5. Легированные стали

Легированные стали – стали, содержащие дополнительные компоненты (легирующие элементы – хром, никель, кремний, марганец, вольфрам, молибден, ванадий и др.), для получения требуемых свойств.

Некоторые элементы имеют большее сродство к кислороду, сере, фосфору, чем железо и образуют неметаллические включения: оксиды (MnO, Al₂O₃, SiO₂, P₂O₅), сульфиды (MnS), фосфиды (Fe₃P). Количество этих включений в обычных промышленных сталях невелико.

Легирующие элементы, имеющие большее сродство к углероду, чем железо, образуют простые и сложные карбиды.

Кремний, алюминий, медь, никель, магний, не образуют карбидов. Находятся в сталях в твердых растворах (в аустените или в феррите). При определенных условиях снижают устойчивость других карбидов.

Такие элементы как серебро и свинец нерастворимы в стали и содержатся в виде металлических включений. Предельная растворимость меди – 1,0 %. Поэтому стали легированные серебром, свинцом (кроме автоматных сталей) и медью (более 1,0 %) промышленного использования не имеют.

В процессе длительного нагрева выше 900 °С происходит рост зерен аустенита – перегрев стали. Легирующие элементы в той или иной мере уменьшают склонность к росту зерен аустенита. Наиболее сильно тормозят укрупнение зерен аустенита – V, Ti, Al, Zr; в меньшей степени – W, Mo, Cr; почти не влияют – Ni, Si.

1. Влияние малых концентраций легирующих элементов

В небольшом количестве легирующие элементы замещают атомы железа в твердых растворах (аустенит, феррит, мартенсит, цементит) и влияют на их свойства и температурные интервалы существования.

Большинство легирующих элементов замедляет распад переохлажденного аустенита на феррито-цементитную смесь за счет замедления скорости диффузии углерода. Некоторые элементы (Mn, Ni, Si) не изменяют форму кривых на С-образной диаграмме (см. рис. 5.1,а). При введении Cr, W, V, Ti на С-образной диаграмме изменяется как форма кривых, так и сами кривые смещаются вправо по оси времени (рис. 5.1,б). Это приводит к уменьшению критической скорости охлаждения при закалке и позволяет упрочнять более массивные изделия по сравнению с изделиями, изготовленными из углеродистых сталей. Прокаливаемость углеродистых сталей – 10-15 мм, легированных сталей – до 100-200 мм и больше. Наиболее эффективно повышает прокаливаемость введение одновременно нескольких элементов: Сг–Mo, Cr–Ni, Сг–Ni–Mo и др.

Попадая в феррит, легирующие элементы (кремний, марганец и никель) растворяются по типу замещения, и существенно повышают прочность стали. При введении 4 % Si твердость феррита (60-80 НВ) возрастает до 200 НВ. Меньшее влияние оказывают Mo, W и Cr.

При нагреве легированный мартенсит более устойчив, чем нелегированный. Это влияние легирующих элементов на мартенсит используется при создании жарочных сталей.

Легирующие элементы, имеющие большее, чем у железа сродство к углероду, замещают атомы железа в цементите с образованием легированного цементита: например (FeMn)₃C вместо Fe₃C. Однако если марганец может заместить в решетке цементита все атомы железа с образованием карбида – (Mn)₃C, то хром – 25 %, молибден – 3 %, вольфрам – 1 %. Более сильные карбидообразующие элементы (Ti, Nb, V, Zr) мало растворяются в цементите и образуют специальные карбиды.

2. Влияние больших концентраций легирующих элементов

Карбидообразующие элементы. Большинство легирующих элементов имеют высокую степень сродства к углероду и способны образовывать карбиды. К ним относятся переходные металлы с не полностью достроенной 4s-электронной оболочкой (Fe–Mn–Cr–Mo–W–Nb–Zr–Ti). Чем меньше электронов на оболочке, тем устойчивее образующийся карбид. По сравнению с карбидами, имеющими сложные кристаллические решетки (Fe₃C, Mn₃C, Cr₇C₃), карбиды, имеющие простые решетки (Mo₂C, WC, VC, NbC) имеют более высокую твердость, разлагаются и растворяются в аустените при более высоких температурах, медленнее растут. Сталь с такими карбидами более износо- и теплостойкая. Под закалку ее нагревают до более высоких температур.

Некоторые легирующие элементы, вводимые в большом количестве, могут образовывать интерметаллические соединения (Fe₂W, Co₇W₆, Ni₃Ti и др.), что оказывает большое влияние на формирование структуры и свойства высоколегированных сталей.

3. Влияние на температуру превращения Fe_Fe_

Аустенитообразующие элементы (Cu, N, особенно Ni, Mn, Co) расширяют температурную область существования легированного аустенита, т. е. могут существовать твердые растворы с высокой предельной растворимостью элементов в ГЦК решетке железа до комнатной температуры и ниже. Такие сплавы называют аустенитными сталями.

Ферритообразующие элементы (Cr, Si, Al, Mo, V, Ti, W, Nb Zr) расширяют температурную область существования легированного феррита. Твердые растворы с ограниченной растворимостью легирующих элементов в ОЦК решетке железа (обычно 1-2 %, для хрома – до 12 %), устойчивы в широком температурном интервале – до линии солидуса. Такие сплавы называют ферритными сталями.

4. Влияние на растворимость углерода в  -железе

Легирующие элементы оказывают влияние на эвтектоидную концентрацию углерода (точка S диаграммы состояния Fe–С) и предельную растворимость углерода в -железе (точка Е диаграммы). Примеси Ni, Co, Si, W, Mo, Cr и Мn сдвигают точки S и Е в сторону меньшего содержания углерода, V, Ti и Nb – большего содержания.

Наиболее распространены стали, содержащие следующие элементы.

Хром – повышает коррозионную стойкость и твердость, способствует образованию тугоплавких окислов. Относится к недефицитным легирующим компонентам, что определяет его широкое использование (до 0,3 % в низко-, 0,7-3,5 % – в средне- и 9-35 % – в высоколегированных хромистых и хромоникелевых сталях).

Марганец – повышает предел текучести, но делает сталь чувствительной к перегреву. Для измельчения зерна вводятся карбидообразующие компоненты. Марганец используется как заменитель никеля (до 1,5 %). В значительных количествах (11-14 % в сталях типа Г13Л) обеспечивает высокую вязкость, износостойкость и повышенную степень наклепа. Относится к дешевым легирующим элементам.

Никель (0,2-35,0 %) – сильно повышает вязкость, хладостойкость, коррозионную стойкость, пластические и прочностные свойства сталей, измельчает зерна. Дефицитный дорогостоящий элемент.

Кремний (1,5-2,0 %) – дешевый, не образующий карбидов элемент, значительно повышает жидкотекучесть, тормозит снижение прочности при отпуске, но ухудшает свариваемость, повышает порог хладноломкости при содержании свыше 1 %.

Молибден (0,15-0,8 %) и вольфрам (0,18-1,8 %) – относят к дорогим карбидообразующим элементам. Увеличивают твердость и прочность стали при ударных нагрузках и высоких температурах, измельчают зерно, повышают стойкость к отпуску, увеличивают прокаливаемость.

Титан (0,02-1,0 %) и ванадий (0,05-0,8 %) – относятся к сильным карбидообразующим элементам, повышающим прочность и вязкость. Вводятся в стали, содержащие хром, марганец, никель для измельчения зерна. При повышенном содержании образуют карбиды, трудно растворимые при нагреве, которые снижают прокаливаемость; располагаясь по границам зерен способствуют развитию хрупкого разрушения.

Бор (0,002-0,005 %) – используется для микролегирования сталей с целью увеличения прокаливаемости. Микролегирование бором эквивалентно 1,0 % никеля; 0,5 % хрома и 0,2 % молибдена.