Легування, мікролегування і модифікування

 

Леговані сталі - сплави на основі заліза, у хімічний склад яких спеціально введені легуючі елементи, що забезпечують при визначених способах виробництва та обробки необхідні структуру і властивості.

Основними легуючими елементами в сталі є: Mn, Si, Сг, Ni, Мо, W, Co, Cu, Ті, V, Zr, Nb, А1, В. Зміст легуючих елементів у сталі може коливатися від тисячних часток відсотка до десятків відсотків.

Домішки - хімічні елементи, що перейшли до складу сталі в процесі її виробництва як технологічні добавки або частина шихти. Зміст домішок звичайно обмежується:

Мn ≤0,8%; Si≤ 0,4%; Сr ≤ 0,3%; Nі ≤ 0,3%; Сu ≤0,3%; P ≤ 0,025-0,040%; S ≤

0,015-0,050%.

Як видно, домішками і легуючими елементами можуть бути ті самі елементи. Віднесення їх до той або іншій ознаки залежить від кількості і ролі, що вони грають у сталі.

Кількість домішок у сталі істотно залежить від способу її виробництва (табл. 1.1).

Спосіб виплавки	Кількість, % мас.
S	Р	О	N	H
Киснево- конверторний	0,020-0,030	0,020-0,030	0,005-0,008	0,002-0,005	0,0001-0,0005
Мартенівський	0,025-0,035	0,025-0,035	0,005-0,008	0,003-0,007	0,0002-0,0007
В електропечі	0,010-0,020	0,010-0,020	0,002-0,004	0,007-0,015	0,0004-0,0005

 

Для видалення таких шкідливих домішок як кисень і азот використовують розкислення алюмінієм, марганцем, кремнієм. Сірку і фосфор знижують підготовкою шихти, спеціальними засобами виплавки, добавкою марганцю.

Деякі легуючі елементи (V, Nb, Ті, Zr, В) впливають на структуру і властивості сталі при змісті їх у сотих частках відсотка (бор - у тисячних частках відсотка). Такі сталі називають мікролегованими.

Модифікування - уведення спеціальних добавок або елементів для впливу на швидкість дифузії атомів заліза або вуглецю. Наприклад, оксиди і нітриди тугоплавких металів розміщаються по границях зерен сталі, знижуючи при цьому поверхневу енергію границь і створюючи так називаний «бар'єрний ефект». Модифікування чавуна магнієм дозволяє сформувати в структурі кулястий графіт.

Маркірування сталей

 

У країнах СНД, а також у деяких інших країнах прийнята буквено-цифрова система позначення марок сталей і сплавів.

У легованих сталях основні легуючі елементи позначаються буквами: А-азот, К- кобальт, Т - титан, Б - ніобій, В - вольфрам, Г - марганець, Д - мідь, М - молібден, Н - нікель, П - фосфор, Р - бор, С - кремній, Ф - ванадій, X - хром, Ц - цирконій, Ю - алюміній.

Цифри після букви в позначенні марки сталі показують приблизну кількість відповідного елемента, округлену до цілого числа. При середньому змісті легуючого елемента до 1,5% цифру за буквеним індексом не приводять.

Зміст вуглецю вказується на початку марки в сотих (конструкційні сталі) або десятих (інструментальні сталі) частках відсотка.

Приклади:

-конструкційна сталь 45ХН2МФ містить 0,42-0,50 % С; 0,5-0,8 % Mn; 0,8-1,0 % Cr; 1,3-1,8 %Ni; 0,2-0,3 % Mo; 0,10-0,18 % V.

-інструментальна сталь 4Х5МФС містить 0,32-0,40 % C; 0,80-1,20 % Si; 0,15-0,40 % Mn; 4,5-5,5 % Cr; 1,2-1,5 % Mo; 0,3-0,5 % V.

Якщо зміст вуглецю в інструментальній легованій сталі 1% і більш, то цифру на початку марки стали іноді не ставлять (наприклад, стали X и ХВГ).

Буква “А” наприкінці марки вказує, що сталь відноситься до категорії високоякісної (30ХГСА), якщо та ж буква в середині марки - то сталь легована азотом (Р6АМ5), а на початку марки буква “А” указує на те, що сталь автоматна підвищеної оброблюваності (А35М2).

Особливовисокоякісна сталь позначається додаванням через дефіс наприкінці марки букв “Ш” (30ХГСА-Ш) або “У” (13Г1С-У).

Легована стань, що не містить наприкінці марки букв “А”, “Ш” або “У” відноситься до категорії якісних (ЗОХГС).

У марках швидкорізальних сталей спочатку приводять букву “Р” (від англійського слова “rapid” - “швидкий”), за нею міститься цифра, що вказує зміст вольфраму. В усіх швидкорізальних сталях утримується близько 4% Cr, тому в позначенні марки букви “X” немає. Ванадій, зміст якого в різних марках коливається в межах 1-5%, позначається в марці, якщо його середній зміст 2,0% і більш. Тому що зміст вуглецю у швидкорізальних сталях пропорційний кількості ванадію, то зміст вуглецю в маркіруванні не вказується. Якщо у швидкорізальних сталях утримуються Mo і Co, їх кількість вказується в марці.

Приклад: сталь Р6М5Ф2К8 містить 0,95-1,05 % C; 3,8-4,4 % Cr; 5,5-6,0% W; 4,6- 5,2 % Mo; 1,8-2,4 % V; 7,5-8,5 % Co.

Шарикопідшипникові сталі, призначені для виготовлення кілець, роликів і кульок, позначаються буквою Ш спочатку марки. За нею міститься зміст хрому (основного легуючого елемента) у десятих частках відсотка, а також позначення інших легуючих елементів, але вже за загальними правилами. Зміст вуглецю у всіх шарикопідшипникових сталях приблизно дорівнює 1% і в маркіруванні не вказується.

Приклад: шарикопідшипникова сталь ШХ15СГ містить 0,95-1,05 % C; 1,30-1,65 % Cr; 0,40-0,65 % Si; 0,90-1,20 % Mn.

Високолеговані сталі складного складу іноді позначають спрощено по порядковому номеру розробки або освоєння стали на металургійному заводі. Перед номером стали ставлять індекси “ЭИ” або “ЭП” (завод “Електросталь” - дослідницька або спробна сталь).

Маркірування марок жароміцних і жаростійких сплавів на залізонікелевій і нікелевій основах складається тільки з літерних позначень елементів, за винятком нікелю, після якого вказується цифра, що позначає його середній зміст у відсотках.

Приклад: ХН35ВТ (ЭИ612), ХН77ТЮР (ЭИ437).

Кожна партія стали супроводжується документом (сертифікатом), що засвідчує відповідність сталі замовленню і вимогам стандарту або технічних умов. У сертифікаті утримуються наступні зведення:

- марка сталі;

- хімічний склад;

- номер відповідного ГОСТ або технічних умов;

- номер плавки;

- номер партії;

- результати механічних іспитів;

- дані про групи і категорії сталі по властивостях, призначенню, якості поверхні, а також результати методів контролю, що неруйнують, (якщо останні проводилися).

1.3 Класифікація легуючих елементів по впливу на α- і γ-області

 

Легуючі елементи при введенні їх у сталь можуть:

- утворювати з залізом тверді розчини;

- розчинятися в цементиті, заміщаючи атоми заліза в гратах цементиту, тобто утворювати так називаний легований цементит або спеціальні карбіди типу (Fе,Ме)хСу або МехСуу залежності від спорідненості елемента до вуглецю;

- утворювати при високому змісті інтерметалідні з'єднання з залізом, наприклад , FeCr, FeV.

Всі елементи, за винятком вуглецю, азоту, водню і почасти боре, утворяють із залізом тверді розчини заміщення. Бор частково заміщає атоми заліза, а частково є впроваджений у фати α-Fe.

Для утворення безперервних твердих розчинів заміщення необхідне дотримання ряду умов, з яких одними з основних є:

- близькість електронної будівлі їхніх атомів, що визначається розташуванням цих елементів в одній або в сусідніх групах періодичної системи Менделєєва;

- мале розходження (< 15%) розмірів їхніх атомів;

- ізоморфність грат елементів стосовно α- або γ-Fe.

Розчиняючись в залізі, елементи впливають на температури фазових перетворень у сплаві і положення крапок і , що визначають область існування α-Fe і γ-Fe.

При аналізі цього впливу треба враховувати спорідненість введених легуючих елементів до вуглецю. По ступені цієї спорідненості легуючі елементи розділяють на карбідоутворюючі і некарбідоутворюючі. До числа карбідоутворюючих відносяться Mn, Cr, W, Mo, Ta, Nb, V, Zr, Ti, причому здатність до утворення карбідів і стійкість останніх у зазначеному ряді зростає ліворуч праворуч. До числа некарбідоутворюючих відносяться: Cu, Ni, Co, Si, А1.

На характері впливу легуючих елементів на критичні крапки заснована класифікація легуючих елементів по Ф.Веферу. Відповідно до цієї класифікації, всі легуючі елементи можна розділити на дві великі групи, кожна з яких у свою чергу поділяється на дві підгрупи.

1.3.1. Легуючі елементи, що розширюють γ-область

У цю групу входять вуглець і азот, що утворюють тверді розчини впровадження, а також утворюючі тверді розчини заміщення Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au.

Зі збільшенням змісту легуючого елемента в залізі лінії і розходяться, утворюючи т.зв. відкриту область γ-розчину. Як видно з фіг. 1, температура крапки зростає до лінії солідус, а крапки - знижується до кімнатної температури. Отже, сплави з концентрацією легуючого елемента вище крапки А не мають при охолодженні фазового перетворення γ → α і при всіх температурах являють собою розчин легуючого елемента в γ-Fe.

Фіг. 1. Діаграма стану сплавів з відкритою у-областю

 

Зазначена ситуація спостерігається, зокрема, на реальних діаграмах бінарних систем Fe - Ni, Fe - Co і Fe - Mn (фіг. 2). На двох перших діаграмах видні області утворення упорядкованих фаз, а на останньої, так само як і на другий - області поліморфних перетворень кобальту і марганцю відповідно. Така відкрита γ-область відзначається і на діаграмах стану заліза з металами платинової групи. При такому положенні у-області в зазначених системах є інтервал концентрацій, при яких не відзначається α ↔ γ перетворення і сплави при всіх температурах будуть аустенітними.

Підвищення температури крапки і зниження крапки спостерігається й у тому випадку, коли область γ-фази обмежена присутністю іншої фази, наприклад карбіду в сплаві Fe-C або нітриду в сплаві Fe-N. Таку діаграму називають діаграмою з розширеною γ-областю (фіг.З). Вона характерна для сплавів Fе-С, Fе-Ni, Fe-Cu

Фіг.2. Діаграми стану сплавів Fe – Ni (a), Fe – Co(б) Fe – Mn (в)

Фіг.3. Діаграма стану сплавів з розширеною γ – областю

Розширення γ–область в сплавах заліза типу твердих розчинів упровадження звязано з більш повною розчинністю, тобто з зайнятість пір у гратах металу атомами неметалів; у спавах заліза типу твердих розчинів заміщення цей ефект спостерігается в тому випадку, коли теплота розчинення одного атомного відсотка компонента в γ–фазі менше, ніж у α–фазі. У зворотнему випадку буде спостерігатися звуження γ–області.

 

1.3.2. Легуючі елементи, що звужують γ-область

Звуження γ-області виявляється в підвищенні температури критичної крапки і зниженні критичної крапки . Ця зміна температур критичних крапок у сплавах заліза, що відносяться до другого класу, може привести до того, що у-область буде цілком замкнутою, а область а-фази сильно розширеною, як це показано на схемі (фіг.4) і в реальних діаграмах стану систем Fе-Сr і Fе-V (фіг.5 а,б). Однак сплави системи Fe-Cr відрізняються тим, що в них критична крапка спочатку аж до відносно невисоких концентрацій хрому (до 7% по масі) знижується, а потім підвищується.

Фіг.4. Діаграма стану сплавів із замкнутою γ-областю

Фіг. 5 Діаграми стану сплавів Fe-Сr (а) і Fe-V (б)

З діаграм стану систем Fe-Cr і Fe-V випливає, що при досить високих змістах легуючих елементів існують феритні сплави, що не перетерплюють поліморфних перетворень при зміні температури. На цих діаграмах стану крім замкнутої у- і розширеної а- області видні фазові лінії, що відповідають появі а- фази. На діаграмах стану систем Fe-Si (фіг. 6), і Fe-Al також існує замкнута у-область і протяжні області а- фази, обмежені проміжними фазами.