Легированные стали и сплавы
Прочность, вязкость, жаро- и хладостойкость, а также коррозионная стойкость углеродистых сталей являются недостаточными для многих высоконагруженных деталей машин и строительных конструкций; инструменты из углеродистой инструментальной стали тверды, но не выдерживают повышенной скорости резания, так как размягчаются при нагреве уже до температуры 250 0C, кроме того, они хрупкие. Прокаливаемость углеродистой стали также невелика в связи с большой критической скоростью закалки, в результате этого на мартенсит закаливается только поверхностный слой заготовки, а внутренние слои закаливаются лишь на троостит или сорбит, а у заготовок больших размеров остаются вовсе не закалёнными. Таким образом, углеродистая сталь часто не отвечает повышенным требованиям машиностроения и инструментального производства.
Вводимые в сталь легирующие элементы улучшают ее механические, физические и химические свойства. Для легирования стали применяют хром, никель, марганец, кремний, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, титан, алюминий, медь и другие элементы. Марганец считается легирующим компонентом при массовом содержании более 1 %, а кремний – более 0,8 %. Большинство легированных сталей приобретают высокие физико-механические свойства лишь после термической обработки.
Легированную сталь классифицируют по следующим признакам:
числу введённых легирующих элементов;
суммарному массовому содержанию легирующих элементов;
характеру взаимодействие легирующих элементов с железом и с углеродом;
структуре в отожженном и нормализированным состояниях;
качеству;
назначению и применению.
Число введённых легирующих элементов.Если введён один легирующий элемент, то сталь называют по этому элементу, такую сталь называют также тройной, так как она содержит железо, углерод и легирующий элемент (постоянные примеси не считаются). Из тройных легированных сталей применение находят хромовая, марганцевая и кремнистая стали.
Если сталь легирована двумя, тремя и более элементами, то она является сложнолегированной (комплексно-легированной) и её называют по введённым легирующим элементам (например, хромомарганцевой, хромомолибденовой, хромоникелевой, сернистомарганцевой, хромокремнистованадиевой). Хром, кремний и марганец присутствуют в большинстве легированных сталей, остальные легирующие элементы вводят (за исключением сплавов с особыми свойствами) чаще всего в сочетании с ними. При комплексном легировании получение нужных свойств достигается полнее и при меньшем общем массовом содержании легирующих элементов.
Суммарное массовое содержание легирующих элементов.По этому признаку сталь делится на низколегированную (суммарное содержание их менее 2,5 %, среднелегированную (от 2,5 до 10 %) и высоколегированную (более 10 %).
Взаимодействие легирующих элементов с железом и углеродом. Сжелезом легирующие элементы образуют у-, так и a- твёрдые растворы, т. е. они могут входить в состав аустенита и феррита, упрочняя их. При этом легирующие элементы оказывают различное влияние на устойчивость аустенита: одни (например, никель) расширяют этот интервал и при достаточном массовом содержании определяют аустенит устойчивом даже при комнатной температуре (такие стали называют аустенитными). Другие (например, хром) уменьшают устойчивость аустенита и могут совсем устранить аустенитное превращение; при достаточном содержании таких элементов (например, более 13 % Cr) аустенита не существует и сталь вплоть до плавления остаётся ферритной. Аустенитные и ферритные стали заколки не принимают, так как они не имеют фазовых превращений в твёрдом состоянии.
По отношению к углероду легирующие элементы разделяют на две группы: 1) элементы, образующие с углеродом устойчивые химические соединения, - карбиды (хром, марганец, молибден, вольфрам, ванадий, цирконий, титан); карбиды могут быть простыми, например, Cr4C, MoC, и сложными легированными - [(Fe, Cr)7] C3; (Fe, W)4C и др. Они твёрже карбида железа и менее хрупкие; 2) элементы, не образующие в стали карбидов и входящие в твёрдый раствор – феррит (никель, кремний, кобальт, алюминий, медь); они оказывают графитизирующее действие.
Структура в отожженном состоянии.По этому признаку различают доэвтектоидную, эвтектоидную, заэвтектоидную и ледебуритную легированные стали.
На рис. 1 приведена структурная диаграмма для отожженных хромовых сталей, показывающая изменения положения точек легированного перлита (линия 1) и предельного массового содержания углерода в легированном аустените (линия 11) на диаграммах состояние систем сплавов в зависимости от количества хрома. Из диаграммы видно, что по мере увеличения массового содержания хрома точки, аналогичные тачкам S и E на диаграмме состояния системы сплавов Fe-Fe3C, будут смещаться влево на соответствующих диаграммах состояния систем сплавов с хромом, т. е. массовое содержание углерода в легированном перлите и легированном аустените уменьшаются по мере увеличения количества хрома в сплавах. Это относится также и к сталям, легированным другими карбидообразующими элементами.
Доэвтектоидная сталь состоит из легированного перлита и избыточного легированного феррита, заэвтектоидная – из легированного перлита и легированных карбидов, а ледебуритная – из легированных ледебурита, перлита и карбидов. На диаграмме указана также область ферритныхсталей, получающихся при большом массовом содержании и небольшом углерода.
Структура в нормализованном состоянии.На рис. 2 приведена диаграмма для никелевых сталей, показывающая зависимость полученной при охлаждении на воздухе структуры стали от массового содержания углерода и никеля в ней.
Из диаграммы видно, что при небольшом массовом содержании никеля и углерода получается структура, состоящая из смеси феррита и цементита, которая, однако, характеризуется повышением дисперсности по мере увеличения в стали никеля и углерода, т. е. структура может быть перлитной, сорбитной или трооститной. На диаграмме соответствующая область характеризует перлитный класс сталей. Большее массовое содержание никеля и углерода в сталях приводит к образованию при их охлаждении на воздухе структуры мартенсита или аустенита; такие стали относят, соответственно, к мартенситному или аустенитному классу.
Образование структуры аустенита объясняется тем, что при повышенном массовом содержании в стали элементов, растворяющихся в аустените (в частности никеля), мартенситное превращение в сравнении происходит при более низких температурах, при большом содержании этих элементов такое превращение осуществляется при температурах ниже 0 0С. Соответственно при охлаждении на воздухе до комнатной температуры в стали сохранится структура аустенита без мартенсита.
При меньшем массовом содержании никеля и углерода мартенситная точка на соответствующей диаграмме будет лежать выше, так как мартеновское превращение в таких случаях происходит при более высокой температуре и охлажденная на воздухе сталь имеет структуру мартенсита.
При небольшом содержании никеля и углерода скорость охлаждения на воздухе оказывается меньше критической скорости закалки и сталь, охлаждённая на воздухе до комнатной температуры, имеет структуру троостита, сорбита или перлита. Заштрихованные участки на диаграмме соответствуют составом сталей, занимающим положение промежуточных классов: перлитно-мартенситного и мартенситно-аустенитного.
Аналогичные диаграммы могут быть построены также для сталей, легированных другими элементами, при этом кроме тех названных классов могут образоваться еще два класса: карбидный и ферритный.
Таким образом, легированная сталь в зависимости от структуры и состояния, полученных при охлаждении на воздухе, делятся на пять классов (не включая промежуточных): перлитный, мартенситный, аустенитный, карбидный и ферритный.
Классификация по качеству.Легированная сталь подразделяется на качественную (массовое содержание серы и фосфора не более 0,035 % каждого), высококачественную (не более 0,025 % каждого) и особовысококачественную (не более 0,015 % S и 0,025 % P), получаемую при рафинирующих переплавах.
Классификация по назначению и применению.Сталь подразделяют на конструкционные (общего и специального назначения и с особыми свойствами) и инструментальные.
В конструкционных сталях общего назначении выделяют строительные и машиностроительные низколегированные стали, а также улучшаемые, цементируемые стали и стали повышенной обрабатываемости резанием (автоматные стали).
К конструкционным сталям специального назначения и сталям с особыми свойствами относятся шарикоподшипниковые, рессорно-пружинные, высокопрочные, коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные, сварочные и наплавочные стали, стали с особыми магнитными, электрическими и тепловыми свойствами, котельные, корпусные стали для судостроения и прочие.
Инструментальные стали применяют для изготовления режущих, измерительных и ударно-штамповочных инструментов.
Маркировка легированной стали.В соответствии с ГОСТом для обозначения легирующих элементов приняты следующие буквы; Х – хром, Н – никель, Г – марганец, С – кремний, В – вольфрам, М молибден, Ф – ванадий, К – кобальт, Т – титан, Ю – алюминий, Д – медь, П фосфор, Р – бор, Б – ниобий, А – азот (ставить в конце маркировки запрещается), Е – селен, Ц – цирконий. Для обозначения легированной стали той или иной марки применяют определённое сочетание цифр и букв.
Для стали конструкционной легированной принята маркировка, по которой первые две цифры указывают среднее массовое содержание углерода в сотых долях процента, если сталь содержит менее 0,1 % углерода, то первая цифра ноль, например 08, 05. Буквы в маркировке указывают наличие соответствующих легирующих элементов, а цифры, следующие за буквами, - процентное массовое содержание этих элементов в стали. Если за какой–либо буквой отсутствует цифра, то это значит, что сталь содержит данный элемент в количестве до 1,5 %, кроме элементов, присутствующих в малых количествах (для комплексно-легированных сталей). Например, марка 35X обозначает хромовую сталь с массовым содержанием С около 0,35 % и Сr до 1,5 %; 45Г2 – марганцевую сталь с массовым содержанием С около 0,45 % и Мn около 2 %; марка 38ХН3МФА – сталь, содержащую 0,33-0,4 % С, 1,2-1,6 % Сr, 3,0-3,5 % Ni, 0,35-0,45 % Мо, 0,1-0,18 % V, а также 0,25-0,5 % Мn, не указанного по маркировке, букву А в конце маркировки используют для обозначения высококачественной стали. Для обозначения особовысококачественной стали в конце маркировки ставят букву Ш (через дефис), например, 30ХГС-Ш.
Для инструментальной легированной стали порядок маркировки по легирующим компонентам тот же, что и для конструкционных сталей, но содержание углерода указывается первой цифрой в десятых долях процента. Если цифра отсутствует, то сталь содержит около 1 % углерода.
Некоторые стали специального назначения имеют особую маркировку из букв, которые ставятся впереди цифр: А – автоматная, Ш – шарикоподшипниковая, Р – быстрорежущая, Е магнитотвердая, Э – электротехническая, Св – сварочная, Нп – наплавочная и т. д.
Влияние легирующих элементов на свойства стали. Легирование стали, никелем повышает её прокаливаемость; этому же способствуют присадки марганца, молибдена, хрома, бора. Никель увеличивает также, вязкость и пластичность стали, понижает температуру порога хладноломкости. Однако никель дорог, поэтому его вводят в сочетании с марганцем или хромом. Понижение порога хладноломкости достигается также присадкой хрома, молибдена, вольфрама, ванадия, титана, ниобия и циркония, которые образуют дисперсные труднорастворимые в аустените карбиды и препятствуют росту зерна аустенита. Рост зерна аустенита задерживается также присадкой алюминия, присутствующего в виде дисперсных оксидов. Молибден и вольфрам повышают, также стойкость стали к отпуску. Кобальт (как и никель) полностью взаимно растворим с железом, и способствует понижению количества остаточного аустенита в закаленной стали.
Особенности термической обработки легированной стали. Введение большинства легирующих элементов определяет повышение точек А1 и А3 в сравнении с их положением для углеродистой стали, поэтому температура нагрева легированной стали для закалки выше. Легированные стали имеют меньшую теплопроводность и требуют замедленного нагрева и более продолжительной выдержки для аустенизации в сравнении с углеродистой сталью. Все легирующие элементы (за исключение кобальта) уменьшают критическую скорость закалки, т. е. увеличивает инкубационный период переохлажденного аустенита («сдвигают» вправо кривые на диаграммах изотермического превращения); это определяет увеличение прокаливаемости заготовок. Карбидообразующие элементы, кроме того, определяют на диаграмме изотермического превращения две области 1 и 3 (рис. 3) минимальной устойчивости аустенита и область 2 между ними повышенной его устойчивости. Увеличению устойчивости переохлажденного аустенита обеспечивает возможность получения структуры мартенсита при закалке охлаждением в масле, на воздухе и в горячих средах.
Многие легирующие элементы повышают устойчивость мартенсита против отпуска, поэтому для достижения требуемой прочности легированные стали при отпуске нагревают до более высоких температур, чем углеродистые.
Термомеханическая
Обработка.Некоторые марки легированной и углеродистой сталей упрочняют термомеханической обработкой (ТМО), при которой в единую операцию совмещают пластическую деформацию аустенита и закалку. После закалки производят низкий отпуск . Сталь после ТМО имеет повышенную прочность и ударную вязкость в 1,5-2 раза выше в сравнении со сталью той же марки после закалки и низкого отпуска.
В зависимости от температуры, при которой производят деформацию, различают высокотемпературную (ВТМО) и низкотемпературную (НТМО) термомеханическую обработку. ВТМО применяют для углеродистой и легированной сталей. При этом сталь нагревают до температуры выше точки А3 (рис. 3, а), выдерживают для аустенизации, деформируют прокатной или ковкой (на схеме показано ломаной линией) для предупреждения поста зёрен аустенита их охлаждают. При НТМО (рис. 3 б) деформацию производят при температурах ниже рекристаллизации (зона рекристаллизации показана штриховкой) в области повышенной устойчивости аустенита, что возможно лишь для легированных сталей; рекристаллизация при этом не может возникнуть.
Повышение прочности при ТМО определяется измельчением блоков зёрен аустенита и уплотнением дислокаций; эти особенности наследуются и мартенситом . НТМО дает наибольшее упрочнение (σв до 2800 МПа), однако при температурах НТМО аустенит менее пластичен, поэтому НТМО применяют для изделий простой формы (ленты, прутка) при небольших сечениях.