Какие свойства стали придает хром
Содержание:
- Влияние хрома на структуру и свойства стали
Влияние хрома на структуру и свойства стали
- Влияние хрома на структуру и свойства стали Хром является мощным карбидообразующим элементом. Используя углерод, он производит различные карбиды, которые являются гораздо более мощными и стабильными, чем cementite. In сталь, карбид хрома всегда двойной или сложный. Часть хрома в нем заменяется железом или другими элементами. В перлитных сталях с Cr 1-2% следовые количества хрома поступают в карбиды и становятся в основном твердыми растворами.
Однако чем больше содержание хрома, тем больше карбидов образуется хромом. На рисунке 63 показано распределение хрома между карбидом и твердым телом 1535 ′ ^ 1390 Семь 910 ′%1 Восемь＆ =-» (С） Двенадцать ’1′ Я Простите? _ 1510 ′ Икс м / 820 ′ Ноль шесть является Один —. Один б л * б ИГ ИУС это хорошая вещь. — В 70. В i860 ′ Y） / Сплав на основе Fe-Cr 135 Раствор 0,8% С стали. Здесь горизонтальная ось показывает общее
количество хрома в Стали, а вертикальная ось показывает содержание хрома в карбиде в процентах от общего количества.
Людмила Фирмаль
Этот рисунок показывает, что чем больше содержание хрома в стали, тем сложнее она входит в состав карбидов. Например, при содержании 2% Cr стали около 15% ее общего объема составляет карбид, а в твердых растворах-около 2%. * Яв Установка. Диаграмма 62.Высокий хром х 10000 Сигма Вы также можете использовать его в качестве шаблона для вашего сайта. Cg X Диаграмма 63.Распределение hrosh между твердым раствором карбида и стали 0,8% C Если cr в 85% стали составляет 4%, то около 35%доступного хрома связывается с карбидами, а 65% — с твердым веществом solutions.
At 6.0% Cr в карбидах это уже более 50% (конечно, он содержит достаточное количество углерода), в твердых растворах менее 50% и т. д. В таблице. На рисунке показан примерный состав двойных карбидов хрома, образованных сплавом железо-хром. Карбиды Cr3C присутствуют в перлитных сталях с содержанием хрома до 5%.Такие карбиды более стабильны, чем цементит, и при нагревании они растворяются в Fe ^при гораздо более высокой температуре, чем точка Ast. Карбиды Cr7C3 и Cr2zC6 образуются из Мартенситных и карбидных сталей.
- Температура диссоциации этих карбидов составляет более 1200°.Карбид Cr3C2 главным образом наблюдается в высоких сплавах Хромия, феррохроме, Стеллите, etc. It является очень стабильным и поэтому полностью растворим только в жидком растворе хромистой стали 136 Таблица 26 Состав комплекса карбидов хрома карбид хрома Sg3S Sg7S3 Sg2zSv Sg3S2 Двойной карбид железа (Феррохром) СК (феррохром), Сз (феррохром) СК (феррохром) С2 Приблизительное соотношение железа и хрома в двойном карбиде 80%Фэ + 20%Хрома 40%Фэ + 60%СГ, 30%Фэ + 70%Хрома, 10%Кэ + 90%Пр В железоуглеродистых сплавах с высоким содержанием хрома очень трудно определить точный состав таких карбидов химическим анализом, так как одновременно могут существовать несколько типов карбидов, и результаты анализа фаз карбидных отложений часто очень различны.
В диаграмме состояния системы Fe-Cr, под влиянием углерода, область гамма-твердого раствора значительно увеличивается, близкая с более высоким содержанием, а не 12,8 кг, как двойные железо-хромовые сплавы. Это объясняется тем, что углерод действует противоположно хрому, то есть увеличивает точку А4, понижая точку L3, и даже в присутствии углерода часть хрома связывается с карбидами. Хром был истощен. 図 фиг, это диаграмма влияния углерода на область FET железо－хромового сплава. Schematic схематическое изображение фиг. Из этого рисунка видно, что при 0.3% C область FeT закрывается на 18% Cg, а при 0.4% C она закрывается только на 25% Cg. Влияние хрома на критическую точку железоуглеродистого сплава показано на рисунке. 65.На рисунке показано, что при увеличении содержания хрома точка L4 резко уменьшается, при этом 12%
Cr почти сливается с точкой Az. Феррит, без фазы 700. Рисунок 64.
Людмила Фирмаль
Влияние углерода на расширение сплава Fe-Fe-Cr-137 Fe-Cr-Cr Преобразование. Под воздействием хрома точки Е и S увеличиваются и одновременно смещаются влево в сторону низкого содержания углерода. На рисунке 66 представлена структурная схема хромистой стали, которая показывает, что хром снижает концентрацию углерода в перлите и аустените. Например, если Cr равен 12%, то перлит содержит только 0,4° / 0 С, а максимальная растворимость углерода в аустените составляет около 1,0%.Верхний левый угол 1600. Одна тысяча триста -Понятия не имею.1200. Тридцать пять Я- икс 900. / / / （ 4. Один • Мне 1 год / Четыре： oC В • — Я. с — — — — — — — — — — — > В — ^1 •- «-. В £• £00 0 0,2 а * С8 0.6 1.0 1.2 1.У 1.6 1.8 г.0 2.2 с％ Диаграмма 65. Влияние хрома на диаграммы Fe-C Угол рисунка — это область Альфа-твердого раствора, не имеющая критической точки.
Правая сторона рисунка занята областью красного брикета или карбидной стали: в этом составе структура литой стали исчезает (ломается) после ковки, и в структуре кованой стали появляется большое количество избыточных карбидов. При изотермическом превращении аустенита хром значительно увеличивает инкубационный период и время полного разложения аустенита[71].
Кривая изотермического превращения аустенита хромистой стали, внешний вид которого составляет<0,5-0,8% Cr, практически не отличается от СОБР Кривая углеродистой стали и> 1,0%Cg, на рисунке показаны 2 минимальных значения аустенитной стабильности: 138 градусов Цельсия в диапазоне температур около 600 градусов на хромистую сталь Сталь красного Брита (карбида) и Sautectoid/сталь В температурном диапазоне образования игольчатых ферм превращение твердых тел составляет приблизительно 350°(рис.67). Основываясь на диаграмме изотермического превращения аустенита, перлит хромистой стали во время изотермического отжига, чтобы уменьшить время разложения аустенита, чтобы сфероидизировать карбид, он должен поддерживаться на уровне около 600°, затем 720-740°, чтобы уменьшить твердость.
Поскольку аустенит обладает наибольшей стабильностью при этой температуре, то при ступенчатом упрочнении эту сталь следует поддерживать на уровне 450°. Когда хромистая сталь нагревается, карбид хрома входит в твердый раствор при температуре выше, чем цементит, который ингибирует рост зерен аустенита. Поэтому хромистая сталь менее подвержена перегреву, чем простая углеродистая сталь. Из диаграммы системы Fe-Cr известно, что в чистых (двойных) железохромистых сплавах с повышенным содержанием хрома 7% критическая точка A3 уменьшается. Однако наличие в сплаве определенного количества углерода, то есть тройного сплава Fe_Cr_C, увеличивает критическую точку Ar даже при 1-2°/ocrr.
При термической обработке хромистой стали класса перлита хромом в каждой пропорции температура нагрева повышается на 20-25°по сравнению с обычной углеродистой сталью. Хром-проектированная сталь клонит облегчить хрупкость. Коэффициент чувствительности к скорости охлаждения при высокотемпературном отпуске закаленной хромистой стали достигает 1,5-2,0, поэтому для увеличения вязкости хромистую сталь после высокотемпературного отпуска следует быстро охлаждать (в масле). Фазовая диаграмма системы Fe-Cr показывает, что область Fe замкнута под воздействием хрома.
То есть хром является «ферритообразующим» элементом. Однако, например, в присутствии сложных сплавов с высоким содержанием углерода или легирующих элементов, расширяющих область FeT, хром значительно снижает скорость перехода Fe- » — Fea и повышает стабильность аустенита. То есть она способствует приобретению аустенитной организации. 1.6 2.0 г, и Диаграмма 66.Чертеж структуры хромовой стали. Сплавы серии Fe-Cr 139 При цементировании стали хром практически не влияет на глубину цементного слоя, но на поверхности цементных изделий из хромистой стали концентрация увеличивается.
Дао. 600. +00 ’J00′ Я Один И затем 1=** -. Конечно. ^ » «(на японском языке). ） >- ^- —. — 500. В0 300. с:^ * 600 400. МИ н (= 1 В О. 5HS С ЮО ч ч ч Рисунок 68. влияние хрома на критическую скорость упрочнения доэвтектоидных и эвтектоидных сталей Семь Десять U 3 Шесть Время Второй S5 х ^^ Один Один / Один / Диаграмма 67. С изотермической конверсии 1.0% хромистых сталей™аустенита диаграммы. 2.3%СГ (а) и 0,5% с; 2.2%СГ(б） Содержание углерода и избыток эвтектоидного карбида выделяется, как правило, в виде отдельных шариков, затвердевшая твердая корочка хорошо прижимается к носу. При закалке стали хром резко увеличивает склонность к переохлаждению аустенита и значительно снижает скорость критического упрочнения (рис. 68).
Так, например, в изделиях диаметром 25-30 мм из машиностроения и инструмента хромистую сталь с содержанием хрома более 1% можно закалить не водой, а маслом. Снижая критическую скорость закалки, хром повышает прокаливаемость стали. На рисунке 69 показан график образца baked™диаметром 50 мм, изготовленного из хромистой стали 30х. Ага. 15 10 S OS s / I расстояние от центра, мм 69. 50X (U) хромистая сталь и 50 (2) углеродистая сталь 140 закаливаемость хромистой стали Из углеродистой стали 50: образцы из хромистой стали получат сквозное упрочнение, образцы из углеродистой стали только затвердеют на глубину 8-10 мм.
При упрочнении хромированной конструкционной стали в перлитном классе 0,3-0,5% с хром оказывает слабое влияние на положение и остаточное количество точки мартенсита Пятнадцать с х х / Рисунок 70. Влияние хрома на количество точечного ми и остаточного аустенита при закалке стали при 1,0% С 200. Куо г Cg.％ Аустенит в структуре закаленной стали. Однако в хромистых инструментальных сталях, где Cr больше 1% 0,9-1,0% C, точка мартенсита уменьшается на 30-50°(в зависимости от температуры нагрева перед закалкой), уменьшая количество удерживаемого аустенита.
С увеличением содержания хрома, он непрерывно increasing. So, в Стали, где Cr составляет 12% , А C — 2%, после закалки при 1100-1150° вы обнаружите до 80% остаточного аустенита (остаточного мартенсита и карбидов). На рис. 70 приведена диаграмма влияния хрома на мартенситную точку превращения и количество остаточного аустенита в инструментальной стали, закаленной при 800-820°с-1,0%.
Смотрите также:
Решение задач по материаловедению
Источник
Условные обозначения химических элементов:
| хром ( Cr ) — Х никель ( Ni ) — Н молибден ( Mo ) — М титан ( Ti ) — Т медь ( Cu ) — Д ванадий ( V ) — Ф вольфрам ( W ) — В | азот ( N ) — А алюминий ( Аl ) — Ю бериллий ( Be ) — Л бор ( B ) — Р висмут ( Вi ) — Ви галлий ( Ga ) — Гл | иридий ( Ir ) — И кадмий ( Cd ) — Кд кобальт ( Co ) — К кремний ( Si ) — C магний ( Mg ) — Ш марганец ( Mn ) — Г | свинец ( Pb ) — АС ниобий ( Nb) — Б селен ( Se ) — Е углерод ( C ) — У фосфор ( P ) — П цирконий ( Zr ) — Ц |
ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ НА СТАЛЬ И ЕЕ СВОЙСТВА
Углерод — находится в стали обычно в виде химического соединения Fe3C, называемого цементитом. С увеличением содержания углерода до 1,2% твердость, прочность и упругость стали увеличиваются, но пластичность и сопротивление удару понижаются, а обрабатываемость ухудшается, ухудшается и свариваемость.
Кремний — если он содержится в стали в небольшом количестве, особого влияния на ее свойства не оказывает.(Полезная примесь; вводят в качестве активного раскислителя и остается в стали в кол-ве 0,4%)
Марганец — как и кремний, содержится в обыкновенной углеродистой стали в небольшом количестве и особого влияния на ее свойства также не оказывает. (Полезная примесь; вводят в сталь для раскисления и остается в ней в кол-ве 0,3-0,8%. Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы.
Сера — является вредной примесью. Она находится в стали главным образом в виде FeS. Это соединение сообщает стали хрупкость при высоких температурах, например при ковке, — свойство, которое называется красноломкостью. Сера увеличивает истираемость стали, понижает сопротивление усталости и уменьшает коррозионную стойкость. В углеродистой стали допускается серы не более 0,06-0,07%. ( От красноломкости сталь предохраняет марганец, который связывает серу в сульфиды MnS).
Фосфор — также является вредной примесью. Снижает вязкость при пониженных температурах, то есть вызывает хладноломкость. Обрабатываемость стали фосфор несколько улучшает, так как способствует отделению стружки.
ЛЕГИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СВОЙСТВА СТАЛИ
Хром (Х) — наиболее дешевый и распространенный элемент. Он повышает твердость и прочность, незначительно уменьшая пластичность, увеличивает коррозионную стойкость; содержание больших количеств хрома делает сталь нержавеющей и обеспечивает устойчивость магнитных сил.
Никель (Н) — сообщает стали коррозионную стойкость, высокую прочность и пластичность, увеличивает прокаливаемость, оказывает влияние на изменение коэффициента теплового расширения. Никель – дорогой металл, его стараются заменить более дешевым.
Вольфрам (В) — образует в стали очень твердые химические соединения – карбиды, резко увеличивающие твердость и красностойкость. Вольфрам препятствует росту зерен при нагреве, способствует устранению хрупкости при отпуске. Это дорогой и дефицитный металл.
Ванадий (Ф) — повышает твердость и прочность, измельчает зерно. Увеличивает плотность стали, так как является хорошим раскислителем, он дорог и дефицитен.
Кремний (С)- в количестве свыше 1% оказывает особое влияние на свойства стали: содержание 1-1,5% Si увеличивает прочность, при этом вязкость сохраняется. При большем содержании кремния увеличивается электросопротивление и магнитопроницаемость. Кремний увеличивает также упругость, кислостойкость, окалиностойкость.
Марганец (Г) — при содержании свыше 1% увеличивает твердость, износоустойчивость, стойкость против ударных нагрузок, не уменьшая пластичности.
Кобальт (К) — повышает жаропрочность, магнитные свойства, увеличивает сопротивление удару.
Молибден (М) — увеличивает красностойкость, упругость, предел прочности на растяжение, антикоррозионные свойства и сопротивление окислению при высоких температурах.
Титан (Т) — повышает прочность и плотность стали, способствует измельчению зерна, является хорошим раскислителем, улучшает обрабатываемость и сопротивление коррозии.
Ниобий (Б) — улучшает кислостойкость и способствует уменьшению коррозии в сварных конструкциях.
Алюминий (Ю) — повышает жаростойкость и окалиностойкость.
Медь (Д) — увеличивает антикоррозионные свойства, она вводится главным образом в строительную сталь.
Церий — повышает прочность и особенно пластичность.
Цирконий (Ц) — оказывает особое влияние на величину и рост зерна в стали, измельчает зерно и позволяет получать сталь с заранее заданной зернистостью.
Лантан, цезий, неодим — уменьшают пористость, способствуют уменьшению содержания серы в стали, улучшают качество поверхности, измельчают зерно.
Источник
Углерод – неотъемлемая часть любой стали, так как сталь это сплав углерода с железом. Процентное содержание углерода определяет механические свойства стали. С увеличением содержания углерода в составе стали, твердость, прочность и упругость стали увеличиваются, но пластичность и сопротивление удару понижаются, а обрабатываемость и свариваемость ухудшается.
Кремний – незначительное его содержание в составе стали особого влияния на ее свойства не оказывает. При повышении содержания кремния значительно улучшаются упругие свойства, магнитопроницаемость, сопротивление коррозии и стойкость к окислению при высоких температурах.
Марганец – в углеродистой стали содержится в небольшом количестве и особого влияния на ее свойства не оказывает. Однако он образует с железом твердое соединение повышающее твердость и прочность стали, несколько уменьшая ее пластичность. Марганец связывает серу в соединение MnS, препятствуя образованию вредного соединения FeS. Кроме того, марганец раскисляет сталь. Сталь в состав которой входит большое количество марганца приобретает существенную твердость и сопротивление износу.
Сера – является вредной примесью в составе стали, где она находится преимущественно в виде FeS. Это соединение придает стали хрупкость при высоких температурах – красноломкость. Сера увеличивает истираемость стали, понижает сопротивление усталости и уменьшает коррозионную стойкость.
В углеродистой стали допустимое содержание серы – не более 0,07%.
Фосфор – также является вредной примесью в составе стали. Он образует с железом соединение Fe3P. Кристаллы этого соединения очень хрупки, вследствие чего сталь приобретает высокую хрупкость в холодном состоянии – хладноломкость. Отрицательное влияние фосфора наибольшим образом сказывается при высоком содержании углерода.
Легирующие компоненты в составе стали и их влияние на свойства:
Алюминий – сталь, состав которой дополнен этим элементом, приобретает повышенную жаростойкость и окалиностойкость.
Кремний – увеличивает упругость, кислостойкость, окалиностойкость стали.
Марганец – увеличивает твердость, износоустойчивость, стойкость против ударных нагрузок при этом не уменьшает пластичности.
Медь – улучшает коррозионностойкие свойства стали.
Хром – повышает твердость и прочность стали, незначительно уменьшая пластичность, увеличивает коррозионностойкость. Содержание больших количеств хрома в составе стали придает ей нержавеющие свойства.
Никель – также как и хром придает стали коррозионную стойкость, а также увеличивает прочность и пластичность.
Вольфрам – входя в состав стали, образует очень твердые химические соединения – карбиды, резко увеличивающие твердость и красностойкость. Вольфрам препятствует расширению стали при нагреве, способствует устранению хрупкости при отпуске.
Ванадий – повышает твердость и прочность стали, увеличивает плотность стали. Ванадий является хорошим раскислителем.
Кобальт – повышает жаропрочность, магнитные свойства, увеличивает стойкость против ударных нагрузок.
Молибден – увеличивает красностойкость, упругость, предел прочности на растяжение, улучшает антикоррозионные свойства стали и сопротивление окислению при высоких температурах.
Титан – повышает прочность и плотность стали, является хорошим раскислителем, улучшает обрабатываемость и увеличивает коррозионностойкость.
На нашей металлобазе Вы можете купить самые разнообразные виды металлопроката по оптовым ценам: арматуру, катанку, круг, листы г/к, листы х/к, листы рифленые, листы оцинкованные (оцинковка), листы с полимерным покрытием (полимер), проволоку Вр, проволоку ОК, проволоку оцинкованную, проволоку колючую, гвозди, канаты, метизы, угловой прокат, швеллер, двутавры, электроды, трубы профильные квадратные, трубы профильные прямоугольные, трубы круглые водогазопроводные и др.
www.pm.kg
Источник
При некоторых условиях эксплуатации стальных изделий и конструкций обычные физико-механические характеристики материал не удовлетворяют поставленным требованиям. В таких случаях стали легируют – добавляют при выплавке к исходному составу другие химические элементы (в основном – тоже металлы, хотя как будет показано далее, есть и исключения). В результате сталь становится прочнее, твёрже, устойчивее к внешним неблагоприятным факторам, хотя и теряет в своей пластичности, что в большинстве ситуаций ухудшает её обрабатываемость.
Технические требования к легированным сталям регламентированы ГОСТ 4543 (применительно к тонколистовому стальному прокату действует ещё ГОСТ 1542). В то же время ряд комплексно и сложнолегированных сталей производится согласно ТУ металлургических предприятий.
Легирование и примеси – есть ли разница?
С формальной точки зрения, некоторые химические элементы, содержащиеся в обычных сталях, как конструкционных, так и обычного качества, тоже можно называть легирующими. К таким можно отнести, например, медь (до 0,2%), кремний (до 0,37%) и т.д.
Постоянными спутниками любой стали являются фосфор и сера. Тем не менее, металловеды относят их по большей части не к легирующим добавкам, а к примесям, хотя иногда процентное содержание другого легирующего элемента может быть даже меньшим.
Причина заключается в том, что любая примесь является следствием либо чистоты исходной руды (марганец), либо специфики металлургических процессов плавки (сера, фосфор). Теоретически выплавленная без меди, фосфора и серы сталь обладала бы такими же механическими свойствами. Легирование же имеет своей конечной целью именно повышение определённых технических характеристик стали. При этом фосфор и сера однозначно относятся к вредным, но неизбежным примесям. Наличие меди увеличивает пластичность, зато способствует налипанию поверхности металла, имеющего избыточную (более 0,3%) концентрацию меди на поверхность смежной детали. При работе конструкции в условиях интенсивного трения это является крупным недостатком.
Наличие химического элемента с концентрацией более 1% даёт основание вводить его условное обозначение в марку стали. Кроме вышеупомянутой стали 65Г, подобной чести удостаивается также и алюминий (присутствующий, в частности, в стали О8Ю). В данном случае алюминий вводится в обычную конструкционную сталь О8 с целью её раскисления, а то, что при этом несколько повышаются показатели её пластичности, является лишь удачным сопутствующим обстоятельством. Борирование стали обеспечивает ей повышенную последующую деформируемость, поэтому даже микродобавки бора в химический состав стали отмечаются соответственно изменённой её маркировкой (например, в стали 20Р присутствует всего 0,001…0,005 % бора).
В целом принято, что:
- Стали, содержащие только один, намеренно вводимый в состав элемент;
- Стали, в составе которых имеются иные, кроме углерода и марганца, химические элементы в количестве не более 1%
— легированными не считаются. С другой стороны, если в составе выплавляемого сплава процентное содержание железа не превышает 55%, то такой материал уже не может называться легированной сталью.
Общая классификация легирующих элементов в сталях
Преобладающее положение в списке легирующих элементов имеют металлы. Исключение составляют кремний и бор.
Наличие легирующих элементов оказывает преобладающее влияние на вид диаграммы состояния системы «железо-углерод», и на наличие/отсутствие химических соединений в конечном продукте (нитридов, карбидов и более сложных по формуле компонентов). Последние, в свою очередь существенно видоизменяют микроструктуру стали.
В связи с этим, легирующие сталь металлы подразделяются на две группы:
- Металлы, которые увеличивают область твёрдых растворов на основе γ-железа (аустенитная область на диаграмме состояния), что приводит к повышению разнообразия конечной микроструктуры легированной стали после её упрочняющей термообработки). К таким элементам относятся никель, марганец, кобальт, медь, а также азот.
- Металлы и химические элементы, наличие которых сужает γ-область, зато повышает прочность стали. К ним относят хром, вольфрам. ванадий, молибден, титан.
В процессе получения легированных сталей изменяются следующие закономерности в её свойствах.
Как известно, разные элементы обладают различной кристаллической структурой (для металлов это – гранецентрированная и объёмноцентрированная). Само же железо имеет объёмноцентрированную решётку.
При внедрении в сталь металла со сходным типом решётки область существования α-раствора (феррита) увеличивается за счёт соответствующего уменьшения аустенитной области. В результате микроструктура стабилизируется, что допускает более широкий выбор технологических процессов последующей термообработки.
Наоборот, при наличии в стали металла с другим типом решётки аустенитная область сужается. Такая сталь при своей последующей механической обработке будет более пластичной.
Легирование стали некоторыми металлами вообще невозможно. Это происходит, если разница в атомных диаметрах элементов превышает 15%.
Именно по этой причине такой металл как цинк вводят в качестве легирующей добавки только в цветные металлы и сплавы. Ограниченное применение для целей легирования стали находят также химические элементы, которые неспособны образовывать при выплавке устойчивые химические соединения с углеродом, железом и азотом.
Зависимость характеристик стали от насыщения её определёнными химическими элементами окончательно ещё не изучено. Это объясняется тем, что при комплексном легировании каждый компонент может взаимодействовать по разному с другими, причём такие изменения закономерному объяснению часто не поддаются. Поэтому вопросы целесообразности применения того либо иного легирующего элемента разрешаются экспериментальным путём.
Доказанными считаются следующие положения:
- Эффективность процесса повышается при увеличении растворимости азота и углерода в легирующей добавке, и в основном железе;
- Стабильность окончательных свойств стали повышается при увеличении размеров аустенитной зоны;
- Качество стали, легированной металлами и элементами с меньшим, чем у железа порядковым номером (в таблице химических элементов Д. Менделеева) хуже, чем в противоположном случае;
- Более тугоплавкие, по сравнению с железом, металлы повышают прочность стали при любых вариантах её дальнейшей термообработки.
Впрочем, вторичные взаимодействия, сильно зависящие от способа выплавки стали, могут существенно корректировать эти положения. Поэтому на данном этапе с уверенностью можно говорить лишь о влиянии конкретных легирующих элементов на свойства стали.
Влияние хрома
Хром – металл, особенно часто применяемый для целей легирования. Его добавляют как в конструкционные стали (например, 20Х, 40Х), так и в инструментальные (9ХС, Х12М). При этом конечные свойства легированной хромом стали сильно зависят от его содержания в ней. При низких (менее 0,5…0,7%) концентрациях структура стали становится боле грубой, и чувствительной к направлению её последующей обработки, особенно при прокатке и гибке в холодном состоянии. Ухудшается также равномерность распределения основных составляющих микроструктуры.
Как уже было отмечено выше, одной из главных целей легирования является формирование в стали карбидов металлов, прочность и твёрдость которых заметно выше, чем основного металла. Хром образует два вида карбидов: гексагональный Cr7C3 и кубический Cr23С6, причём в обоих случаях прочность и хладостойкость стали возрастают. Особенностью карбидов хрома является присутствие в их структуре также и других элементов – железа и ванадия. В результате температура эффективного растворения снижается, что, в свою очередь, приводит к таким положительным особенностям сталей, легированных хромом, как прокаливаемость, возможность вторичного дисперсионного твердения и теплостойкость. Поэтому стали, легированные хромом, имеют увеличенную эксплуатационную стойкость при тяжёлых условиях своей эксплуатации.
Однако увеличение содержания хрома в стали приводит и к отрицательным последствиям. При его концентрации более 5…10% резко ухудшается карбидная однородность материала, что сопровождается нежелательными явлениями при её механической обработке: даже при нагреве пластичность стали невысока, поэтому при ковке с большими степенями деформации высокохромистые стали подвержены растрескиванию.
При чрезмерном карбидообразовании увеличивается также количество концентраторов напряжений, что негативно влияет на стойкость таких сталей к динамическим нагрузкам. Учитывая это, содержание хрома в сталях не должно превышать 5..6%.
Влияние вольфрама и молибдена
Действие этих легирующих добавок в сталях примерно одинаково, поэтому их рассматривают совместно. Вольфрам и молибден улучшают дисперсионное твердение сталей, что увеличивает их теплостойкость, особенно при длительной работе с повышенными температурами. Мартенситостареющие стали обладают уникальным комплексом свойств: они сочетают достаточную пластичность и вязкость с высокой поверхностной прочностью, а потому находят широкое применение в качестве инструментальных сталей, предназначенных для холодной объёмной штамповки с высокими степенями деформации. Причиной этому – формирование интерметаллидных соединений Fe2W и Fe2Mo3, которые способствуют последующему появлению специальных карбидов (чаще – хрома и ванадия). Поэтому часто, совместно с вольфрамом и молибденом стали легируют также и этими металлами. Примером служат инструментальные стали типа Х4В2М1Ф1, конструкционные 40ХВМФА и т.п.
Наиболее эффективно такое легирование для сталей, содержащих сравнительно большое количество углерода. Именно этим объясняется преимущественное применение сталей, содержащих вольфрам и молибден, для производства ответственных шестерён, валов и других деталей машин, работающих при сложных, резко циклических нагрузках. Наличие рассматриваемых легирующих компонентов улучшает закаливаемость сталей и способствует более устойчивым конечным характеристикам изделий, изготовленных из них.
Имеются и отрицательные стороны избыточного легирования данными металлами. Например, повышение концентрации молибдена более 3% способствует обезуглероживанию стали при нагреве, становится причиной хрупкого разрушения (особенно, если в составе такой стали присутствует в увеличенном — более 2% — количестве кремний). Предельное содержание вольфрама в стали – 10…12% — связано, главным образом, с резким повышением стоимости готового продукта.
Влияние ванадия
Ванадий чаще применяется как компонент сложного легирования. Его наличие придаёт легированным сталям более равномерную и благоприятную структуру, которая мало изменяется даже с термообработкой. Кроме того, ванадий стабилизирует γ-фазу, что увеличивает стойкость стали к напряжениям сдвига (как известно, именно при сдвиговых деформациях металлы имеют наименьшую прочность).
На твёрдость стали ванадий практически не влияет, это особенно заметно для конструкционных сталей, содержащих меньше углерода, чем инструментальные. В комплекснолегированных сталях ванадий увеличивает теплостойкость, что повышает их устойчивость от хрупкого разрушения. В этом смысле влияние ванадия противоположно влиянию молибдена. Особенностью термообработки легированных сталей, содержащих ванадий, считается невозможность выполнения высокого отпуска после закалки, поскольку последующая пластичность стали снижается. Поэтому в сталях, предназначенных для изготовления крупных деталей или поковок, процентное содержание ванадия ограничивается 3..4%.
Влияние кремния, марганца и кобальта
Кремний – единственный из неметаллов, «допущенный» к процессам легирования. Объясняется это двумя факторами – дешевизной элемента и однозначной зависимостью твёрдости от процентного содержания кремния в стали. Именно поэтому кремний часто применяется при выплавке недорогих низколегированных строительных сталей, а также сталей, для эксплуатационной долговечности которых важно оптимальное сочетание прочности и упругости. Чаще всего совместно с кремнием используется и марганец – примерами могут быть стали 09Г2С, 10ГС, 60С2 и т.д.
В инструментальных сталях кремний как легирующий компонент используется редко, и притом только в сочетании с другими металлами, которые нейтрализуют его отрицательные свойства – малую эксплуатационную пластичность и вязкость. Из таких сталей – в частности, 9ХС, 6Х3С и т.п. — изготавливают режущий и штамповый инструмент, для которого требуется сочетание высокой твёрдости и стойкости при резких нагрузках.
Как и кремний, кобальт при внедрении в структуру стали не образует собственных карбидов, зато в сложнолегированных сталях интенсифицирует их образование при отпуске. Поэтому кобальт применяется не самостоятельно, а в сочетании с такими металлами, как ванадий, хром, вольфрам, при этом, ввиду дефицитности кобальта его содержание обычно не превышает 2,5…3%.
Влияние никеля
Никель – единственный из легирующих компонентов сталей, который повышает её пластичность и снижает твёрдость. Поэтому одним никелем стали не легируют. Зато в сочетании с марганцем никель приводит к заметному повышению прокаливаемости стали, что очень важно при изготовлении крупных деталей машин, для которых важна высокая эксплуатационная долговечность. При этом наличие никеля снижает требования к точности соблюдения температурных интервалов термообработки.
Легирование никелем имеет и ряд особенностей. В частности, никель, не образуя собственных карбидов, способствует увеличению скоплений «чужих» карбидов по границам зёрен, в результате снижается теплостойкость, и повышается хрупкость в диапазоне 20…4000С. Поэтому процентное содержание никеля в легированных сталях строго увязывается с наличием в них марганца и хрома: при их наличии предельная концентрация никеля составляет 2%, а при их отсутствии – не более 0,5…1%.
Легированные стали для специальных областей использования содержат в себе и ряд других металлов (например, титан, алюминий и др.). Выбор вида стали диктуется эксплуатационными и финансовыми соображениями.
Источник