Вплив легуючих елементів на структуру та властивості

Сталей

Легуючі елементи (Л.Е.), які введені в сталь, утворюють тверді розчини (леговані ферит чи аустеніт), можуть розчинятися у гратці цементиту, при цьому утворюється легований цементит М₃С, наприклад (Fе,Мп)₃С, чи спеціальні карбіди МС, М₂С, М₇С₃ , М₂₃С₆ , М₆С (ТіС, Мn₂С, Сr₇Сз, Сr₂₃С₆ , Fе₃WзС) або інтерметаліди (Fе₃Ті, Fе₃СrМо, FеСr, Ni₃Ti, Ni₃(Ті,Аl)).

Елементами, що утворюють карбіди, є залізо, марганець, хром, молібден, вольфрам, ванадій, ніобій, титан, цирконій. Слід зауважити, що спроможність карбідоутворення зростає у наведеному ряді зліва направо. Не утворюють карбіди алюміній, нікель, мідь, кобальт.

Легуючі елементи, за винятком вуглецю, кисню, азоту, водню та частково бору, утворюють тверді розчини заміщення. Значне спотворення ґратки a – Fе, що супроводжує цей процес, призводить до підвищення міцності та твердості фериту та зменшення ударної в'язкості, особливо, якщо концентрація легуючих елементів перевищує 1 % (рис. 5. 1).

Рисунок 5. 1 - Вплив легуючих елементів на властивості фериту:

а – ударна в’язкість; б – міцність

 

Хром, широко розповсюджений легуючий елемент, позитивно впливає на механічні властивості сталі: зміцнює ферит та підвищує ударну в'язкість при концентрації 1,5...2 %. Найбільш цінним, але досить дефіцитним є нікель, який підвищує міцність та твердість фериту, у той же час не зменшує його в'язкість та знижує температуру порогу холодноламкості. Марганець та кремній, що мають відмінну від a - Fe кристалічну ґратку, значно підвищують міцність фериту та значно зменшують його в'язкість. Висока конструкційна міцність забезпечується раціональним, оптимальним легуванням. Надмірне легування знижує запас в’язкості, що полегшує крихке руйнування сталевих виробів.

Найважливішим фактором, що сприяє підвищенню конструкційної міцності, є зниження, завдяки легуванню, критичної швидкості гартування та зростання прогартовуваності, що у свою чергу дає можливість отримати однорідні властивості у більших перерізах. Найефективніше сприяє підвищенню прогартовуваності комплексне легування (хром + нікель, хром + нікель + молібден тощо), що забезпечує отримання високого комплексу властивостей у перерізі до 300 мм. Саме тому для великих деталей складної форми використовується саме комплексне легування сталі. Менш різке охолодження при гартуванні в маслі зменшує внутрішні напруження та можливість появи тріщин у деталях.

Більшість Л.Е. зменшує розмір зерна аустеніту, що сприяє підвищенню роботи розвитку тріщин та зменшенню порогу холодноламкості. Елементи, що утворюють карбіди, а також Со та Si, затримують процеси виділення та коагуляції карбідів під час відпускання, зберігаючи тим самим міцність сталі при нагріванні.

Завдяки легуванню змінюється положення концентраційних точок S та Е на діаграмі залізо-цементит (рис. 5. 2).

Рисунок 5. 2 – Вплив легуючих елементів на положення точок S та Е

 

Максимальна кількість вуглецю, що розчиняється в аустеніті (точка Е) зменшується, що призводить до зсуву лінії SЕліворуч, тому ледебурит у структурі легованих сталей з'являється при менших, ніж 2,14 %, концентраціях вуглецю. Наприклад, у сталі з 4 %Wледебурит спостерігається при наявності приблизно 1 % вуглецю.

За їх впливом на температури поліморфних перетворень легуючі елементи поділяють на аустенітоутворюючі (нікель, марганець, мідь, азот, кадмій, вуглець) та феритоутворюючі (більшість легуючих елементів: хром, молібден, вольфрам, ванадій, титан, алюміній, кремній та інші). Елементи першої групи знижують температури точок а₃ та підвищують температури точок а₄, тобто розширюють g-зону.Якщо кількість легуючих елементів перевищує концентрацію, що відповідає вмісту точки b (рис. 5. 3, б), то кристалічна ґратка аустеніту ГЦК стає стійкою при кімнатних температурах. Такі сталі звуться аустенітними.

При введенні феритоутворювачів навпаки, температури точок а₃ підвищуються, а а₄ – знижуються, тобто область стійкого існування аустеніту зменшується, тому g - зонає замкнутою (рис. 5. 3, а). Однофазні сплави з ОЦК - ґраткою, стійкі при будь-якій температурі до лінії солідус, звуться феритними. Хром замикає g-зонупри 13 % (точка С), кремній – 2,0 %, ванадій – 1,3 %.

Рисунок 5. 3 - Схема діаграм стану залізо - легуючий елемент:

а – феритоутворювачі; б – аустенітоутворювачі.

Маркування легованих сталей

Марка легованої сталі складається з поєднання літер та цифр, що позначають її хімічний склад. Згідно з ГОСТ 4543-71 літери позначають: А (на початку марки) – автоматна, А (всередині марки) – азот, А (наприкінці) – високоякісна, Б – ніобій, В – вольфрам, Г – марганець, Д – мідь, Е – селен, К – кобальт, Л (наприкінці) – ливарна сталь, М – молібден, Н – нікель, П – фосфор, Р (на початку) – швидкорізальна, Р (наприкінці) – бор, С – кремній, Т – титан, Ф – ванадій, X – хром, Ц – цирконій, Ч – рідкісноземельні метали, Ш (на початку марки) – підшипникова сталь, Ш (наприкінці) – сталь електрошлакового переплавлення, Ю – алюміній.

Цифра, що стоїть після літери, вказує приблизну кількість легуючих елементів у процентах. Якщо цифра відсутня, то концентрація легуючого елемента складає приблизно 1 % (може бути в сотих або тисячних частках процента).

Цифра на початку марки легованої сталі вказує на середню концентрацію вуглецю: дві чи три цифри в конструкційних сталях – його концентрацію в сотих частках процента, одна цифра в інструментальних сталях – у десятих частках процента. Якщо кількість вуглецю 1...2 %, то цифра на початку марки не ставиться.

Наприклад, марка конструкційної сталі 12ХН3А означає, що сталь містить 0,12 %С (0,09...0,16 %), приблизно 1 % хрому (0,6...0,9 %), 3 % нікелю (2,75...3,13 %) та є високоякісною. Елемент не позначається, якщо в сталі він присутній як технологічна або випадкова домішка.

У складі інструментальної сталі ХВСГ – С (0,95...1,05 %), Сr (0,6...1,1 %), Sі (0,65...1,0 %), Мn (0,6...0,9 %). Якщо інструментальна сталь має у своєму складі 0,5...0,6 %С, 0,6...0,8 %Сr, 1,4... 1,8 % Ni, 0,4...0,7 % W, то її марку слід записати як 5ХНВ.

Нестандартні сталі позначаються буквами ЭИ (завод "Електросталь", И – дослідницька), ДИ (завод "Дніпроспецсталь", И – дослідницька) та порядковим номером.