Классификация азотсодержащих сталей

 

Азотсодержащие стали принято подразделять на два вида: с равновесным и «сверхравновесным» содержанием азота. Стали первого вида получают в условиях затвердевания расплава на воздухе при атмосферном давлении азота, второго вида - путем выплавки и кристаллизации слитков или отливок при повышенном или высоком давлении азота. В таких условиях содержание азота в металле может быть значительно выше достигаемого в результате кристаллизации в условиях атмосферного давления. «Сверхравновесные» концентрации азота также могут быть получены и при использовании методов твердофазного насыщения азотом.

Азот относится к группе легирующих элементов, которая наибольшим образом влияет на упрочнение стали, образуя элементы внедрения, которые вызывают наиболее значительное искажение ГЦК - решетки аустенита, что сдерживает перемещение дислокаций. Эффективность влияния азота на упрочнение аустенита может быть более чем на порядок выше упрочняющего воздействия элементов, образующих твердые растворы замещения. Так, легирование хромоникелевого аустенита 1 масс. % N позволяет увеличить σ_0,2 более чем на 500 МПа.

Весьма полезно введение в сталь азота в сочетании с ванадием, ниобием, алюминием. Это позволяет получить в структуре карбонитриды и обеспечить дополнительное упрочнение. Для улучшения обрабатываемости в стали вводят кальций, свинец, селен. Широко применяют: 40ХФА, 35ХГСА, 40ХН2МА, 30ХН3МФА. К числу новых относятся стали 40Х2АФ, 40Х2АФЕ.

К сталям со сверхравновесным азотом, например, относятся: 07Х13АГ20, 03Х6Н12Г10АМ5, 03Х17Н16Г10АМ5 и многие другие.

На основе азотистых аустенитных сталей может быть решена задача разработки конструкционных материалов, эксплуатируемых при низких температурах в больших магнитных полях. В частности, при 4 К может быть достигнут предел текучести σ_0,2 ≥ 1200 МПа при вязкости разрушения К_Ic > 200 МПа. м^-1/2.

Микролегирование стали массового назначения, упрочнение карбонитридами ванадия, титана и ниобия расширяет области их практического применения: лист, трубы, сортовой прокат.

 

Вопросы для самоконтроля

 

1. Какие требования предъявляются к улучшаемым сталям?

2. Каковы принципы легирования, повышения сопротивления хрупкому разрушению, роль легирующих элементов и области применения рассматриваемых сталей?

3. Каковы состав, структура и свойства азотируемых улучшаемых сталей? Каковы их преимущества и недостатки по сравнению с цементируемыми сталями?

4. Каковы преимущества и перспективы сталей, легированных азотом?

5. Каковы современные направления в создании рассматриваемых сталей?

 

 

ЛЕГКООБРАБАТЫВАЕМЫЕ СТАЛИ

Обрабатываемость резанием является важнейшей техноло­гической характеристикой стали. Улучшение обрабатывае­мости резанием повышает производительность механической обработки и зачастую открывает возможность применения высокопрочных сталей, использование которых тормозилось этим технологическим критерием. Преимуществом способа придания формы путем снятия стружки является возможность получения готовых поверхностей, лежащих в допустимых пре­делах размеров, а также сложных форм деталей и экономичность производ­ства сравнительно малых партий.

Металловедческие приемы, направленные на выполнение этих условий, большей частью прямо противоречат физическим и технологическим пара­метрам материала, важным для последующих обработок, термической обра­ботки и самых разных практически важных видов нагружения. Отсюда вы­текает задача разработки автоматных сталей как самостоятельной группы, являющейся техническим компромиссом, ориентированным главным обра­зом на наилучшую обрабатываемость резанием, но в то же время основанной на широко применяемых материалах.

К сталям повышенной обрабатываемости резанием (эти стали называют автоматными) относят стали с высоким содержанием серы и фосфора, а также стали, специально легированные селеном, теллуром или свинцом. Их обозначают бук­вой «А» (автоматные стали) перед написанием марки ста­ли. В селенсодержащих сталях после наименования марки ставится дополнительно буква «Е», а в свинецсодержащих сталях буква «С» ставится после буквы «А». В сталях с повышенным содержанием серы или фосфора, кроме буквы «А», другие обозначения не предусмотрены. Стали повышенной и высокой обрабатываемости регла­ментируются ГОСТ 1414—75.

Сера (S) относится к числу основных легирующих элементов. Обычные содержания S, даже в нержавеющих авто­матных сталях, колеблются от 0,1 до 0,4 %. Связанное с этим большее количество сульфидных включений влияет на обра­зование обычной структуры и прочностные свойства в целом несу­щественно — будь то горячекатаное, холоднотянутое, закаленное по­сле цементации или улучшенное состояние. Но эти соображения не­верны, если речь идет о характеристиках вязкости в поперечном на­правлении, явно ослабленном ввиду более или менее выраженного вытягивания включений при горячем катании в пруток или прово­локу и вызванной этим строчечной структуры. Последний критерий преимущественно играет роль для выбора интервала содержания S, пригодного для конкретного применения. Автоматные сернистые стали имеют значительно более низкие механические свойства, чем аналогичные стали с нормаль­ным содержанием S (<0,040 %) и P (<0,030 %). Поэтому сер­нистые автоматные стали используют лишь для изготовления изделий изготовления изделий неответственного назначения (метизы).

Заметное влияние оказывает состав и вид выделяющихся суль­фидов. Включения сульфида марганца MnS, ослабляют прокат в поперечном направлении и способствуют отделению стружки от изделия и ее ломкости.

В селенсодержащих сталях (А35Е, А40ХЕ и др.) Se входит в со­став неметаллических включений (селенидов и сульфаселенидов) и обес­печивает глобуляризацию сульфидных включений. Глобулярные включения не оказывают отрицательного влияния на свой­ства стали. Поэтому селенсодержащие и серосодержащие стали по контролируемым свойствам обычно не уступают аналогичным исходным сталям. Стали с Se значительно превосходят чисто сернистые ста­ли по пластическим и вязким свойствам. Se не ухудшает хладостойкости стали. Аналогично Se влияет на свойства стали теллур (Te), одна­ко он значительно дороже Se. Возникающие теллуриды, в пер­вую очередь МnТе, связываются с марганцевыми сульфидами ча­стично в виде встроенной, частично в виде «облекающей» фазы. Они приводят к уменьшенной пластичности сульфида при горячей про­катке, а значит к образованию поразительно глобуляризованных включений. Теллуровые добавки составляют обычно около десятых долей соответствующего содержания S, но замет­ное действие различимо уже при существенно меньших количествах. Появление низкоплавких теллуридных фаз (например, FеТе₂, жид­кой уже при 850 °С) на первичных границах зерен создает значи­тельные препятствия и ведет к тому, что металлургическое производ­ство и, прежде всего, прокатка теллуровых сталей является весьма затруднительной. Наконец, нужно назвать такие сульфид-глобулизирующие добавки, как церий, цирконий и кальций (АЦ35Х2АФ и др.).

Свинец (Pb) наряду с S играет наиболее значительную роль при производстве автоматных сталей (АС40, АС30ХМ). Растворимость его при температу­рах плавления стали составляет от 0,15 до 0,30 %; он образует тонко­дисперсную металлическую фазу. Обычно сегодня методы легирова­ния обеспечивают весьма гомогенное распределение, которое, как и в случае серы, может быть сделано видимым за счет простых хи­мических методов в виде оттисков. Микроскопически крупные части­цы Pb, в среднем немного >1 мкм, находятся или изолированно в матрице, или — особенно в серосодержащих сталях — объединен­ие с сульфидами в виде их остроконечных отростков,иногда они располагаются также и на оксидах. О наличии свинцо­вых визуально неразличимых защитных оболочек сульфидов можно судить по случайно наблюдаемым повышениям коррозионного со­противления. При одновременном наличии Te появ­ляется дополнительная фаза РbТе, которая ведет себя как чистыйсвинец. Однако Pb является тяжелым металлом и оказывает неблагоприятное воздействие на окружающую среду.

Висмут (Bi) по воздействию на сталь аналогичен свинцу. Добавки ~0,06 % Bi в разные автоматные стали со свинцом направлены на то, чтобы усилить его действие в сторону дальнейшего улучшения производительности резания и качества поверхности изделия. Но­вейшими исследованиями установлено, что Pb может быть пол­ностью заменен Bi при соответственно увеличенном содержа­нии ~0,2 %. Это, однако, нужно учитывать, только если стремиться к высокой производительности резания: некоторые причины, отно­сящиеся к изготовлению и применению, исключают использование Pb и (или) Te.