Влияние легирующих элементов на свойства стали очень велико. Грамотно используя разнообразные добавки, можно получить самый разный материал, с самыми различными свойствами. Однако чтобы успешно использовать легирующие элементы, необходимо знать, что это такое, как они работают и как называются.

Общее описание веществ

Итак, как уже было сказано, влияние легирующих элементов на свойства стали велико. Что же это за элементы такие? Это вещества, которые вводятся в структуру стали и влияют на ее физические и химические характеристики. Материал, который получен в результате такого вмешательства, называется легированным. Сам же процесс - это технологическая процедура, основная задача которой - это улучшение или изменение изначальных характеристик сырья. Именно благодаря этой процедуре удается изменять любые свойства стали, делая ее пригодной для использования практически в любой сфере деятельности.

Легирующие элементы первого порядка

Естественно, что имеется несколько групп веществ, которые могут оказывать какое-либо действие на материал. В зависимости от степени использования и важности есть основные и вспомогательные реактивы. Влияние легирующих элементов на свойства стали из основной группы очень большое.

Наиболее распространенным считается углерод. Несмотря на то что он используется практически в любой процедуре, его влияние не совсем однозначное. С одной стороны содержание этого вещества в структуре около 1,2% улучшает такие качества, как прочность, твердость и хладноломкость. Однако с ростом этих свойств ухудшаются другие, к примеру, теплопроводность и плотность сырья. Кроме того, даже эти показатели не считаются главными. Как и введение любого другого вещества, добавление углерода в состав стали сопровождается определенной операцией. И вот здесь возникает важная разница. В результате этой процедуры не все реактивы способны сохранить свои компоненты в изначальной форме, некоторые просто теряются. Углерод же, в свою очередь, сохраняется полностью. Другими словами, во время проведения процедуры у операторов есть возможность полного контроля и регулирования количественного содержания этого вещества в структуре.

Другие вещества первой группы

Углерод - это не единственный легирующий элемент, влияющий на свойства стали сильнейшим образом. К основной категории относят также кремний и марганец. Хотя стоит отметить, что, к примеру, добавление кремния всегда очень минимальное, примерно 0,4%, а особых изменений этот реактив в структуру не вносит. Он используется в качестве основного окисляющего и связывающего вещества. Другими словами, эти компоненты являются связующим звеном, которое позволяет добавлять в состав стали другие важные компоненты таким образом, чтобы в итоге получилась целостная и прочная структура.

Элементы второго порядка

Количество веществ, входящих в эту группу, значительно больше. Влияние легирующих элементов на структуру стали из этой группы может быть самым разнообразным. Одним из наиболее используемых веществ стал молибден. Чаще всего эта добавка используется в хромистых сталях. Введение этой присадки значительно влияет на две характеристики стали - это увеличение прокаливаемости, а также значительное понижение порога хладноломкости. Чаще всего стали с содержанием молибдена используются строительной промышленностью. Кроме того, с его помощью создаются молибденовые компоненты. Эти вещества считаются очень эффективными, так как при добавлении их в материал они гарантируют динамическую, а также статическую прочность сырья. В то же время эти компоненты значительно уменьшают вероятность внутреннего окисления.

Еще одним представителем второй категории легирующих компонентов стал титан. Применение этой присадки довольно узкое, а используется она лишь в паре с хромомарганцевыми сплавами. В таких случаях титан способствует измельчению структурных зерен в этом материале. Содержание легирующих элементов, таких как кальций и свинец, к примеру, способствует тому, что процедура резки стали будет проходить гораздо легче. Потому и используются они лишь в тех металлических заготовках, которые после производства нужно будет резать на несколько частей.

Классификация реактивов

Стоит сказать, что кроме условного разделения на такие две категории, как основные и дополнительные элементы, существует более точная классификация. К примеру, это может быть связано с таким признаком, как степень механического воздействия на структуру вещества. По этому признаку все элементы можно разделить на три группы:

• влияние элементов, в результате которого образуются карбиды;
• элементы, оказывающие полиморфное влияние на сталь;
• элементы, введение которых формирует интерметаллические соединения.

Однако здесь очень важно отметить, что влияние реактивов из любой категории этого класса будет зависеть еще и от того, какие сторонние присадки будут присутствовать в сплаве. Кроме того, если углубляться в классификацию легирующих элементов в сплавах, то стоит сказать, что степень полиморфного влияния также можно разделить на несколько групп по характеру их воздействия на материал.

Общее описание улучшений посредством легирования

Если говорить в общем, то имеется несколько категорий, по которым можно разделить все легирующие элементы. Одни будут значительно влиять на механические качества материала, улучшая его технический ресурс. Чаще всего улучшаются такие показатели, как прочность, твердость, пластичность или же прокаливаемость. Еще одним направлением, на которое оказывают влияние эти элементы, являются защитные свойства. Легированная сталь отличается от обычной тем, что она значительно лучше противостоит ударам, у нее значительно выше красностойкость, повышена жаропрочность, а также улучшена стойкость к коррозии.

Некоторые сферы деятельности человека требуют улучшения таких качеств металла, которые можно отнести к электрохимическим. Если необходимо улучшить эту составляющую, то чаще всего акцентируют внимание на повышение электро- и теплопроводности, повышают сопротивляемость к окислению веществ.

Вредные присадки

Естественно, что любой процесс сопровождается еще и негативной стороной. Для легированных сталей такой стороной стало появление фосфора и серы, которые также относятся к легирующим реактивам. Однако от них стараются избавляться, а не добавлять в структуру. К примеру, наличие фосфора в составе железа сохранится даже после того, как пройдет весь процесс легирования. А взаимодействие этих двух компонентов вызывает хрупкость зерен стали. В результате продукт будет иметь более низкую прочность, а также повышенную хрупкость. Хотя стоит отметить, что если будут соединяться элементы фосфора и углерода, то будет улучшаться процесс отделения стружки, что поможет в дальнейшем легче обрабатывать сталь. Поэтому минимальное содержание фосфора все же присутствует в составе сплава.

Из основных легирующих элементов, которые считаются вредоносными, вторым стала сера. Стоит отметить, что содержание этой примеси еще хуже, чем фосфора. В частности это обусловлено тем, что сера нивелирует сопротивляемость металла внешним нагрузкам. Это значит, что наличие этого реактива в составе стали сделает ее менее устойчивой к коррозии, значительно повысит истираемость, а также снизит сопротивляемость усталости металла.

Как проходит легирование

Чаще всего процесс легирования проходит на металлургическом производстве. В расплавленную массу или же шихту добавляют необходимое количество тех веществ, которые были описаны выше. В результате последующей термической обработки происходит процесс соединения отдельных реактивов в цельную структуру и некоторая деформация. Таким образом, происходит улучшение качества сплава.

Подробное описание элементов

Также стоит добавить, что имеется обозначение легирующих элементов, которое служит для того, чтобы можно было быстро понять, какие именно вещества использовались для улучшения структуры.

Что происходит при введении реактивов?

Не стоит думать, что добавление таких веществ не влияет на взаимодействие их между собой. Чем больше вводится разнообразных легирующих веществ, тем сложнее протекает этот процесс. Введение новых элементов создает новые фазы, изменяет процесс термической обработки, приводит к созданию новых структурных составляющих. Также здесь стоит отметить, что все элементы находятся в разном положении. Некоторые находятся в свободном состоянии (медь, свинец), некоторые образуют интерметаллидные соединения - металл-металл и т. д.

Мартенситные стали

Имеется такой вид стали, который относят к мартенситному. Введение определенных легирующих элементов в состав такого материала будет сказываться довольно негативным образом. К примеру, марганец, молибден или хром будут снижать мартенситную точку нагрева, а также способствовать увеличению аустенитного остатка. Эти качества будут негативно сказываться на конечном качестве материала после закалки.

Отпуск сырья

Присутствие легирующих элементов также оставит свой отпечаток и на отпуске стали. Большое количество реактивов будет уменьшать скорость превращения и повышать температуру, требуемую для превращения. По этой причине все легированные сплавы отпускаются при температуре на 100-150 градусов выше, чем обычные.

Подведение итогов

Процесс легирования - это сложный технологический процесс, который используется для улучшения или изменения изначальных характеристик стали. Во время этой процедуры используются основные легирующие элементы или второстепенные. Могут использоваться реактивы из обеих групп сразу. Также стоит помнить о том, что добавление некоторых элементов будет не только улучшать определенные характеристики, но и ухудшать другие. А потому прежде, чем приступить к данному процессу, необходимо проводить тщательные расчеты. Для выполнения этой задачи на заводах и фабриках присутствуют технологи, которые устанавливают состав для каждой марки стали, а также точно определяют количество, какое необходимо добавить в массу, чтобы достичь нужного эффекта.

Легированная сталь - это сталь, содержащая специальные легирующие добавки, которые позволяют в значительной степени менять ряд ее механических и физических свойств. В данной статье мы разберемся, что из себя представляет классификация легированных сталей, а также рассмотрим их маркировку.

Классификация легированных сталей

1. (до 0,25% углерода);
2. среднеуглеродистые стали (до 0,25% до 0,65% углерода);
3. (более 0,65% углерода).

В зависимости от общего количества в их составе легирующих элементов, которые содержит легированная сталь, она может принадлежать к одной из трех категорий:

1. низколегированная (не более 2,5%);
2. среднелегированная (не более 10%);
3. высоколегированная (от 10% до 50%).

Свойства, которыми обладают легированные стали, определяет и их внутренняя структура. Поэтому признаку классификация легированных сталей подразумевает разделение на следующие классы:

1. доэвтектоидные — в составе присутствует избыточный феррит;
2. эвтектоидные — сталь имеет перлитную структуру;
3. заэвтектоидные — в их структуре присутствует вторичные карбиды;
4. ледебуритные — в структуре присутствует первичные карбиды.

По своему практическому применению легированные конструкционные стали могут быть: конструкционные (подразделяются на машиностроительные или строительные), а также стали с особыми свойствами.

Назначение конструкционных легированных сталей:

• Машиностроительные — служат для производства деталей всевозможных механизмов, корпусных конструкции и тому подобного. Отличаются тем, что в подавляющем большинстве случаев проходят термическую обработку.
• Строительные — чаще всего используются при изготовлении сварных металлоконструкций и термической обработке подвергаются в редких случаях.

Классификация машиностроительных легированных сталей выглядит следующим образом.

• активно используются для производства деталей, предназначенных для работы в сфере энергетики (например, комплектующие паровых турбин), а также из них делают особо ответственный крепеж. В качестве легирующих добавок в них используют хром, молибден, ванадий. Жаропрочные относятся к среднеуглеродистым, среднелегированным, перлитным сталям.
• Улучшаемые (из категорий среднеуглеродистых, низко- и среднелегированных) стали, при которых используют закалку, применяются для изготовления сильно нагруженных деталей, испытывающих нагрузки переменного характера. Отличаются чувствительностью к концентрации напряжения в рабочей детали.
• Цементуемые (из категорий низкоуглеродистых, низко- и среднелегированных) стали, как можно понять по названию, подвергаются цементации и следующей после нее закалке. Их применяют для изготовления всевозможных шестерен, валов и других похожих по назначению деталей.

Классификация строительных легированных сталей подразумевает их разделение на следующие виды:

• Массовая — низколегированные стали в виде труб, фасонного и листового проката.
• Мостостроительная — для автомобильных и ж/д мостов.
• Судостроительная хладостойкая, нормальная и повышенной прочности — хорошо противостоит хрупкому разрушению.
• Судостроительная хладостойкая высокой прочности — для сварных конструкций, которым предстоит работать в условиях низких температур.
• Для горячей воды и пара — допускается рабочая температура до 600 градусов.
• Низкоопущенные высокой прочности — применяются в авиации, чувствительны к концентрации напряжений.
• Повышенной прочности с применением карбонитритного упрочнения, создающим мелкозернистую структуру стали.
• Высокой прочности с применением карбонитритного упрочнения.
• Упрочненные прокаткой при температуре 700-850 градусов.

Инструментальная легированная сталь широко используется при производстве разнообразного инструмента. Но помимо явного превосходства над углеродистой сталью в плане твердости и прочности, у легированной стали есть и слабая сторона — более высокая хрупкость. Поэтому для инструмента, который активно подвергается ударным нагрузкам, такие стали не всегда подходят. Тем не менее при производстве огромного перечня режущего, ударно-штампового, измерительного и прочего инструмента именно инструментальные легированные стали остаются незаменимыми.

Добавление никеля повышает пластичность, вязкость стали и коррозионную стойкость.

Титан уменьшает зернистость внутренней структуры, повышая прочность и плотность, улучшает обрабатываемость и коррозионную стойкость.

Присутствие ванадия уменьшает зернистость внутренней структуры, что повышает текучесть и порог прочности на разрыв.

Добавка молибдена дает возможность улучшить прокаливаемость, повысить коррозионную устойчивость и снизить хрупкость.

Вольфрам повышает твердость, не дает зернам увеличиваться при нагреве и снижает хрупкость при отпуске.

Введение кобальта увеличивает ударопрочность и жаропрочность.

Добавление алюминия способствует повышению окалиностойкости.

Отдельно стоит упомянуть примеси и их влияние на свойства сталей. Любая сталь всегда содержит технологические примеси, так как полностью удалить их из состава стали чрезвычайно трудно. К такого рода примесям относятся углерод, серу, марганец, кремний, фосфор, азот и кислород.

Оказывает на свойства стали очень значительное влияние. Если его содержится до 1,2%, то углерод способствует повышению твердости, прочности, предела текучести металла. Превышение указанного значения способствует тому, что начинает значительно ухудшаться не только прочность, но и пластичность.

Если количество марганца не превышает 0,8%, то он считается технологической примесью. Он призван повысить степень раскисления, а также противостоять негативному влиянию серы на сталь.

При превышении содержания серы выше 0,65% механические свойства стали существенно снижаются, речь идет об уменьшении уровня пластичности, коррозионной стойкости, ударной вязкости. Также высокое содержание серы негативно влияет на свариваемость стали.

Даже незначительное превышение содержания фосфора выше необходимого уровня чревато повышением хрупкости и текучести, а также снижением вязкости и пластичности стали.

При превышении определенных количественных значений в составе стали вкрапления данных газов повышают хрупкость, а также способствуют понижению ее выносливости и вязкости.

Слишком большое содержание водорода в стали ведет к увеличению ее хрупкости.

Маркировка легированных сталей

К категории легированных относится большое разнообразие сталей, что и вызвало необходимость в систематизации их буквенно-цифрового обозначения. Требования к их маркировке оговаривает ГОСТ 4543-71, согласно которому сплавы, наделенные особыми свойствами, обозначаются маркировкой, где на первой позиции стоит буква. По этой букве как раз и можно определить, что сталь по своим свойствам относится к определенной группе.

Так, если начинается с букв «Ж», «Х» или «Е» - перед нами сплав нержавеющей, хромистой или магнитной группы. Сталь, которая относится к нержавеющей хромоникелевой группе, обозначается буквой «Я» в ее маркировке. Сплавы, относящиеся к категории шарикоподшипниковых и быстрорежущих инструментальных, обозначаются буквами «Ш» и «Р».

Стали, относящиеся к легированным, могут принадлежать к категории высококачественных, а также особо высококачественных. В таких случаях в конце их марки ставится буква «А» или «Ш» соответственно. Стали, которые обладают обычным качеством, таких обозначений в своей маркировке не имеют. Специальное обозначение также имеют сплавы, которые получены прокатным методом. В таком случае в маркировке присутствует буква «Н» (нагартованный прокат) или «ТО» (термически обработанный прокат).

Точный химический состав любой легированной стали можно посмотреть в нормативных документах и справочной литературе, но получить такую информацию позволяет и умение разбираться в ее маркировке. Первая цифра позволяет понять, сколько углерода (в сотых долях процента) содержит легированная сталь. После этой цифры в марке перечисляются буквенные обозначения легирующих элементов, которые содержатся дополнительно.

Основные легирующие элементы и их влияние на свойства сталей

Окончание таблицы 5.1

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 других неметаллических соединений (алюминий, титан и ванадий, являясь раскислителями, образуют оксиды Αl 2 О 3 , TiO 2 , V 2 O 5 );

· в карбидной фазе – в виде твердого раствора в цементите или в виде самостоятельных соединений с углеродом – специальных карбидов;

· в растворенном виде в железе.

Взаимодействие легирующих элементов с углеродом.

Углерод, взаимодействуя с железом, формирует в сталях внутреннее 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 или образовывать карбиды (Mn 3 C , Cr 23 C 6 , Cr 7 C 6 , Fe 3 Mo 3 C , Fe 3 W 3 C и др.), сравнительно легко растворяющиеся в аустените при нагреве, и карбиды (MoC , W 2 C , 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.

Влияние легирующих элементов на полиморфные модификации железа.

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:

· расширяющие область Fe γ (или легированного аустенита);

· сужающие область Fe γ .

К первой группе относятся никель, марганец, кобальт, медь. Точка А 3 железа с увеличением содержания этих элементов снижается, расширяя область существования Fe γ на диаграмме «Железо – легирующий элемент». Такое состояние сплава может существовать от температуры плавления 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 А 3 железа с увеличением содержания этих элементов повышается, расширяя область Fe α и сужая область Fe γ . Область Fe α 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. Исключением являются хром (до 3 %) и никель, с введением которых ударная вязкость возрастает.

Кроме того, добавки никеля до 6 % 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.

Влияние легирующих элементов на равновесную структуру железоуглеродистых сплавов.

Важнейшими точками диаграммы «Fe – Fe 3 C », 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. Например, при введении 5 % хрома доэвтектоидные стали содержат до 0,6 % 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 А 1 , А 3 , А m 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 А С1 = 730 °С, а А С3 = 755 °С;

– сталь 45Х имеет А С1 = 735 °С, а А С3 = 770 °С;

– сталь 45ХН имеет А С1 = 750 °С, а А С3 = 790 °С;

– сталь 45ХН2МФА имеет А С1 = 735 °С, а А С3 = 825 °С.

Влияние легирующего элемента на изотермический распад аустенита, а также на его распад при непрерывном охлаждении.

Это выражается в увеличении устойчивости переохлажденного аустенита. С-образные области (диффузионные и частично диффузионные превращения) на изотермических и термокинетических диаграммах сдвигаются вправо по оси времени (увеличивается устойчивость переохлажденного аустенита), что обусловлено меньшей диффузионной подвижностью атомов легирующих элементов (кроме кобальта) по сравнению с атомами углерода (рис. 5.1). Причем при введении некарбидообразующих элементов (никель, марганец, кремний) форма С-образной области остается такой же, как и для углеродистой стали. Введение же карбидообразующих элементов (хром, вольфрам, молибден) изменяет вид
С-образной области: выделяются области диффузионного и частично диффузионного превращений и между этими областями аустенит может иметь аномально высокую устойчивость.

В целом увеличение устойчивости переохлажденного аустенита повышает прокаливаемость легированных сталей. Введение отдельных элементов, например бора 0,001–0,005 %, может увеличить прокаливаемость в десятки раз.

Рис. 5.1 . Диаграммы изотермического распада аустенита:
а – углеродистая (1, область А п →Ф + Ц ) и легированная некарбидообразующими
элементами (2, область А п →Ф + К ) стали; б – углеродистая (1) и легированная

карбидообразующими элементами (2, область А п →Ф + К ) стали

При закалке (нагрев, выдержка, охлаждение со скоростью V > V КР ) углеродистых сталей из переохлажденного аустенита образуется мартенсит. Влияние легирующих элементов на рост зерна аустенита при нагреве зависит от их способности образовывать карбиды при взаимодействии с углеродом. Элементы, не образующие карбиды (никель, кобальт, кремний, медь), практически не препятствуют росту зерна аустенита, а элементы, образующие карбиды (хром, вольфрам, молибден, ванадий, титан), препятствуют росту зерна аустенита. Сохранение мелкозернистого состояния аустенита до температур 930–950 ºС обусловлено высокой теплостойкостью карбидов, являющихся барьерами для перемещения границ зерна аустенита. Мелкоигольчатый мартенсит, полученный из мелкозернистого аустенита, обеспечивает стали повышенную вязкость.

Влияние легирующих элементов на мартенситное превращение сталей.

При введении легирующих добавок температурный интервал мартенситного превращения изменяется, что отражается на количестве остаточного аустенита в закаленной стали (рис. 5.2). Как видно из рисунка, алюминий и кобальт повышают мартенситную точку и снижают количество остаточного аустенита, но большинство легирующих элементов (марганец, молибден, хром) снижают мартенситную точку и увеличивают количество остаточного аустенита, что ухудшает качество стали после закалки. Для устранения остаточного аустенита такие стали после закалки обрабатываются холодом.

Рис. 5.2 . Влияние легирующих элементов на температуру мартенситного
превращения (а ) и количество остаточного аустенита (б ) в стали с 1,0 % углерода

Более того, влияние легирующих элементов на поведение сталей может быть настолько значительным, что точка М Н смещается ниже комнатной температуры. В этом случае мартенситное превращение отсутствует и охлаждением фиксируется аустенитное состояние, например, при введении 5 % марганца.

Влияние легирующих элементов на отпуск стали.

После закалки выполняется обязательная термическая операция для повышения вязкости стали – отпуск. В процессе отпуска неравновесные фазы – мартенсит и остаточный аустенит – превращаются в феррит и цементит. Это превращение протекает диффузионным путем и зависит от температуры нагрева.

Влияние легирующих элементов на отпуск стали выражается количественно и качественно. Количественное влияние легирующих элементов – уменьшение скорости превращений и повышение температуры превращений (выделение углерода из Fe α и коагуляция карбидов). Это наиболее заметно проявляется при введении хрома, ванадия, титана, вольфрама, молибдена, кремния. Поэтому температурные интервалы всех видов отпуска легированных сталей на 100–150 ºС выше по сравнению с углеродистыми.

Качественное влияние легирующих элементов – карбидные превращения (преобразование легированного цементита в специальные карбиды) и влияние вторичной твердости (превращение остаточного аустенита в мартенсит и выделение дисперсных карбидов).

Таким образом, легирование, изменяя скорости и температуру превращений, а также тепловые свойства стали, существенно влияет на режимы термической обработки. Основные особенности упрочняющей термической обработки легированных сталей по сравнению с углеродистыми заключаются в следующем:

· нагрев изделий производится с меньшей скоростью в связи с уменьшением теплопроводности сталей. Пониженная теплопроводность увеличивает перепад температур по сечению изделий, а следовательно, повышает и напряжения, вызывающие коробление и трещинообразование;

· температура нагрева для получения аустенита при введении карбидообразующих элементов повышается. Труднорастворимые карбиды сдерживают рост зерна аустенита и сохраняют его мелкозернистое состояние;

· охлаждение изделий возможно со значительно меньшей скоростью, так как процесс распада переохлажденного аустенита замедляется. Уменьшение критической скорости закалки позволяет охлаждать изделия в более мягком охладителе. Это уменьшает внутренние напряжения, коробление деталей, вероятность образования трещин;

· увеличивается прокаливаемость сталей, что позволяет упрочнять закалкой крупные изделия во всем сечении.

Легированные стали - это углеродистые стали, содержащие менее 1% углерода, однако с добавками других металлов в количествах достаточных, чтобы существенио изменить свойства стали. Наиболее важные легирующие элементы

Алюминий Вплоть до 1% алюминия в легированных сталях позволяет им, в процессе азотирования образовать более твердый, износоустойчивый наружный слой.

Хром . Присутствие небольшого количества хрома стабилизирует структуру твердых карбидов. Это улучшает отклик стали на термообработку. Присутствие большого количества хрома улучшает коррозионную стойкость и термостойкость стали (например, нержавеющая сталь). К сожалению, присутствие хрома в стали приводит к росту зернистости (см. никель ).

Кобальт. Кобальт повышает критическую скорость закалки стали при tермобработке. Это позволяет инструментальным сталям работать при высоких температурах без разупрочнения (смягчающего отпуска). Кобальт - важный легирующий элемент в некоторых быстрорежущих (инструментальных) сталях

Медь. Вплоть до 0,5 % содержания меди улучшает коррозионную стойкость легированных сталей.

Свинец. Присутствие вплоть до 0,2 % свинца улучшает обрабатываемость сталей, однако за счет уменьшения прочности и вязкости.

Марганец. Этот легирующий элемент всегда присутствует в сталях до максимального содержания 1,5 % для нейтрализации вредного влияния примесей, остающихся после процессов её удаления. Он также способствует формированию устойчивых карбидов в подвергающихся закалке сталях. В больши количествах (вплоть до 12,5 %) марганец улучшает износоустойчивость сталей самопроизвольно формируя твердый наружный слой под воздействием истирания (самозакалка).

Молибден. Этот легирующий элемент поднимает сопротивление ползучести сталей при высоких температурах; стабилизирует в них карбиды; улучшает характеристики режущих инструментов при высоких температурах и уменьшает восприимчивость хромоникелевых сталей к «отпускной хрупкости».

Никель. Присутствие никеля в легированных сталях способствует увеличению прочности и улучшению структуры. Он также улучшает коррознонную стойкость стали. К сожалению, никель имеет склонность разупрочнять сталь графитизируя любые присутсвующие карбиды. Так как никель и хром обладают противоположными свойствами, их часто используют в сочетании (хромо-никелевые стали). Их преимущества дополняют друг друга, в то время как их нежелательные воздействия взаимно уравновешиваются.

Фосфор. Это остаточный элемент после процессов удаления. Он может стать причиной непрочности стали, и обычно стремятся уменьшить его присутствие до уровня ниже 0,05 %. Тем не менее фосфор способен улучшить обрабатываемость, действуя как внутренняя смазка. В больших количествах он также улучшает текучесть литых сталей и чугуна.

Кремний. Присутствие кремния вплоть до 0,3 % улучшает текучесть литых сталей и чугунов, причем в отличие от фосфора без снижения прочности. Вплоть до 1% кремния улучшает термостойкость сталей. К сожалению, как и никель, фосфор - сильный графитизирующий элемент, и его никогда не добавляют в больших количествах в высокоуглеродистые стали. Кремний используется для улучшения магнитных свойств магнитно-мягких материалов, тех, которые используются для пластин трансформаторов и штампованных листов для изготовления статоров и роторов электромотора.

Сера. Сера также является остаточным элементом после процессов удаления. Ее присутствие сильно ослабляет сталь, и используются все возможности для ее удаления; кроме того, марганец всегда присутствует в сталях, чтобы сводить к нулю влияние остаточной серы. Однако сера иногда преднамеренно добавляется в низкоуглеродистые стали для улучшения их обрабатываемости, в тех случаях, когда допустимо уменьшение прочности компоненты (сульфидированные легкообрабатываемые (автоматные) стали).

Вольфрам. Присутствие вольфрама в легированных сталях способствует формированию очень твердых карбидов и, так же как и присутствие кобальта, повышает критическую скорость закалки стали при термообработке. Это позволяет вольфрамовым сталям (быстрорежущим сталям) сохранять свою твердость при высоких температурах. Вольфрамовые сплавы составляют основу высокопроизводительных инструментов и штамповой стали.

Легированные стали. Основные легирующие элементы в сталях, их влияние на структуру и свойства. Промышленные стали. Их назначение, требуемые свойства, термическая обработка.

Появление и широкое распространение легированных сталей обусловлено непрерывным ростом требований, предъявляемых к материалам.

Легированными называют стали, содержащие в своем составе кроме обычных примесей специально вводимые элементы, в количестве, обеспечивающем требуемые физические и механические свойства. Эти элементы называются легирующими.

Для легирования стали применяют хром (Cr), никель (Ni), марганец (Mn), кремний (Si), вольфрам (W), молибден (Mo), ванадий (V), кобальт (Co), титан (Ti), алюминий (Al), медь (Cu) и другие элементы. Марганец считается легирующим компонентом лишь при содержании его в стали более 1 %, а кремний – при содержании более 0,8 %. Легирующие элементы либо распределяются между фазами, существующими в обычной углеродистой стали (феррит и цементит) и, таким образом, изменяют их состав и свойства, либо образуют новые фазы, характерные только для легированных сталей

(интерметаллидные соединения, специальные карбиды и т. д.).

Легирующие элементы изменяют критические точки стали и оказывают существенное влияние на кинетику фазовых превращений, протекающих в стали при термической обработке.

По характеру влияния на критические температуры полиморфного превращения железа легирующие элементы разделяются на две группы. К первой группе относятся Ni,Mn,N,Cuи другие элементы, расширяющие область существования γ - твердого раствора (рис.1а). Эти элементы сFeα иFeγ образуют твердые растворы замещения (легированный феррит и легированный аустенит), повышают точку А 4 и понижают точку А 3. При содержании некоторых элементов этой группы вышеn(рис.1а) критическая точка превращения γ-α находится ниже комнатной температуры. Такие сплавы даже при медленном охлаждении приобретают структуру γ - твердого раствора (легированного аустенита).

а)Ni,Mn,Cu,Co,N,Cи др. б)Cr,Si,W,Mo,V,Alи др.

Рис.1. Влияние легирующих элементов на критические точки железа (схема).

Ко второй группе относятся Cr,Si,W,Mo,Vи другие элементы, ограничивающие область существования γ -твердого раствора (рис.1б). Эти элементы понижают точку А 4 и повышают точку А 3 . При содержании элемента этой группы в количествах, превышающихm(рис.1б), сплавы при всех температурах вплоть до температуры плавления имеют строение α -твердого раствора (легированного феррита).

Легирующие элементы оказывают существенное влияние на положение критических точек SиEдиаграммыFe-Fe 3 C. Большинство элементов(Ni,Si,Co,Cr,W,Mn) сдвигает их влево, т.е. в сторону уменьшения содержания углерода. Сильные карбидообразующие элементы (V,Ti,Nb), наоборот, повышают содержание углерода в эвтектоиде, т.е. сдвигают точкуSвправо.

Все легирующие элементы, кроме алюминия и кобальта, увеличивают устойчивость переохлажденного аустенита (сдвигают С-образные кривые вправо) и, следовательно, уменьшают критическую скорость закалки. Поэтому закалка изделий из легированных сталей производится при относительно невысоких скоростях охлаждения (в масле или даже на воздухе).

Легирующие элементы за исключением алюминия, кобальта и кремния снижают температуру начала мартенситного превращения и тем самым способствуют увеличению количества остаточного аустенита в закаленной стали.

По отношению к углероду легирующие элементы также разделяются на две группы:

элементы, не образующие в сталях карбидов (Ni,Si,Co,Cu,Al);

элементы, образующие карбиды (Mn,Cr,W,Mo,V,Ti,Nbи др.).

элементы первой группы полностью растворяются в твердом растворе (феррите, аустените). Элементы второй группы частично растворяются в твердом растворе и частично идут на образование карбидов.

Карбидообразующие элементы обладают большим, чем железо, сродством к углероду. По возрастанию сродства к углероду, а следовательно устойчивости карбидных фаз, карбидообразующие элементы располагаются в следующий ряд: Fe-Mn-Cr-Mo-W-V-Nb-Zr-Ti. Чем устойчивее карбид, тем труднее он растворяется в аустените и выделяется при отпуске.

При введении в сталь в сравнительно небольшом количестве легирующий карбидообразующий элемент сначала растворяется в цементите, замещая часть атомов железа; при этом образуется легированный цементит, например (FeMn) 3 C. С увеличением содержания легирующего элемента сверх предела растворимости образуются специальные карбиды типа Сr 7 С 3 ,Mn 3 Cи др.

По строению кристаллической решетки различают карбиды двух типов. К карбидам первой группы относятся Fe 3 C,Mn 3 C, Сr 7 С 3, Cr 23 C 6 . Такие карбиды недостаточно прочны и при нагреве в процессе термической обработки стали распадаются с образованием твердого раствора легирующих элементов в аустените.

Карбиды второй группы Mo 2 C,WC,TiCимеют простые кристаллические решетки. Они характеризуются большей прочностью и распадаются при более высоких температурах нагрева. Все карбиды обладают высокой твердостью, но твердость карбидов второй группы несколько выше твердости карбидов первой группы.

С повышением дисперсности карбидов растет твердость и прочность стали.

Маркировка легированных сталей.

В России принята буквенно-цифровая система маркировки легированных сталей. Обозначения состоят из цифр и букв, указывающих на примерный состав стали.

Каждому легирующему элементу присвоена буква русского алфавита: А-азот, Б- ниобий, В-вольфрам, Г-марганец, Д-медь, Е-селен, К-кобальт, М-молибден, Н-никель, П- фосфор, Р- бор, С-кремний, Т-титан, Ф-ванадий, Х-хром, Ц- цирконий, Ч-иттрий и редкоземельные металлы, Ю- алюминий.

В конструкционных сталях первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента (например, в стали 30ХГСА- примерно 0,3%С).В инструментальных сталях цифры соответствуют десятым долям процента(сталь 5ХНМ- 0,5%С). Если сталь имеет более 1% углерода, то

начальную цифру, характеризующую содержание углерода, обычно опускают (стали ХВГ, В1).

Цифры, стоящие после букв, обозначающих легирующие элементы, указывают приблизительное содержание легирующего элемента в целых процентах (например, в стали 34ХН3М содержание никеля-3%). При содержании легирующего элемента менее 1% цифра после буквы не ставится.

Буква в конце марки означает: А - данная сталь относится к высококачественной, что в основном определяется количеством вредных примесей серы и фосфора; Л - сталь относится к литейным; Ш и ВД- особо высококачественная сталь, полученная электрошлаковым и вакуумно-дуговым переплавом.

Для сталей специального назначения применяют дополнительную индексацию. Буквы вначале марки стали обозначают: А - автоматная, Ш- шарикоподшипниковая, Р- быстрорежущая, Е- магнитотвердая, Э- электротехническая.

Классификация легированных сталей.

Легированные стали делятся:

2) по суммарному количеству легирующих элементов : низколегированные (до 2%), среднелегированные (2,5-10%), высоколегированные (более 10%);

3) по химическому составу : хромистые, хромоникелевые, марганцовистые и т.д.;

4) классификация легированных сталей по структуре:

По структуре в равновесном состоянии, т.е. после медленного охлаждения(отжига), стали разделяются на следующие группы:

доэвтектоидные стали , имеющие в структуре избыточный легированный феррит;

эвтектоидные , имеющие перлитную структуру;

заэвтектоидные, имеющие в структуре избыточные (вторичные) карбиды;

ледебуритные стали, имеющие в структуре первичные карбиды, выделившиеся из жидкой стали. Образование карбидной эвтектики типа ледебурита в подобных сталях при их кристаллизации связано с тем, что ряд легирующих элементов сдвигает точку Е диаграммыFe-Fe 3 Cвлево, т.е. в сторону меньшего содержания углерода. Так, например, в стали, содержащей 5% хрома, предельная растворимость углерода в аустените (точка Е) смещается до 1,3%, а при содержании хрома 10% - до 1,0% С.

Ледебуритные стали содержат таким образом, меньше углерода, чем белые чугуны, и поэтому могут подвергаться горячей обработке давлением. Врезультате ковки первичные карбиды принимают форму обособленных частиц.

К сталям ледебуритного класса принадлежат бысрорежущие стали (Р 6 М 5, Р18)

К ферритному классу относятся малоуглеродистые стали, легированные большим количеством элементов, сокращающих область существования γ-твердого раствора. Стали этого класса имеют ферритную структуру с небольшим количеством карбидов. Феррит не претерпевает превращений (перекристаллизации) при нагреве вплоть до температуры плавления. Примерами таких сталей являются трансформаторные стали, высокохромистые коррозионностойкие и жаростойкие стали (08Х13, 08Х17Т, 15Х25Т и др.)

В зависимости от структуры, получаемой при охлаждении на воздухе (нормализации) принято разделять стали на три класса:перлитный мартенситный и аустенитный.

Для легированных сталей перлитного класса кривая охлаждения на воздухе пересекает область перлитного превращения переохлажденного аустенита (рис.2а), и после нормализации образуется структура феррито-карбидной смеси (перлита, сорбита, троостита). По структуре в равновесном состоянии (после отжига) перлитные стали разделяются на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные стали. К этому классу относятся все конструкционные и некоторые инструментальные легированные стали с суммарным содержанием легирующих элементов 5-8%.

Рис.2. Диаграмма изотермического распада аустенита различных классов стали:

а – перлитного; б – мартенситного; в – аустенитного

К мартенситному классу принадлежат стали, которые после охлаждения на воздухе (нормализации) приобретают структуру мартенсита с небольшим количеством остаточного аустенита. Суммарное содержание легирующих элементов в этих сталях составляет 10-15%. Повышенное содержание легирующих элементов обусловливает значительное смещение С-образных кривых вправо, и аустенит подобных сталей в условиях нормализации переохлаждается без распада до температуры мартенситного превращения (рис.2б). К мартенситному классу относятся хромистые нержавеющие стали (20Х13) и жаропрочные (15Х11МФ и др.), применяющиеся для лопаточного аппарата паровых и газовых турбин.

Аустенитный класс составляют стали с высоким содержанием никеля или марганца, т.е. элементов, расширяющих область существования γ -твердого раствора (легированного аустенита). При комнатной температуре эти стали имеют структуру аустенита. Общее содержание легирующих элементов в аустенитных сталях составляет 10-40% и более. Столь высокое содержание легирующих элементов приводит не только к резкому смещению С-образных кривых вправо, но и к снижению температуры начала мартенситного превращения в область отрицательных температур (рис.2.в).

К аустенитному классу принадлежат нержавеющие, кислотостойкие, жаропрочные и др. стали с особыми свойствами (стали 12Х18Н9Т, Х18Н10Т и др).

К промежуточным классам относятся: мартенсито-ферритный, аустенито-мартенситный, аустенитно-ферритный.