книги / Специальные стали. Теория легирования

УДК 669.14.046.516.2(072.8) З-18

Рецензенты:

канд. техн. наук, доцент С.С. Югай (ООО «ТСЗП»);

канд. техн. наук С.А. Белова (Пермский национальный исследовательский

политехнический университет)

М.Г. Закирова. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн.

ун-та, 2021. – 107 с.

ISBN 978-5-398-02632-0

Рассмотрены основы теории легирования железоуглеродистых сплавов. Указаны основные легирующие элементы, применяемые

вРоссии для легирования сталей. Рассмотрены элементы, которые являются примесями, и их влияние на свойства стали. Даны объяснения пределов легирования теми или иными элементами, особенности влияния элементов на устойчивость переохлажденного аустенита

вразличных областях С-образной диаграммы. Рассмотрено влияние легирования на превращения при отпуске сталей.

Предназначено для бакалавров направления подготовки 22.03.02 «Металлургия» при изучении дисциплины «Материаловедение».

УДК 669.14.046.516.2(072.8)

3

Введение

Легированные стали как часть специальных сталей – это сплавы на основе железа, в состав которых специально введены легирующие элементы. Легирующие элементы – это такие химические элементы, которые вводятся в состав сплава или стали для целенаправленного изменения свойств. Легирующие элементы следует отличать от примесей, так как один и тот же элемент может быть

ипримесью, и легирующим элементом, разница только в количестве этого элемента.

Взависимости от количества элемента, которое будем относить к примесям, все примеси в сталях делятся на технологические

ислучайные.

К технологическим примесям относятся те, которые неизбежно попадают в сталь при ее металлургическом производстве. Это,

например: Mn, Si, Al, P, O2, H2, N2.

Mn, Si – как правило, технологические примеси, они не оказывают существенно негативного влияния, поэтому их присутствие в стали допускается в десятых долях процента, марганец менее 0,8 вес.% допустим, и от него не избавляются, как от примеси. Кремний менее 0,4 вес.% также не наносит никакого вреда. Это постоянные примеси, которые имеются во всех промышленных сталях. Такое количество, особенно для марганца, характерно в конструкционных сталях, в инструментальных его немного меньше.

S, P – вредные примеси, их количество в стали ограничено намного меньшей концентрацией. Верхний предел по сере и фосфору можно регулировать при выплавке. Наиболее часто встречающееся максимальное содержание этих примесей менее или равно 0,035 %, но возможно и меньшее их количество. Чем меньше вредных примесей в стали, тем меньше проблем будет при термической обработке, связанных с получением высокого комплекса механических свойств. Следует отметить особое влияние фосфора на проявление отпускной хрупкости улучшаемых сталей, а также на хладноломкость. В неко-

4

торых случаях в стали попадает мышьяк, его действие схоже с воздействием фосфора, но немного слабее.

Если говорить о совместном влиянии примесей, то нельзя не упомянуть и о пользе марганца в сталях. Сера в сталях бывает связана в сульфиды железа FeS, и при относительно невысоких температурах горячей деформации стали наблюдается ее красноломкость стали. При этом введение в состав марганца приводит к связыванию серы в тугоплавкие сульфиды марганца (MnS), что исключает выделение легкоплавкой эвтектики FeS.

O2, H2 – особо вредные примеси и скрытые газы. Данные элементы сложно выявляются в сталях, но при особых задачах, некоторые из них могут быть использованы как легирующие.

Случайные примеси – это практически любые элементы, случайно попавшие в сталь их руды или образующиеся при раскислении. Это, например, хром, никель, медь, вольфрам, ванадий, молибден. Следует помнить, что ванадий при любой концентрации, даже ничтожно малой, будет являться легирующим элементом, и мы всегда будем видеть его в марке стали. От остальных элементов при содержании в химическом составе Сr, Ni, Cu ≤ 0,3%, W ≤ 0,2%, Mo ≤ 0,1 % не избавляются и в химическом составе их не указывают.

вбольшинстве своем металлы: хром – марганец – никель – молибден – вольфрам – ванадий – ниобий – титан – медь – алюминий – кремний – бор– азот– кобальт, режеостальныхприменяетсяцирконий.

Причины появления легированных сталей. В настоящее время на долю легированных сталей приходится почти 80 % сталей, применяемых в машиностроении, и 20 % – на долю углеродистых, применяемых в основном в строительстве, где главным критерием выбора является низкая стоимость стали. Это соотношение может отличаться в зависимости от отрасли, например в строительстве данное соотношение будет с точностью до наоборот: 20 % – легированные, 80 % – углеродистые стали. В авиации доля углеродистых сталей крайне мала ввиду постоянно растущих требований к двига-

5

телям. Безусловно, в нынешнем развивающемся мире легированные стали будут использоваться в каждой отрасли.

Для того чтобы понять причины появления легированных сталей, нужно оценить недостатки углеродистых сталей. Одним из существенных недостатков углеродистых сталей является низкая устойчивость переохлажденного аустенита. Это хорошо видно на С-образных диаграммах устойчивости переохлажденного аустенита

(рис. В1 и В2).

Рис. В1. Диаграммы устойчивости переохлажденного аустенита стали 40: а – изотермическая; б – термокинетическая

При сравнении термокинетических диаграмм устойчивости переохлажденного аустенита сталей 40 и 45Г или 45ХГ нельзя не заметить, что устойчивость в области перлитного (температура 600– 650 °С) и бейнитного (температура 400 °С) превращений увеличилась в разы (от 1,5 и 2 с до 30 и 6 с – в 45Г и 100 и 50 с – в стали 45ХГ). Это преимущество позволяет уменьшать скорость охлаждения при закалке, выбирая более «мягкую» охлаждающую среду, которая позволит снизить закалочные напряжения в стали и при этом снизить трещинообразование и деформацию деталей. Высокая ус-

6

тойчивость переохлажденного аустенита позволяет изготавливать из легированных сталей детали более сложной геометрии, в больших сечениях получать структуру мартенсита.

Рис. В2. Термокинетические диаграммы устойчивости переохлажденного аустенита стали 45Г (а) и стали 45ХГ (б)

Еще нельзя не обратить внимания на прокаливаемость углеродистых сталей, она в большинстве случаев не превышает 10 мм при сквозной прокаливаемости.

Следующий недостаток углеродистых сталей – это невозможность получить высокий комплекс характеристик механических свойств; чаще всего получается высокая прочность и низкие характеристики пластичности и вязкости.

К другим недостаткам углеродистых сталей относятся:

– низкая теплостойкость и низкое сопротивление разупрочнению при отпуске. Эти характеристики серьезным образом ограничивают область применения углеродистых сталей в деталях, работающих при повышенных температурах, так как разогрев деталей недопустим в процессе эксплуатации;

7

– невозможность получения специальных свойств, например коррозионной стойкости, жаропрочности, жаростойкости и др.

Все вышеперечисленные недостатки можно устранить за счет легирования.

Лекция 1. Классификации легирующих элементов

Классификация легирующих элементов по их взаимодействию с углеродом

Ранее были рассмотрены элементы, которые наиболее часто применяются в России в качестве легирующих (15 элементов). Большинство этих элементов – металлы, их можно разделить на три группы по их взаимодействию с углеродом:

1)карбидообразующие;

2)некарбидообразующие;

3)графитизирующие.

Карбидообразующие элементы – такие легирующие элемен-

ты, которые при определенных условиях образуют новый карбид или растворяются в имеющемся (иными словами, это те элементы, которые стараются расположиться в карбидной фазе). К ним относятся переходные d-элементы, которые располагаются в периодической системе левее железа (рис. 1). Эти элементы имеют боль-

шую недостроенность d-оболочки, чем железо (Fe – d6, Cr- d4 , Mn – d5 … Ti- d2).

При образовании карбида часть валентных электронов углерода расходуется на достраивание d-оболочки, а часть уходит в электронный газ. Чем более недостроена d-оболочка, тем больше сродство к углероду и больше стремление создать с углеродом карбид (больше карбидообразующая способность элемента). Это может быть важно в тех случаях, когда мы имеем дело с комплексным легированием стали, когда нужно понимать, какой легирующий элемент будет первым образовывать карбид, в какой последовательности элементы будут связываться в карбиды и достаточно ли будет углерода для самых слабых элементов. Это будет зависеть от карбидообразующей способности элемента; ее можно определить по не-

8

достроенности d-оболочки или по ряду карбидообразующих элементов, расположенных в направлении увеличения карбидообразующей способности.

Рис. 1. Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева

Fe – Mn – Cr – Mo – W – V – Nb – Ti (три последних элемента самые сильные карбидообразующие).

V – Nb – Ti – сильные карбидообразующие элементы, поведение которых в стали резко отличается от других. Эти элементы входят в состав стали достаточно часто, но их количество может быть менее 0,1 %, и они при любом количестве будут отражены в марке стали. При легировании V – Nb – Ti существует возможность неверно вычислить количество этих элементов, и тогда весь углерод, имеющийся в стали, свяжется в труднорастворимые карбиды, и в твердом растворе (мартенсите) не останется углерода, что отрицательно скажется на его твердости и прочности.

Некарбидообразующие элементы – это химические элементы,

которые ни при каких условиях не образуют карбиды в системе Fe-C

9

(для сталей). К ним относятся d-элементы, расположенные правее железа (см. рис. 1), – это никель и кобальт. Эти элементы имеют более достроенную d-оболочку, чем железо, поэтому и не образуют карбидов (железо относительно их имеет большее сродство суглеродом, поэтому образованиекарбидовбудет происходитьсначаласжелезом).

Графитизирующие элементы – это элементы, которые способствуют образованию графита в сталях, к ним относятся Al, Si, Cu.

Классификация легирующих элементов по их влиянию на температуры фазовых превращений

Все элементы, представленные как легирующие, делятся на две группы по их влиянию на температуры полиморфных (фазовых) превращений: α-стабилизаторы и γ-стабилизаторы.

К α-стабилизаторам относятся элементы, которые увеличивают устойчивость α-фазы, иными словами, расширяют температурную область существования α-Fe (рис. 2, б), γ-стабилизаторы – это элементы, которые расширяют область существования γ-Fe (рис. 4, а). К α-стабилизаторам относятся W, Mo, V, Al, Si; γ-стабилизаторы – Mn, Ni, Co. Стоит помнить, что хром влияет аномально, дает небольшое снижение петли в области 7–12 % хрома (см. рис. 2, б).

Рис. 2. Часть диаграммы состояния «железо – легирующий элемент»: а – легирующие элементы γ-стабилизаторы; б – легирующие элементы α-стабилизаторы

Из γ-стабилизаторов аномально влияет на температуры полиморфных превращений кобальт, он дает незначительное повышение температуры Ас3.

10