Лекция 9.

Основы легирования стали. Классификация и маркировка легированных сталей. Назначение легирования

В данной 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 – легированные.

В настоящее 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 др. 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 вязкостью;

- 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 внутренне строение и механические свойства. Введение легирующих элементов нарушает 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 состояниях 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.