Легировать сталь научились ещё в XIX веке – учёный Мюшетт изобрёл состав стали, содержащий 1,85% углерода, 9% вольфрама и 2,5% марганца, она использовалась для получения резцов, применяемых в .

Сталь для массового производства появилась благодаря разработкам английского металлурга Роберта Гадфильда. Легирование стали позволило получить состав: 1,0–1,5% углерода и 12–14% марганца, она отличалась повышенной износостойкостью и хорошим качеством литья. Эта марка практически без изменений сохранилась до наших дней.

Легированная сталь обладает большей прочностью, коррозионной стойкостью и пластичностью.

Стали имеют определённую классификацию в зависимости от структуры и области применения.

По структуре делятся на классы:

• мартенситный (основная структура металла);
• мартенситно-ферритный (структура содержит мартенсит + 10% феррита);
• ферритный;
• аустенитно-мартенситный (стали с комбинированной структурой аустенита и мартенсита, количество которых можно менять в больших пределах);
• аустенитно-ферритный (структура: аустенит с содержанием феррита более 10%);
• аустенитный (устойчивая структура аустенита).

По процентному соотношению легирующих добавок сталь подразделяют на:

• низколегированную – 5–10%;
• среднелегированную – 10%;
• высоколегированную – более 10%.

Дополнительная классификация

Легированные конструкционные сплавы подходят для изготовления деталей машин и механизмов в машиностроительной отрасли – производят крупногабаритные детали, которые закаляют и подвергают высокому отпуску. Большая часть легирующих добавок в стали повышают прокаливаемость. Внедрение добавок должно быть достаточным, но не чрезмерным. Большая степень легирования может вызвать:

• снижение пластических свойств;
• развитие отпускной хрупкости;
• снижение порога хладноломкости.

Исключение – никель, он смещает порог хладноломкости в область низких температур, поэтому для машин, работающих в условиях Севера, механизмы изготавливают из никельсодержащих сталей. Пружинная легированная сталь содержит 0,5–0,7% углерода, а в качестве добавок вводят хром, молибден и вольфрам. Такой состав должен обеспечивать высокое сопротивление малым пластическим деформациям и высокой усталостной стойкости.

Шарикоподшипниковые – относят к заэвтектоидным – углерод около 1% с дополнительным легированием металла хромом (1,3–1,65%). В теплостойких подшипниках хром увеличивают до 5%. К подшипниковым – предъявляют особые требования по металлургической чистоте. Применение рафинирующих переплавов, вакуумные способы переплавки, обработка синтетическими шлаками позволяют уменьшить долю и размер неметаллических включений, тем самым повышают сопротивление контактной усталости.

Инструментальные виды

Легированная инструментальная сталь предназначается для производства металлорежущего инструмента, эксплуатируемого при режимах с высокой скоростью резания и для изготовления штампового инструмента.

Быстрорежущие стали способны сохранять высокую твёрдость и износостойкость режущей кромки инструмента. В такую сталь добавляют молибден, ванадий, вольфрам, хром и кобальт.

Штамповые стали для холодной деформации с содержанием 1,0–2,0% углерода обладают износостойкостью и ударной вязкостью. Их легируют хромом до 12%, ванадием, вольфрамом, молибденом.

Штамповые стали для горячей деформации содержат углерод в пределах 0,3–0,5%, обладают высокой теплостойкостью, ударной вязкостью, сопротивлением термической усталости. В качестве добавок вводят вольфрам, молибден, ванадий.

Основные цели легирования

Слово «легирование» происходит от немецкого «legieren» (связывать, соединять). Положительное воздействие легирующих компонентов на свойства стали связано с обеспечиванием протекания двух физико-химических процессов.

Образование термодинамических устойчивых растворов замещения, сопровождающееся замещением части атомов (ионов) железа в его кристаллической решётке (ионами) легирующего элемента. Это ведёт к искажению кристаллической решётки железа, поскольку радиусы ионов (катионов) легирующих элементов отличаются от радиуса катионов железа, что повышает твёрдость и прочность железа с сохранением его пластичности.

Возникновение прочных и практически нерастворимых в жидком железе химических соединений между введёнными в расплавленный металл легирующими добавками и растворёнными в нём неметаллами (кислород, азот, сера, углерод и др.).

Результатами образования таких соединений являются:

• снижение остаточного содержания в расплавленном металле растворенных неметаллов, ухудшающих его качество;
• уменьшение общего объёма вредных примесей (растворённых и в виде неметаллических включений) в стали.

А также происходит выделение (выпадение) из жидкого металла таких мелких неметаллических включений, которые служат центрами кристаллизации и приводят к получению мелкозернистой первичной и вторичной структуры стали. Благодаря этому она имеет лучшую пластичность, малую анизотропность свойств после прокатки и т. д. Выделяющиеся во время кристаллизации мелкие неметаллические включения обладают склонностью скапливаться на поверхности растущих кристаллов, понижая скорость роста граней, а это, в свою очередь, уменьшает зернистость стали.

Основным способом легировать сталь является метод объёмного металлургического легирования. Заключается в сплавлении основного элемента с легирующими в печах разного вида (индукционные, вакуумно-дуговые, тигельные, конвертеры, дуговые, плазменные, и др.). При этом способе возможна существенная потеря активных веществ (марганца, хрома, молибдена, и др.).

Существуют также:

• механическое легирование;
• восстановление;
• электролиз;
• плазмохимическая реакция.

Механическое легирование выполняют в аттриторах – барабанах, в центре которых находится вал с кулачками. В них закладывают порошкообразные компоненты для получения нужного сплава. Во время вращения кулачки «ударяют» по смеси, и происходит «вбивание» легирующих добавок в основу.

При совместном восстановлении перемешивают оксиды элементов сплава с восстановителем, например, с гидридом кальция (СаН 2) и производят нагрев. Идёт реакция восстановления оксидов до металлов, синхронно происходит процесс диффузии, выравнивающий состав сплава. Полученный оксид кальция (СаО) промывают водой, а сплав (в виде порошка) идёт в следующую обработку. Металлотермическое восстановление подразумевает использование металлов (магния, кальция, алюминия и др.) в качестве восстановителей.

С помощью поверхностного легирования поверхности изделия придают особые свойства. На верхний слой наносится определённый элемент или сплав в виде небольшого пласта, затем на неё воздействуют с помощью энергии (лазерного излучения, плазмы, тока высокой частоты др.) - поверхность оплавляется, и на ней формируется новый сплав.

Разница между легированием и примесями

Обычные легирующие добавки - это компоненты, которые вводят в металл в значительных количествах - более 0,10%. Они вызывают изменение кристаллической решётки железа, образуя растворы внедрения, повышают прочностные и других свойства железа (матрицы).

В качестве металлов для легирования используют:

• хром Cr;
• марганец Mn;
• никель Ni;
• алюминий Al;
• молибден Mo;
• кобальт Co;
• титан Ti;
• цирконий Zr;
• медь Cu и другие.

Их внедряют в сталь в разных количествах и сочетаниях.

Примеси

Существует деление вредных примесей на обычные и остаточные. К обычным вредным примесям относят те, содержание которых в металле можно уменьшить во время плавки – это фосфор, сера, кислород, азот, углерод, т. е., неметаллы.

Под остаточными вредными примесями принято понимать такие, содержание которых невозможно снизить во время плавки ни при окислительном рафинировании, ни при обычном легировании. Это характерно для химических элементов, имеющих растворимость в жидком железе. В производственной практике обычно встречающимися вредными остаточными примесями являются:

• никель;
• олово;
• сурьма;
• мышьяк.

Маркировка легированных сталей

В России и СНГ действует система обозначения марок, состоящая из букв и цифр.

Обозначения конструкционных легированных сплавов

Маркировка такой стали состоит из цифр и букв. Буквы – это основные легирующие добавки, цифры после каждой из букв показывают содержание обозначенного элемента, округлённого до целого числа (если содержание легирующего компонента – до 1,5%, то цифра за буквой не пишется). Содержание углерода в процентах, умноженное на 100, пишется в начале наименования стали.

Маркировка основных легирующих компонентов:

Если сталь с ограничением содержанием и фосфора P <0,03% и является высококачественной, в конце маркировки указывают «А». Высококачественные стали, полученные электрошлаковым переплавом, имеют маркировку в конце наименования с буквой «Ш» через тире, например, 18ХГ-Ш.

В начале названия указывается буква «А». Если в качестве легирующей добавки идёт свинец, то маркировка будет начинаться с «АС». Для отображения других элементов, действует тот же порядок, что и для конструкционных легированных сталей.

Маркировка подшипниковых

Маркировка у них, как у легированных, только с «Ш» в начале. У стали, полученной электрошлаковым переплавом, добавляют «Ш» в окончании названия через тире. Например, ШХ8-Ш.

Обозначения инструментальных легированных

Маркируются аналогично конструкционным легированным сталям. Процентное содержание углерода указывается в начале маркировки, но отличается тем, что умножается не на 100, а на 10. Если содержание углерода менее 1%, то цифру в начале названия марки стали не указывают.

Маркировка быстрорежущих

Они маркируются в начале наименования буквой «Р» и цифрой, указывающей на содержание вольфрама в стали, затем следуют буквы и цифры других легирующих элементов.

Маркировка коррозионно-стойких

Коррозионно-стойкие (нержавеющие), жаростойкие и жаропрочные имеют в обозначении цифры и записываются так же, как маркировка конструкционных легированных сталей. У литейных добавляется «Л».

Развитие отождествляется с совершенствованием. Улучшение промышленных и бытовых возможностей осуществляется с помощью использования материалов с прогрессивными характеристиками. Это, в частности, Их разнообразие определяется возможностями коррекции количественного и качественного состава

Природно-легированная сталь

Первое выплавленное железо, которое по своим свойствам отличалось от сородичей, было природно-легированным. В выплавляемом доисторическом содержалось повышенное количество никеля. Его находили в древнеегипетских захоронениях 4-5 тысячелетий до н. э., из такого же сооружен памятник архитектуры Кутаб Минар в Дели (V век). Японские булатные мечи изготавливались из железа, насыщенного молибденом, а дамасская сталь содержала вольфрам, характерный для современной быстрорежущей. Это были металлы, руда для которых добывалась из определенных мест.

Сплавы современного производства могут содержать природные компоненты металлического и неметаллического происхождения, которые отражаются на их характеристиках и свойствах.

Исторический путь

Фундамент для развития легирования был заложен обоснованием тигельного способа плавления стали в Европе в XVIII веке. В более примитивном варианте тигли использовались еще в древние времена, в том числе для выплавки булатной и дамасской стали. В начале 18 века эта технология получила совершенствование в промышленных масштабах и позволяла корректировать состав и качество исходного материала.

• Одновременное открытие все новых и новых химических элементов, подталкивало исследователей на экспериментальные опыты выплавки.
• Установлено негативное влияние меди на качество стали.
• Открыта латунь, содержащая 6 % железа.

Проводились опыты с точки зрения качественного и количественного влияния на стальной сплав вольфрама, марганца, титана, молибдена, кобальта, хрома, платины, никеля, алюминия и прочих.

Первое промышленное производство стали, легированной марганцем, налажено в начале XIX века. Оно же получило развитие с 1856 года в рамках бессемеровского процесса выплавки.

Особенности легирования

Современные возможности позволяют выплавлять легированные металлы любого состава. Основные принципы рассматриваемой технологии:

1. Компоненты считаются легирующими только в том случае, если они вводятся целенаправленно и содержание каждого превышает 1 %.
2. Сера, водород, фосфор считаются примесями. В качестве неметаллических включений используются бор, азот, кремний, редко - фосфор.
3. Объемное легирование - это введение компонентов в расплавленную субстанцию в рамках металлургического производства. Поверхностное представляет собой способ диффузионного насыщения поверхностного слоя необходимыми химическими элементами под действием высоких температур.
4. В ходе процесса добавки изменяют кристаллическую структуру «дочернего» материала. Они могут создавать растворы проникновения или исключения, а также размещаться на границах металлической и неметаллической структур, создавая механическую смесь зерен. Большую роль тут играет степень растворимости элементов друг в друге.

Легирующие компоненты

Согласно общей классификации, все металлы делятся на черные и цветные. К черным относятся железо, хром и марганец. Цветные делятся на легкие (алюминий, магний, калий), тяжелые (никель, цинк, медь), благородные (платина, серебро, золото), тугоплавкие (вольфрам, молибден, ванадий, титан), легкие, редкоземельные и радиоактивные. К легирующим металлам относится значительное разнообразие легких, тяжелых, благородных и тугоплавких цветных, а также все черные.

В зависимости от соотношения этих элементов и основной массеы сплава последние делятся на низколегированные (3 %), среднелегированные (3-10 %) и высоколегированные (более 10 %).

Легированные стали

Технологически процесс не вызывает сложностей. Ассортимент очень широк. Основные цели для сталей следующие:

• Повышение прочности.
• Улучшение результатов термической обработки.
• Увеличение коррозионной стойкости, жаростойкости, жаропрочности, теплостойкости, устойчивости к агрессивным условиям работы, срока службы.

Основные составляющие - черные легирующие и тугоплавкие металлы, к которым относятся Cr, Mn, W, V, Ti, Mo, а также цветные Al, Ni, Cu.

Хром и никель - главные компоненты, определяющие нержавеющую сталь (Х18Н9Т), а также жаропрочную, условия работы которой характеризуются высокими температурами и ударными нагрузками (15Х5). В количестве до 1,5% используются для подшипников и деталей трения (15ХФ, ШХ15СГ)

Марганец - основополагающая составляющая износостойких сталей (110Г13Л). В небольших количествах способствует раскислению, снижению концентрации фосфора и серы.

Силиций и ванадий - элементы, которые в определенном количестве повышают упругость и используются для изготовления пружин и рессор (55С2, 50ХФА).

Алюминий применим для железа с большим электрическим сопротивлением (Х13Ю4).

Значительное содержание вольфрама характерно для быстрорежущих устойчивых инструментальных Легированное сверло по металлу из такого материала намного более производительное и стойкое к срабатыванию, чем тот же инструмент из углеродистой стали.

Вошли в повседневное использование. Одновременно известны так называемые сплавы с удивительными свойствами, полученные также методами легирования. Так «деревянная сталь» содержит 1 % хрома и 35 % никеля, что определяет ее высокую теплопроводность, характерную для дерева. Алмазная же включает 1,5 % углерода, 0,5 % хрома и 5 % вольфрама, что характеризует ее как особо твердую, сродни алмазу.

Легирование чугуна

Чугуны отличаются от сталей значительным содержанием углерода (от 2,14 до 6,67 %), высокой твердостью и коррозионной стойкостью, однако незначительной прочностью. С целью расширения диапазона показательных свойств и сфер применения, его легируют хромом, марганцем, алюминием, силицием, никелем, медью, вольфрамом, ванадием.

В связи с особыми характеристиками данного железоуглеродистого материала, его легирование - более сложный процесс, чем для стали. Каждый из компонентов влияет на преобразование форм карбона в нем. Так марганец способствует формированию «правильного» графита, что повышает прочность. Введение других же имеет следствием переход углерода в свободное состояние, отбеливание чугуна и снижение его механических свойств.

Технология усложняется невысокой температурой плавления (в среднем, до 1000 ˚С), тогда как для большинства легирующих элементов она значительно превышает этот уровень.

Наиболее эффективно для чугунов комплексное легирование. Одновременно, следует учитывать повышение вероятности ликвации таких отливок, риска трещинообразования, дефектов литья. Осуществлять технологический процесс более рационально в электромагнитных и индукционных печах. Обязательным последовательным этапом является качественная термообработка.

Хромистые чугуны характеризуются высокой износостойкостью, прочностью, жаростойкостью, устойчивостью к старению и коррозии (ЧХ3, ЧХ16). Применяются в химическом машиностроении и в производстве металлургического оборудования.

Кремнием, отличаются высокой коррозионной стойкостью и устойчивостью к влиянию агрессивных химических соединений, хотя и удовлетворительными механическими свойствами (ЧС13, ЧС17). Формируют детали химической аппаратуры, трубопроводов и насосов.

Примером высокопродуктивного комплексного легирования являются жаропрочные чугуны. Они содержат в своем составе черные и легирующие металлы, такие как хром, марганец, никель. Для них характерна высокая стойкость к коррозии, износостойкость и устойчивость к высоким нагрузкам в условиях высокотемпературных воздействий - детали турбин, насосов, двигателей, аппаратуры химической промышленности (ЧН15Д3Ш, ЧН19Х3Ш).

Важным компонентом является медь, которая задействована в комплексе с другими металлами, при этом повышает литейные характеристики сплава.

Легированная медь

Используется в чистом виде и в составе медных сплавов, которые имеют широкое разнообразие в зависимости от соотношения основных и легирующих элементов: латуни, бронзы, мельхиоры, нельзийберы и другие.

Чистая латунь - сплав с цинком - не легируется. Если в ее состав входят легирующие цветные металлы в определенном количестве - она считается многокомпонентной. Бронзы - это сплавы с другими металлическими составляющими, могут быть оловянными и не содержащими олова, легируются во всех случаях. Улучшение их качества осуществляется с помощью Mn, Fe, Zn, Ni, Sn, Pb, Be, Al, P, Si.

Содержание кремния в медных соединениях повышает их коррозионную стойкость, прочность и упругость; олово и свинец - определяют антифрикционные качества и позитивные характеристики относительно обрабатываемости резанием; никель и марганец - составляющие, так называемых, деформируемых сплавов, которые также положительно влияют на устойчивость к коррозии; железо улучшает механические свойства, а цинк - технологические.

Применяются в электротехнике, как основное сырье для изготовления разнообразных проводов, материал для изготовления ответственных деталей для химического оборудования, в машиностроении и приборостроении, в трубопроводах и теплообменниках.

Легирование алюминия

Используется в виде деформируемых или литейных сплавов. Легированные металлы его основе представляют собой соединения с медью, марганцем или магнием (дуралюмины и другие), последние - соединения с силицием, так называемые силумины, при этом все их возможные варианты легируются с помощью Cr, Mg, Zn, Co, Cu, Si.

Медь повышает его пластичность; кремний - текучесть и качественные литейные свойства; хром, марганец, магний - улучшают прочность, технологические свойства обрабатываемости давлением и коррозионную стойкость. Также в качестве легирующих компонентов, способствующих устойчивости к старению и к агрессивным условиям работы, могут приниматься B, Pb, Zr, Ti, Bi.

Железо - нежелательный компонент, однако в небольших количествах применяется для производства алюминиевой фольги. Силумины используются для литья ответственных деталей и корпусов в машиностроении. Дуралюмины и штамповочные сплавы на основе алюминия - важное сырье для изготовления корпусных элементов, в том числе силовых конструкций, в авиастроении, судостроении и машиностроении.

Легированные металлы задействованы во всех сферах промышленности как те, которые имеют повышенные механические и технологические характеристики, в сравнении с исходным материалом. Ассортимент легирующих элементов и возможности современных технологий позволяют производить разнообразные модификации, расширяющие возможности в науке и технике.

Легирование (в переводе с латинского ligare – «связывать») – это процесс введения в состав материала (металла, сплава, полупроводника) определенных примесей. Применяется легирование для изменения или улучшения физических и химических свойств металлов, сплавов. В особенности, для придания металлам и сплавам повышенной коррозионной стойкости. Металл, подвергшийся легированию, называется легированным.

Легирование может быть объемным и поверхностным. Объемное легирование предусматривает введение добавок в весь объем металла. Поверхностное же легирование – введение легирующих добавок только в верхний (поверхностный) слой. Существует много технологий легирования, как поверхностного, так и объемного. Поверхностное обогащение предусматривает проникновение легирующего элемента в слой, глубиной около одного – двух миллиметров. Для создания определенных свойств на поверхности металла (например, антифрикционных). Выбор технологии и легирующих добавок во многом зависит от отрасли, в которой металлическое изделие будет использоваться.

Подвергаются легированию различные марки сталей, чугунов, также чистые металлы, полупроводники. Добавки могут быть как металлические (алюминий, никель, хром, цинк, кобальт и др.), так и неметаллические (кремний, сера, фосфор и т.д.). Легирующих добавок может быть одна или несколько, которые придают основному металлу специальные свойства. Изменение жаростойкости, твердости, коррозионной стойкости, прочности, пластичности и других характеристик – вот основная цель легирования металлов и сплавов.

Легирование является эффективной защитой металлов от в различных средах, как при обычных температурах, так и при повышенных.

Легирование очень эффективно (в целях повышения коррозионной стойкости), если происходит соединение активного и пассивного металлов. Образовавшийся сплав отличается устойчивостью к воздействию агрессивных сред за счет способности второго металла легко пассивироваться. Например, легирование железа алюминием либо хромом способствует повышению его сопротивления к окислению. Медь и никель добавляют в основной металл, если необходимо, чтоб он не подвергался атмосферной коррозии .

Легирование стали

Легирование сталей проводится для повышения их коррозионной стойкости и придания некоторых механических свойств. С железом легирующие элементы образуют твердые растворы, а при взаимодействии с неметаллическими включениями в стали – избыточные фазы и неметаллические включения.

Каждая марка стали изготавливается по определенной технологии и химический состав должен соответствовать стандартам. В России и Украине – это ГОСТ, Германии (ФРГ) - DIN, Чехословакии (Чехии) – CSN, Франции – A.F.N.O.R, США – AISI, в Великобритании – B.S., Швеции – SIS, Венгрии – MSZ и т.д.

Отечественное обозначение сталей (маркировка) состоит из сочетания цифр и букв. Буквы показывают, какой химический элемент входит в состав данной марки стали. Цифры же – определяют его количество. Легирующим элементам принято присваивать определенную букву из русского алфавита. Вот обозначения некоторых из них:

Х – Сr (хром);

Ф – W (вольфрам);

Н - Ni (никель);

Г – Mn (марганец);

С – Si (кремний);

М – Мо (молибден);

А – N (азот);

Д – Cu (медь);

Ю – Al (алюминий);

Т – Тi (титан);

Б – Nb (ниобий).

За каждым буквенным обозначением химического элемента, который используется для легирования стали, следует цифровое значение, которое указывает концентрацию данной легирующей присадки. Число, которое стоит с самого начала, дает нам информацию о том, сколько углерода содержит данная марка стали (в сотых долях масс. %).

Такая номенклатура позволяет быстро определять состав стали только по ее названию (марке).

В зависимости от того, сколько содержится в стали легирующих элементов, ее классифицируют на: высоколегированную сталь (больше 10%), среднелегированную сталь (2,5 – 10% легирующих элементов), низколегированную (до 2,5 %).

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.

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.