Тема 7. Основы легирования сталей

Углеродистые стали имеют ряд существенных недостатков, ограничивающих область их применения:

1. Низкая устойчивость переохлажденного аустенита и, как следствие, высокая критическая скорость закалки. При закалке углеродистые стали приходится охлаждать в воде, что приводит к возникновению больших остаточных напряжений, при этом увеличивается вероятность коробления и трещинообразования, особенно в сталях с высоким содержанием углерода. Из-за малой прокаливаемости (D_КР в воде = 10…15мм) невозможно осуществить сквозную закалку для деталей большого сечения, изготовленных из углеродистых сталей.

2. Невозможность получения высокого комплекса механических свойств, то есть хорошего сочетания характеристик прочности, пластичности и вязкости. Малоуглеродистые стали пластичны, но имеют низкую прочность; высокоуглеродистые стали, напротив, обеспечивают получение высоких прочностных свойств, но из-за повышенной хрупкости недостаточно надежны.

3. Низкая теплостойкость. Высокую прочность и твердость углеродистые стали приобретают при закалке. Однако при отпуске происходит интенсивное разупрочнение из-за распада мартенсита, поэтому для изделий из углеродистых сталей невозможно обеспечить сохранение высокой прочности во время эксплуатации при повышенных температурах.

4. Невозможность получения каких-либо специальных свойств, например, коррозионной стойкости, жаростойкости, жаропрочности и др.

Для улучшения механических, физических и технологических свойств стали легируют, вводя в их состав специальные добавки (легирующие элементы). В качестве легирующих элементов используют Cr, Mn, Si, Ni, Mo, W, Ti и др. Легирующие элементы следует отличать от примесей. Технологические и случайные примеси, в том числе вредные, содержатся во всех сталях, даже в углеродистых. Однако их количество ограничено, например, для марганца не более 0,8 %, кремния не более 0,4 % и т. д.

Большинство легирующих элементов относится к металлам, располагающимся в периодической системе вблизи железа. Растворяясь в железе, они образуют твердые растворы замещения: легированный феррит на основе -железа и легированный аустенит на основе -железа. Большинство легирующих элементов, особенно кремний, марганец и никель, упрочняют феррит; это используется при создании конструкционных сталей повышенной прочности. Все легирующие элементы, за исключением кобальта, увеличивают устойчивость аустенита, поэтому легированные стали обладают большей прокаливаемостью, чем углеродистые. Кроме того, есть возможность получения ферритных или аустенитных сталей, которые вообще не претерпевают полиморфного превращения; это используется при создании нержавеющих и жаропрочных материалов.

Таким образом, благодаря легированию можно целенаправленно изменять структуру и свойства сталей. Теория легирования позволяет на основании свойств отдельных легирующих элементов прогнозировать поведение сталей и сплавов в различных условиях, а также разрабатывать новые материалы с заданными характеристиками. К важнейшим свойствам легирующих элементов, влияющим на структуру и свойства легированных сталей, относятся: влияние на прочность межатомных связей в кристаллической решетке, определяющую диффузионную подвижность атомов железа; влияние на диффузию атомов углерода; растворимость в - и -железе, а также в цементите; влияние на критические точки железа и сталей; возможность образования новых фаз, например, карбидов легирующих элементов (спецкарбидов), нитридов, карбонитридов, интерметаллидов; влияние на механизм и кинетику фазовых превращений, протекающих в сталях при нагреве и охлаждении.

Пример.Как влияет легирование хромом на структуру и свойства стали, содержащей 0,4 % углерода?

Решение.В малолегированные стали обычно вводят 0,4…1,0 % хрома. Цели легирова- ния: уменьшение критической скорости закалки, увеличение прокали-ваемости, сдерживание роста зерна аустенита при нагреве под закалку, затруднение превращений при отпуске. Благодаря такому влиянию улучшаемые хромистые стали после закалки и высокого отпуска имеют структуру более дисперсного, чем в углеродистых сталях, сорбита отпуска и, как следствие, большую прочность.

В среднелегированных сталях (2…5 % Cr) хром образует собственные карбиды типаMe₇C₃, очень устойчивые против коагуляции, поэтому повышается теплостойкость сталей. Еще более устойчивые карбиды типаMe₂₃C₆образуются при содержании более 5 %Cr. Чем больше количество хрома, тем мельче зерно, больше прокаливаемость, выше характеристики прочности и теплостойкость. Кроме того, при содержании более 5 %Crсущественно увеличивается жаростойкость, а при содержании более 12 %Cr– коррозионная стойкость сталей.

Существует несколько видов классификации легирующих элементов. Так, по влиянию на температуры полиморфных превращений в железе все легирующие элементы делятся на две группы: - и -стабилизаторы. Альфа-стабилизаторы (Cr, Mo, W, Si, Al и др.) увеличивают устойчивость -железа и расширяют температурный интервал его существования. Эти элементы, следовательно, повышают температуру критической точки А₃ для железа, а в сталях повышают температуры А₁ и А₃. Гамма-стабилизаторы (Ni, Mn), наоборот, понижают критическую точку А₃ для железа и критические точки А₁ и А₃ для сталей. По взаимодействию с углеродом легирующие элементы делят на карбидообразующие и некарбидообразующие. Карбидообразующими являются элементы, имеющие большее сродство к углероду, чем железо. К ним относятся переходные d-элементы, у которых d-оболочка недостроена больше, чем у железа. В ряду элементов Mn  Cr  Mo  W  V  Nb  Ti карбидообразующая способность увеличивается слева направо. Сильные карбидообразующие элементы V, Nb, Ti образуют очень устойчивые спецкарбиды типа MeC (VC, NbC, TiC) при любом содержании этих элементов в стали. Хром образует спецкарбиды при содержании более 2 %, молибден – более 0,8 %, вольфрам – более 1 %. Если количество легирующего элемента недостаточно для образования спецкарбидов, то он может растворяться в цементите. Легирование цементита повышает его твердость и устойчивость против коагуляции. Марганец, неограниченно растворяясь в цементите или карбидах хрома, собственных карбидов не образует.

Для легированных сталей, как и для углеродистых, существует несколько видов классификаций: по металлургическому качеству (качественные, высококачественные, особо высококачественные); по структуре в отожжен-ном состоянии (доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные, ледебурит-ные, ферритные, аустенитные); по структуре в нормализованном состоянии (перлитные, бейнитные, мартенситные); по назначению (конструкционные, инструментальные, стали с особыми свойствами).

Пример.Дать характеристику стали 40Х по всем видам классификаций.

Решение.Сталь 40Х – малолегированная хромистая среднеуглеродистая. По метал-лургическому качеству – качественная, содержание вредных примесейSиPне более 0,025 %. По структуре в отожженном состоянии – доэвтектоидная, в равновесном состоянии после отжига имеет феррито-перлитную структуру. По структуре в нормализованном состоянии – перлитного класса,

т.е. при охлаждении на воздухе из аустенитной области в образцах небольшого сечения (диаметром 10…20 мм) основным превращением является превращение аустенита в перлит, мартенсит не образуется. По назначению – конструкционная улучшаемая машиностроительная сталь. Структура после окончательной термической обработки, включающей закалку и высокий отпуск, сорбит отпуска (рис. 21).

Легированные стали чаще всего поставляют в горячекатаном состоянии с дополнительной термической обработкой, обеспечивающей улучшение обрабатываемости резанием. Для конструкционных сталей бейнитного и мартенситного класса, подкаливающихся на воздухе, проводят высокий отпуск или отжиг, а инструментальные стали подвергают сфероидизирующему отжигу для получения структуры зернистого перлита.