

электродов при впаивании их в стекло.

84

Сплавы, содержащие 22—34% никеля и 11 —14% алюминия,

обладают высокими магнитными свойствами. Из них изготавли­ вают мощные магниты для авиационных приборов.

V. ХРОМИСТЫЕ СТАЛИ ’

Сплавы железа с хромом после затвердевания обладают структурой ≈-твердых растворов. Область γ-твердых растворов

хром сужает.

В железоуглеродистых сплавах хром распределяется между

углеродом и железом. В малохромистых и малоуглеродистых

сталях хром находится главным образом в твердом растворе, а

в высокохромистых и высокоуглеродистых сталях — в карбидах.

твердость и прочность стали, не снижая ее пластичности. Одна­

ко содержание хрома выше 1,0—1,5% снижает ударную вяз­ кость, но мало сказывается на поперечном сужении и относи­

тельном удлинении. Особенно резко хром повышает твердость и прочность мартенсита. На фиг. 70 показано влияние хрома на

твердость стали после отжига и после закалки.

Хром значительно понижает теплопроводность. Поэтому на­ грев изделий необходимо производить медленно. Следует пом­ нить, что хром увеличивает сопротивляемость стали деформаци­ ям при высоких температурах, что затрудняет ее ковку.

85

Хром повышает корроизонную стойкость стали в атмосфер­

ных условиях и сопротивляемость стали газовой коррозии при высоких температурах. При больших концентрациях хрома на

поверхности стали образуется тонкая окисная пленка Сг20з, ко­ торая препятствует процессам коррозии. В связи с этим хром всегда вводится в стали, идущие на изготовление лопаток газо­ вой турбины реактивных двигателей и других деталей, работа­

няться и без цементации в термически обработанном состоянии.

Сталь 38ХА применяется для изготовления гильз цилиндров маломощных двигателей, шестерен, болтов, шпилек и мало-

нагруженных деталей реактивных двигателей.

Сталь ШХ15 применяется для изготовления шариков, роли­ ков и колец шариковых и роликовых подшипников, перед изго­ товлением которых сталь проковывают. Последующий низкий

отжиг при 680—690° придает карбидам хрома и железа зерни­

стую форму, что сильно повышает сопротивляемость истиранию.

VL ХРОМОНИКЕЛЕВЫЕ СТАЛИ

Влияние хрома и никеля при одновременном их введении

оказывает весьма благоприятное действие на строение и свойст­

ва стали. Сталь приобретает однородное строение и имеет вы­

сокую твердость и прочность, достаточную вязкость и пластич­

ность.

36

феррито-перлитные структуры, с увеличением содержания хро­

ма и никеля — мартенситные и тростито-сорбитные, затем —

0 2 4 S i 10 12 /4 Ib № 20 22 ЪСг

Фиг. 71. Структурная диаграмма нормализован­ ных хромоникелевых сталей

Отношение хрома к никелю в сталях перлитного класса, при котором получаются наилучшие свойства, равно 1 : 3. При этих

соотношениях сталь обладает высокой прокаливаемостью, что

чувствительными к скоростям нагрева и охлаждения. Поэтому

для получения мартенсит­

ной структуры. Охлаждение

в воде может привести к об­ разованию трещин.

Характерным дефектом хромоникелевых сталей является от­ пускная хрупкость (фиг. 72). Первая зона отпускной хрупкости

87

при 300—400° объясняется превращением остаточного аустени­

та в мартенсит. Вторая зона — при 500—600° проявляется лишь

пальцев, валиков и других цементируемых деталей.

Сталь 12Х2Н4А применяется для изготовления ответственных

шестерен, валиков, пальцев, роликов и осей.

Сталь 20ХНЗА применяется для изготовления болтов, шпи­ лек, втулок, шестерен и валиков.

Сталь 37XH3A применяется для изготовления шестерен, ба­

рабанов, втулок, валиков и винтов.

ѵп. хромоникельвольфрамовые и хромоникельмолибденовые стали

Добавка вольфрама или молибдена, к хромоникелевым ста­

лям устраняет их один из существенных недостатков — отпус­ кную хрупкость; и они становятся невосприимчивы к отпускной

88

хрупкости. Вольфрам и молибден уменьшают чувствительность стали к перегреву и улучшают комплекс механических свойств. Твердость стали, предел прочности и особенно предел текучести

. с увеличением содержания вольфрама или молибдена возраста­

ют, а относительное удлинение и поперечное сужение остаются

почти без изменения. Ударная вязкость при малых добавках вольфрама или молибдена повышается.

Железо с вольфрамом и с молибденом образует ограничен­ ные твердые растворы и металлические соединения. Вольфрам

и молибден с углеродом дают карбиды, препятствуют росту зерна стали при нагревании и уменьшают чувствительность ста­

ли к перегреву.

Точки Aci и Ac3 вольфрамом и молибденом повышаются.

Таким образом, температура нагрева под закалку хромоникельвольфрамовой и хромоникельмолибденовой сталей по сравнению

оо сталью хромоникелевой повышена. Вольфрам и молибден за­

действие вольфрама. Поэтому конструкционные хромоникелевые

стали содержат вольфрама приблизительно в три раза больше,

чем молибдена. Практически они содержат около 1 % вольфра­

ма или около 0,3% молибдена.

Хромоникельвольфрамовые и хромоникельмолибденовые ста­

ли применяются для изготовления ответственных и наиболее на­

89