Раздел III. Конструкционные и инструментальные стали и сплавы
9.ЛЕГИРОВАНИЕ СТАЛЕЙ
9.1.Назначение легирования
Вданной лекции рассматриваются примеси, вводимые в стали в определенных концентрациях с целью изменения их внутреннего строения и свойств. Такие примеси (элементы) называются легирующими (от греческого слова «лега» – сложнее), а стали – легированными.
Внастоящее время в качестве легирующих элементов используются хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, титан, алюминий, кобальт, цирконий, марганец (не менее 1 %), кремний (не менее 1 %), бор, азот и другие – всего около 20 элементов.
Введение легирующих элементов значительно усложняет взаимодействие компонентов в стали между собой, приводит к образованию новых фаз и структурных составляющих, изменяет кинетику превращений и технологию термической обработки. Причем распределение легирующих элементов в сталях весьма разнообразно – они могут находиться в сталях:
·в свободном состоянии (медь, свинец, серебро);
·в виде интерметаллидных соединений(металла с металлом) с железом или между собой;
·в виде оксидов, сульфидов и другими неметаллических соединений
(алюминий, титан и ванадий, являясь раскислителями, образуют оксиды
Αl2О3, TiO2,V2O5);
·в карбидной фазе – в виде твердого раствора в цементите или в виде самостоятельных соединений с углеродом – специальных карбидов;
·в растворенном виде в железе.
Можно выделить основное: легирующие элементы преимущественно растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов(феррит, аустенит, цементит) или образуют специальные карбиды.
Управляя этими процессами, можно существенно улучшить свойства сталей и сформулировать цели легирования:
·создание сталей с высокой конструкционной прочностью и вязко-
стью;
·создание сталей с особыми свойствами(жаропрочность, жаростойкость, коррозионная стойкость и т. д.);
·создание сталей с лучшими технологическими свойствами (прокаливаемость, качественное выполнение термической обработки, резание).
Рассмотрим взаимодействие легирующих элементов с углеродом. Углерод, взаимодействуя с железом, формирует в сталях внутреннее строение и механические свойства. Введение легирующих элементов нарушает
106
это взаимодействие. По характеру взаимодействия с углеродом легирующие элементы подразделяются на некарбидообразующие и карбидообразующие.
К некарбидообразующим элементам относятся никель, кремний, кобальт, алюминий, медь. Они растворяются во всех кристаллических -со стояниях железа и изменяют его свойства. Карбидообразующими элементами являются хром, марганец, молибден, вольфрам, ванадий, титан, ниобий, цирконий. Они могут растворяться в железе и образовывать карбиды двух групп:
· со сложной кристаллической решеткой(Mn3C, Cr23C6, Cr7C6, Fe3Mo3C, Fe3W3C и др.), сравнительно легко растворяющиеся в аустените при нагреве;
· фазы внедрения (MoC, W2C, WC, VC, TiC и др.), практически не растворяющиеся в аустените при нагреве.
Кроме того, все карбидообразующие элементы могут растворяться в цементите, образуя легированный цементит. Все карбиды и легированный цементит обладают более высокой температурой распада и твердостью и в дисперсном виде значительно упрочняют сталь.
9.2. Влияние легирующих элементов на структуру и механические свойства сталей
Полиморфные состояния железа при образовании твердых растворов введением легирующих элементов смещаются по температуре. Все легирующие элементы по влиянию на полиморфные состояния железа можно разделить на две группы (рис. 9.1):
·расширяющие область Feγ (или легированного аустенита);
·сужающие область Feγ.
Рис. 9.1. Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа
К первой группе относятся никель, марганец, кобальт, медь. Точка А3 железа с увеличением содержания этих элементов снижается, расширяя область существования Feγ на диаграмме«Железо – легирующий элемент». Такое состояние сплава может существовать от температуры плав-
107
ления до весьма низких отрицательных температур. Такие стали называются аустенитными. Примером может служить износостойкая сталь 110Г13Л, содержащая 13 % марганца.
Ко второй группе относятся кремний, хром, вольфрам, молибден, алюминий, ванадий, титан. Точка А3 железа с увеличением содержания этих элементов повышается, расширяя область Feα и сужая область Feγ. Область Feα легированного феррита также может существовать от температуры плавления до весьма низких отрицательных температур. Такие стали называются ферритными. Примером может служить жаростойкая сталь Х25.
Свойства феррита существенно изменяются при введении легирующих элементов. Причиной изменения свойств является размерное несоответствие атомов легирующих элементов и железа, приводящее к искажению кристаллической решетки железа, возникновению внутренних напряжений и торможению движения дислокаций. Прочность и твердость феррита возрастает, а ударная вязкость снижается (рис. 9.2). Исключением является хром (до 3 %) и никель, с введением которых ударная вязкость возрастает.
Кроме того, добавки никеля до6% снижают температурный порог хладноломкости железа до – 200 °С. Поэтому детали механизмов и машин, работающих при низких температурах, изготавливаются из сталей с добавками никеля. Остальные элементы существенно повышают температурный порог хладноломкости, что ухудшает надежность работы деталей при низких температурах из-за увеличения вероятности их разрушения.
Рис. 9.2. Влияние легирующих элементов на свойства феррита: а – твердость; б – ударная вязкость
Важнейшими точками диаграммы «Fe–Fe3C», позволяющими классифицировать железоуглеродистые стали, являются точки S и E. Большинство легирующих элементов сдвигают эти точки в сторону меньшего содержания углерода, что означает смещение границ для сталей и чугунов. На-
108
пример, при введении 5% хрома доэвтектоидные стали содержат до0,6% углерода, эвтектоидные – 0,6%, заэвтектоидные – от 0,6 до 1,5%. Свыше 1,5% углерода – в структуре стали появляется ледебурит, поэтому такие стали названы ледебуритными. Эти стали, обладая высокой износостойкостью, используются для изготовления холодных штампов. Аналогичные закономерности наблюдаются у сталей с добавками вольфрама и молибдена, которые используются для изготовления быстрорежущего инструмента.
Кроме того, в легированных сталях совместное влияние углерода и легирующих элементов на точки А1, А3, Асm весьма сложное, поэтому температура этих точек для каждой стали определяется экспериментально. Знание этих точек необходимо для назначения режимов термической обработки, например, для сравнения (из марочника сталей):
–сталь 45 имеет АС1 = 730 °С, а АС3 = 755 °С;
–сталь 45Х имеет АС1 = 735 °С, а АС3 = 770 °С;
–сталь 45ХН имеет АС1 = 750 °С, а АС3 = 790 °С;
–сталь 45ХН2МФА имеет АС1 = 735 °С, а АС3 = 825 °С.
Рис. 9.3. Диаграммы изотермического распада аустенита:
а – углеродистая (1, область Ап →Ф + Ц) и легированная не карбидообразующими элементами (2, область Ап →Ф + К) стали; б – углеродистая (1) и легированная
карбидообразующими элементами (2, область Ап →Ф + К) стали
Легирующие элементы существенно влияют на поведение переохлажденного аустенита. Влияние легирующего элемента на изотермический распад аустенита, а также на его распад при непрерывном охлаждении выражается в увеличении устойчивости переохлажденного аустенита. С– образные области (диффузионные и частично диффузионные превращения) на изотермических и термокинетических диаграммах сдвигаются вправо по оси времени, что обусловлено меньшей диффузионной подвижностью атомов легирующих элементов(кроме кобальта) по сравнению с атомами углерода (рис. 9.3). Причем, при введении некарбидообразующих элементов (никель, марганец, кремний) форма С-образной области остает-
109