Для чего в сталь вводятся легирующие элементы - GazSnabStroy.ru
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд (пока оценок нет)
Загрузка...

Для чего в сталь вводятся легирующие элементы

Влияние основных легирующих элементов на свойства стали.

Влияние отдельных компонентов на свойства стали

Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Wo, V, А1, В, Ti и др.), а также Мn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.

Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15. 20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых сталей.

Влияние примесей

Постоянные (технологические) примеси являются обязательными компонентами сталей и сплавов, что объясняется трудностью их удаления как при выплавке (Р,S). Так и в процессе раскисления (Si, Mn) или из шихты – легированного металлического лома (Ni, Cr и др.).

К постоянным примесям относят углерод, марганец, кремний, серу, фосфор, а также кислород, водород и азот.

Углерод

При увеличении содержания углерода до 1,2% возрастают прочность, твердость, порог хладноломкости (0,1%С повышает температуру порога хладноломкости на 20С), предел текучести, величина электрического сопротивления и коэрцитивная сила. При этом снижаются плотность, теплопроводность, вязкость, пластичность, величины относительных удлинения и сужения, а также величина остаточной индукции.

Существенную роль играет то, что изменение физических свойств приводит к ухудшению целого ряда технологических характеристик – таких, как деформируемость при штамповке, свариваемость и др. Так, хорошей свариваемостью отличаются низкоуглеродистые стали. Сварка средне и особенно высокоуглеродистых сталей требует применения подогрева, замедляющего охлаждение, и других технологических операций, предупреждающих образование трещин.

Марганец

Марганец вводят в стали как технологическую добавку для повышения степени их раскисления и устранения вредного влияния серы. Марганец считается технологической примесью, если его содержание, не превышает 0,8%. Марганец как технологическая примесь существенного влияния на свойства стали не оказывает.

Кремний

Кремний также вводят в сталь для раскисления. Содержание кремния как технологической примеси обычно не превышает 0,37%. Кремний как технологическая примесь влияния на свойства стали не оказывает. В сталях, предназначенных для сварных конструкций, содержание кремния не должно превышать 0,12-0,25%.

Сера

Пределы содержания серы как технологической примеси составляют 0,035-0,06%. Повышение содержания серы существенно снижает механические и физико-химические свойства сталей, в частности, пластичность, ударную вязкость, сопротивление истиранию и коррозионную стойкость. При горячем деформировании сталей и сплавов большое содержание серы ведет к красноломкости. Кроме того, повышенное содержание серы снижает свариваемость готовых изделий.

Фосфор

Пределы содержания фосфора как технологической примеси составляют 0,025-0,045%. Фосфор, как и сера, относится наиболее вредным примесям в сталях и сплавах. Увеличение его содержания, даже на доли процента, повышая прочность, одновременно повышает текучесть, хрупкость и порог хладноломкости и снижает пластичность и вязкость. Вредное влияние фосфора особенно сильно сказывается при повышенном содержании углерода.

Кислород и азот

Кислород и азот растворяются в ничтожно малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями (оксидами, нитридами, газовой фазой). Они оказывают отрицательное воздействие на свойства, вызывая повышение хрупкости и порога хладноломкости, а также снижают вязкость и выносливость. При содержании кислорода более 0,03% происходит старение стали, а более 0,1% – красноломкости. Азот увеличивает прочность и твердость стали, но снижает пластичность. Повышенное количество азота вызывает деформационное старение. Старение медленно развивается при комнатной температуре и ускоряется при нагреве до 250oС.

Водород

Увеличение его содержания в сталях и сплавах приводит к увеличению хрупкости. Кроме того, в изделиях проката могут возникнуть флокены, которые развивает водород, выделяющийся в поры. Флокены инициируют процесс разрушения. Металл, имеющий флокены, нельзя использовать в промышленности.

Влияние легирующих элементов

Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15-20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых.

Все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости.

Классификация

По применимости для легирования можно выделить три группы элементов. Применимость для легирования различных элементов определяется не столько физическими, сколько, в основном, экономическими соображениями.

Легирующие элементы по механизму их воздействия на свойства сталей и сплавов можно разделить на три группы:

  • влияние на полиморфные (альфа-Fe -> гамма-Fe) превращения;
  • образование с углеродом карбидов (Сг,Fе)7С3; (Сг,Ре)23С6; Мо2С и др.;
  • образование интерметаллидов (интерметаллических соединений) с железом – 7Мо6; Fe3Nb и др.

По характеру влияния на полиморфные превращения легирующие элементы можно разделить на две группы:

  • элементы (Cr, W, Mo, V, Si, Al и др.), достаточное содержание которых обеспечивает существование в сталях при всех температурах легированного феррита (ферритные ставы);
  • элементы (Ni, Mn и др.), стабилизирующие при достаточной концентрации легированный аустенит при всех температурах (аустенитные сплавы). Сплавы, только частично претерпевающие превращение гамма->альфа, называются, соответственно, полуаустенитными или полуферритными.

Легирование феррита сопровождается его упрочнением. Наиболее значительно влияют на его прочность марганец и хром. Причем чем мельче зерно феррита, тем выше его прочность.
Многие легирующие элементы способствуют измельчению зерен феррита и перлита в стали, что значительно увеличивает вязкость стали. Однако все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости. Никель понижает порог хладноломкости.
Легированный аустенит парамагнитен, обладает большим коэффициентом теплового расширения. Легирующие элементы, в том числе азот и углерод, растворимость которого в аустените при нормальной температуре достигает 1%, повышают его прочность при нормальной и высокой температурах, уменьшают предел текучести.
Легированный аустенит является основной составляющей многих коррозионностойких, жаропрочных и немагнитных сплавов. Он легко наклепывается, то есть быстро и сильно упрочняется под действием холодной деформации.
Легирующие элементы (исключение кобальт), повышая устойчивость аустенита, снижают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость. Для многих аустенитных сплавов критическая скорость закалки снижается до 20°С/с и ниже, что имеет большое практическое значение.
Карбидообразующие элементы: Fe – Mn – Cr – Mo – W – Nb – V – Zr – Ti (за исключением марганца) препятствуют росту зерна аустенита при нагреве. Сталь, легированная этими элементами, при одинаковой температуре сохраняет более высокую дисперсность карбидных частиц, и соответственно большую прочность.
Интерметаллиды образуются при высоком содержании легирующих элементов между этими элементами или с железом. Примером таких соединений могут служить Fe7Mo6, Fe3Nb2 и др. Интерметаллиды, как правило, отличают повышенные твердость и хрупкость.

В следующей таблице показано влияние наиболее применяемых легирующих элементов на свойства стали.

Влияние легирующих элементов на сталь – как делают идеальные сплавы?

Влияние легирующих элементов на свойства металлургических сплавов изучено по-настоящему хорошо. Благодаря этому введение в сталь различных добавок позволяет получать композиции с уникальными технологическими характеристиками.

1 Группы легирующих элементов и их обозначение

Компоненты, используемые для улучшения свойств сталей, разбивают по степени применимости на три подвида:

  1. Никель – обозначение в готовом сплаве – Н, молибден – М;
  2. Марганец – Г, хром – Х, кремний – С, бор – Р;
  3. Ванадий – Ф, ниобий – Б, титан – Т, цирконий – Ц, вольфрам – В.

К третьему подвиду относят и остальные элементы для легирования – азот (обозначение – А), медь (Д), алюминий (Ю), кобальт (К), бор (Р), фосфор (П), углерод (У), селен (Е). Отметим, что подобное деление обусловлено в основном экономическими соображениями, а не сугубо физическими.

По характеру воздействия добавок на модификации (полиморфные), наблюдаемые в сталях, все легирующие элементы делят на два типа. К первому относят компоненты, которые при любых температурах способны стабилизировать аустенит (в основном это марганец и никель). Вторая группа включает в себя элементы, которые при определенном своем содержании могут поддерживать ферритную структуру сплава (алюминий, молибден, хром, кремний, вольфрам и другие).

По механизму влияния на свойства и структуру сталей добавки причисляют к одному из трех типов:

  1. Легирующие элементы, способные создавать карбиды углерода при реакции с последним (бор, молибден, титан, цирконий).
  2. Добавки, обеспечивающие полиморфные превращения (альфа-железо в гамма-железо).
  3. Химэлементы, при использовании которых получаются интерметаллические соединения (ниобий, вольфрам).

Правильное легирование сталей подразумевает введение в их состав тех или иных добавок в строго рассчитанных количествах. При этом оптимальных результатов металлурги достигают в случае, когда “насыщение” сплавов производится комплексно.

2 Какие свойства сплавов позволяют улучшить легирующие добавки?

Легирование дает возможность снизить деформируемость изделий, производимых из различных марок стали, снизить порог хладоломкости сплавов, свести к минимуму риск появления в них трещин, значительно уменьшить скорость закалки и при этом повысить:

  • прокаливаемость;
  • ударную вязкость;
  • текучесть;
  • сужение (относительное);
  • коррозионную стойкость.

Все легирующие добавки (кроме кобальта), повышают прокаливаемость сталей и уменьшают (зачастую весьма существенно) критическую скорость закалки. Достигается это за счет увеличения устойчивости аустенита в сплавах.

Образующие карбиды элементы способны замещать атомы железа в цементите. За счет этого карбидные фазы становятся более устойчивыми. При выделении карбидов из твердых растворов наблюдается явление дисперсионного упрочнения сталей. Другими словами – сплав получает дополнительную твердость.

Также карбидообразующие добавки делают процесс коагуляции дисперсных частиц в сталях более медленным и препятствуют (при нагреве) росту аустенитных зерен. Благодаря таким легирующим компонентам сплавы становятся намного прочнее.

Аустенитную структуру улучшают любыми легирующими добавками, кроме углерода и азота.

Насыщенный добавками аустенит получает высокий показатель теплового расширения, становится парамагнитным, у него снижается предел текучести. Композиции с подобными свойствами незаменимы для выпуска немагнитных и нержавеющих сталей. Аустенитные сплавы, кроме того, прекрасно упрочняются при грамотно проведенной холодной деформации.

Стали, имеющие ферритную структуру, при легировании также обретают добавочную прочность. Максимальное влияние на этот показатель оказывает хром и марганец. Обратите внимание! Прочностные характеристики сплавов увеличиваются при снижении геометрических параметров ферритных зерен.

3 Влияние конкретных химических элементов на свойства стали – коротко об основном

Давайте посмотрим, какие именно характеристики готовых сплавов способны улучшить те или иные добавки:

  • Вольфрам создает карбиды, которые повышают красностойкость и показатели твердости стали. Также он облегчает процесс отпуска готовой продукции, снижая хрупкость стали.
  • Кобальт увеличивает магнитный потенциал металла, его ударостойкость и жаропрочность.
  • Никель повышает прокаливаемость, прочность, коррозионную стойкость, пластичность сталей и делает их более ударопрочными, снижает предел хладноломкости.
  • Титан придает сплавам высокую плотность и прочностные свойства, делает металл коррозионностойким. Стали с такой добавкой хорошо обрабатываются специальным инструментом на металлорежущих агрегатах.
  • Цирконий вводят в сплавы, когда необходимо получить в них зерна со строго определенными размерами.
  • Марганец делает металл устойчивым к износу, повышает его твердость, удароустойчивость. При этом пластичные свойства сталей остаются на прежнем уровне, что важно. Заметим – марганца нужно вводить не менее 1 %. Тогда влияние этого элемента на эксплуатационные показатели сплава будет ощутимым.
  • Медь делает металлургические композиции стойкими к ржавлению.
  • Ванадий измельчает зерно сплава, делает его прочным и очень твердым.
  • Ниобий вводят для снижения явлений коррозии в сварных изделиях, а также для повышения кислотостойкой стальных конструкций.
  • Алюминий увеличивает окалийность и жаропрочность.
  • Неодим и церий используют для сталей с заданной заранее величиной зерна, сплавов с малым содержанием серы. Эти элементы также снижают пористость металла.
  • Молибден повышает прочность сплавов на растяжение, их упругость и красностойкость. Кроме того, эта легирующая добавка делает стали стойкими к окислению при высоких температурах.
Читайте также:  Гост 3263 75 трубы стальные водогазопроводные

Больше влияние на характеристики сталей оказывает кремний. Он повышает окалийность и упругость металла. Если кремния содержится около 1,5 %, сталь становится вязкой и при этом очень прочной. А при его добавке более 1,5 % сплавы обретают свойства магнитопроницаемости и электросопротивления.

Грамотно выполненное легирование сталей обеспечивает их особыми свойствами. И современные металлургические предприятия активно используют этот процесс для выпуска широкой номенклатуры сплавов с высокими технологическими характеристиками.

ЛЕГИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В СТАЛИ

Легирующие элементы, которые вводятся в сталь для получения требуемой структуры и свойств, могут образовывать с железом следующие фазы:

легированный цементит или самостоятельные специальные карбиды;

Рис. 91. Схемы влияния легирующих элементов на полиморфизм железа

Влияние легирующих элементов на полиморфные превращения железа. Все элементы, за исключением углерода, азота, водорода, и отчасти бора г , образуют с железом твердые растворы замещения. Они растворяются в железе и влияют на положение точек Л3 и Л4, определяющих температурную область существования а- и у-железа. Легирующие элементы по влиянию на температурную область существования полиморфных модификаций железа можно разделить на две группы.

К элементам первой группы относятся никель и марганец, которые понижают температуру точки .43 и повышают температуру точки Л4. В результате этого по диаграмме состояния железо— легирующий элемент наблюдается расширение области у-фазы и сужение области существования a-фазы (рис. 91, а). Как видно из рис. 91, а, под влиянием легирующих элементов температурная точка Л4 повышается до линии солидус, а температурная точка Л8 при повышенной концентрации легирующего элемента снижается до нормальной температуры. Следовательно, сплавы, имеющие концентрацию легирующего элемента больше указанной на рис. 91, а (точка х), не испытывают фазовых превращений а =*=* у и при всех температурах представляют собой твердый раствор легирующего элемента в у-железе. Такие сплавы называют аустенитными. [1]

Рис. 92. Диаграммы состояния Fe—Ni (а) и Fe—Сг (б)

Сплавы, частично претерпевающие превращение а у, называют полу аустенитными.

На рис. 92, а, приведена диаграмма состояния сплавов Fe—Ni, иллюстрирующая описанные изменения в положении критических точек А3 и Л4.

Элементы второй группы (Сг, Mo, W, V, Al, Si и др.) понижают температуру критической точки Л4 и повышают температуру точки Л3. Это приводит к тому, что при определенной концентрации легирующих элементов (см. точку у на рис. 91, б) критические точки А г и Л3, а точнее их интервалы, сливаются, и область у-фазы полностью замыкается. При содержании легирующего элемента большем, чем указано на рис. 91, б (точка у), сплавы при всех температурах состоят из твердого раствора легирующего элемента в a-железе. Такие сплавы называют ферритными, а сплавы, имеющие лишь частичное превращение, — полуферритными. На рис. 92, б приведена диаграмма состояния сплавов Fe—Сг, характерная для этой группы элементов.

Рис. 93. Схема влияния легирующих элементов на точку (а) и содержание углерода в эвтектоиде перлите — точка S (б)

Легирующие элементы оказывают большое влияние на точку Alt соответствующую температуре перехода перлита в аустенит (рис. 93, а). Никель и марганец снижают температуру Alt a Ti, Mo, Si, W и другие элементы повышают температуру At (см. рис. 93, а). Легирующие элементы уменьшают эвтектоидную концентрацию углерода (рис. 93, б) и предельную растворимость углерода в аустените, сдвигая точки S и Е на диаграмме состояния Fe—С влево. Как видно из рис. 94, где приведены вертикальные разрезы тройной диаграммы состояния Fe—Мп—С и Fe—Сг—С, перитектическое, эвтектическое и эвтектоидное превращения протекают не при постоянной температуре, как в двойных системах, а в некотором интервале температур. В системе Fe—Мп—С у-фаза с увеличением содержания марганца существует и в области более низких температур. В системе Fe—Сг—С с возрастанием концентрации хрома область существования у-фазы сужается. Состав карбидной фазы (К) в марганцовистых сталях соответствует соединению (FeMn)aC, в котором часть атомов железа замещена атомами марганца. В хромистых сталях образуются (Fe, Сг)8С и специальные хромистые карбиды, состав и структура которых зависят от содержания углерода и хрома. При низком содержании углерода и высоком содержании хрома образуются ферритные стали, не претерпевающие полиморфного превращения (рис. 94, б).

Структура и свойства легированного феррита и аустенита.

Основой большинства современных легированных сталей является феррит, легированный одним или несколькими элементами. Легирование феррита сопровождается его упрочнением.

В первом приближении можно считать, что при легировании феррита несколькими элементами их влияние на его упрочнение

может быть просуммировано; Дсгт = КiCt, где Ct — концен-

Mo W Nb -? V -*? Zr -? Ti (расположены по возрастающей степени

сродства к углероду и устойчивости карбидных фаз).

При малом содержании в стали таких карбидообразующих элементов, как Мп, Сг, Мо и W, последние растворяются в це-

Рис. 90. Изотермические сечения тройных диаграмм состояния:

ментите, замещая в нем атомы железа. Состав цементита в этом случае может быть выражен формулой (Fe, М)3С, где М — легирующий элемент. Так, при растворении марганца в цементите образуются карбид (Fe, Мп)3С, при растворении хрома — карбид (Fe, Сг)3С.

Марганец может заместить в решетке цементита все атомы железа (Fe3C-? Мп3С), хром — до 25 ат. %, молибден — до 3 ат. % и вольфрам лишь до 0,8—1,0 ат. %. Более сильные карбидообразующие элементы (Ti, V, Nb, Zr) практически не растворяются в цементите и образуют самостоятельные специальные карбиды.

При повышенном содержании хрома, вольфрама, молибдена в зависимости от содержания углерода в стали могут образовываться специальные карбиды. На рис..96 приведены изотермические сечения (при 20 °С) части тройных диаграмм состояния Fe—Сг—С, Fe—Mo—-С и Fe—W—С; показаны фазовые области, в которых существуют разные карбидные фазы.

Если содержание хрома не превышает 2 %, то образуется легированный цементит (Fe, Сг)3С. При повышенном содержании хрома образуется специальный карбид (Сг, Fe)7Cg, при еще большем содержании хрома (

При введении вольфрама и молибдена в сталь в количестве, превышающем предел насыщения цементита этими элементами, образуются сложные карбиды Fe3Mo3C(FeaMo2C) и Fe3 W3C(Fe2VaC) (рис. 96, 0 ив) [2] .

Специальные карбиды, образуемые легирующими элементами, способны растворить железо и другие металлические элементы.

Так, например, карбид Сг7Сз при температуре 20 °С растворяет до 55 % Fe, образуя сложный карбид (CrFe)7C3, а карбид Сг23Св — до 35 % Fe, образуя карбид (Сг, Fe)23Ce.

Приняты следующие обозначения карбидов: М3С (карбиды цементигного типа), М7Сз и М23Св (карбиды, имеющие кристаллическую решетку карбидов хрома), МвС и М4С (карбиды с решеткой, в которой агомы металла расположены по типу карбидов вольфрама или молибдена), и, наконец, МС (карбиды по типу кубической гранецентрированной решетки). Под символом М подразумевается сумма металлических элементов, входящих в состав карбида.

Карбиды, образующиеся в легированных сталях, можно разделить на две группы. К первой группе относятся карбиды типа М3С, М7С3, М23Св и МвС(М4С), имеющие сложные кристаллические решетки. Карбиды этой группы сравнительно легко растворяются в аустените при нагреве.

Ко второй группе относятся карбиды типа МС: VC, TiC, NbC, ZrC, WC, TaC и Мо2С и W2C. Эти карбиды относятся к фазам внедрения. В отличие от карбидов первой группы фазы внедрения в реальных условиях нагрева стали почти не растворяются в аустените.

Интерметаллические соединения. При высоком содержании легирующие элементы образуют с железом или друг с другом интерметаллические соединения. Примером таких соединений могут служить Fe7Moe, Fe7We, Fe3Nba, Fe3Ti и др. В сплавах Fe—Сг и Fe—V образуются твердая и хрупкая а-фазы, отвечающие соединению FeCr (см. рис. 92, б), FeV. В сплавах Fe—Сг—Мо, Fe—Сг—Ni—Мо может образовываться хрупкая Я-фаза состава Fe3CrMo и др.

6. СТРУКТУРНЫЕ КЛАССЫ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Рис. 97. Структурные классы сталей в системе Fe—Сг—С

Легированные стали по структуре в условиях равновесия можно разделить на следующие классы (рис. 97): доэвтектоид- ные стали, содержащие в структуре эвтектоид и избыточный легированный феррит (рис. 98, а), эвтектоидные и заэвтектоидные стали. Последние содержат в структуре эвтектоид и избыточные (вторичные) карбиды типа М3С (рис. 98, б), выделяющиеся при охлаждении из аустенита. Доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные легированные стали независимо от структуры (дисперсности) эвтектоида или квазиэвтекто- ида обычно объединяют в один

Рис. 98. Микроструктура легированной стали различных структурных классов (Х500):

а — доэвтектоидная сталь (легированный феррит и перлит), содержащая 0,22 % С, 1,01 % Мп, 1 % Сг и ! % SI (перлитный класс); 6 — эаэвтектоидная сталь (зернистый карбид), содержащая 0,95 % С и 1,3 % Сг (перлитный класс); в — сталь ферритного класса (0,1 % С и 28 % Сг); г -« сталь аустенитного класса (0,2 % С, 8,5 % N1 и18 % Сг) д — полуаустенитная сталь; е — сталь карбидного (ледебуритного) класса (1,3 % С,

  • 12.5 % Сг) после ковки и отжига; ж — сталь карбидного (ледебуритного) класса (1,3 % С,
  • 12.5 % Сг) после литья класс — перлитные стали. Ледебуритные (карбидные)’ стали имеют в структуре в литом состоянии эвтектику типа ледебурита (рис. 98, ж). В результате ковки эвтектические карбиды принимают форму обособленных глобулей (рис. 98, е). Количество карбидов в этих сталях достигает 30—35 %. Ледебуритные стали по структуре следовало бы рассматривать как белые чугуны. Но, так как они содержат сравнительно небольшое количество углерода (

  • 7. Почему сера, фосфор, кислород и водород относятся к вредным примесям в стали?
  • 8. Какие фазы образуют легирующие элементы в стали?
  • 9. Как получить при нормальной температуре структуру аустенит?
  • 10. Какова концентрация углерода в перлите (эвтектоид) стали, содержащей

Распределение легирующих элементов в стали

Легирующие элементы растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов (феррит, аустенит, цементит) или образуют специальные карбиды. Растворение легирующих элементов происходит в результате замещения атомов железа атомами этих элементов. Эти атомы создают в решетке напряжения, которые вызывают изменение ее периода.

Изменение размеров решетки вызывает изменение свойств феррита — прочность повышается, пластичность уменьшается. Хром, молибден и вольфрам упрочняют меньше, чем никель, кремний и марганец. Молибден и вольфрам, а также кремний и марганец в определенных количествах снижают вязкость.

В сталях карбиды образуются металлами, расположенными в таблице Менделеева левее железа (хром, ванадий, титан), которые имеют менее достроенную ^/-электронную полосу. В процессе карбидо- образования углерод отдает свои валентные электроны на заполнение ^/-электронной полосы атома металла, тогда как у металла валентные электроны образуют металлическую связь, обусловливающую металлические свойства карбидов.

При соотношении атомных радиусов углерода и металла более 0,59 образуются типичные химические соединения: Fe3C, Мп3С, Cr23C6, Cr7C3, Fe3W3C — которые имеют сложную кристаллическую решетку и при нагреве растворяются в аустените. При соотношении атомных радиусов углерода и металла менее 0,59 образуются фазы внедрения: Мо2С, WC, VC, TiC, ТаС, W2C — которые имеют простую кристаллическую решетку и трудно растворяются в аустените.

Все карбиды обладают высокими твердостью и температурой плавления.

В промышленных легированных сталях, которые являются многокомпонентными системами, возможны различные случаи распределения легирующих элементов. Легирующие элементы в стали могут:

  • • находиться в свободном состоянии;
  • • образовывать с железом интерметаллические соединения;
  • • реагировать с кислородом, серой и другими элементами, образуя

оксиды, сульфиды и другие неметаллические включения;

  • • растворяться в цементите или образовывать самостоятельно с углеродом соединения — карбиды;
  • • растворяться в железе.

Рассмотрим перечисленные возможности.

  • 1. Свинец, серебро и медь не образуют соединений с железом, серебро и свинец нерастворимы в «твердом» железе, а растворимость меди порядка 1 %. Поэтому при наличии в стали свинца, серебра или меди (последней свыше 1 %) они будут находиться в свободном состоянии в виде свободных металлических включений. Однако свинцовистые и серебряные стали не применяются, а медистые стали содержат до 1% Си. Поэтому в промышленных сталях легирующие элементы в свободном виде в структуре не присутствуют.
  • 2. Образовывать химические соединения с железом, т.е. интерметаллические соединения, может большинство применяемых легирующих элементов. Однако эти соединения образуются при таком большом проценте легирующего элемента, какого не бывает в промышленных сталях. Поэтому практически можно считать, что в обычных сталях легирующие элементы интерметаллических соединений не образуют.
  • 3. Образовывать оксиды и другие неметаллические соединения могут многие элементы, имеющие большее сродство к кислороду, чем железо. Поэтому в процессе производства стали, введенные в последний момент плавки, они раскисляют сталь, отнимая кислород от железа:

где М — любой легирующий элемент — раскислитель.

В результате реакции раскисления образуются окислы: А123; ТЮ2; V25 идр.

Помимо большего сродства к кислороду некоторые элементы имеют большее сродство к сере, чем железо, и при введении их образуются сульфиды.

Количество оксидов, сульфидов и других неметаллических включений в обычных промышленных сталях невелико и зависит от метода ведения плавки. Влиянию неметаллической фазы раньше (лет 20—25 назад) придавали очень большое значение. В ряде случаев роль неметаллической фазы (например, влияние ее на рост зерна аустенита) весьма велика. Однако во многих случаях из-за малого количества неметаллической фазы ее влияние оказывается ничтожно малым.

4. Растворяться в цементите и образовывать самостоятельные карбидные фазы могут многие элементы, имеющие сродство к углероду.

О карбидообразовании в стали будет говориться дальше, здесь мы только укажем, что карбидообразующими элементами являются лишь элементы, расположенные левее железа в периодической системе элементов. Указанные элементы, кроме того, что они образуют карбиды, растворяются в железе. Следовательно, они в известной пропорции (главным образом в зависимости от содержания легирующего элемента и углерода) распределяются между этими двумя фазами.

5. Растворяется в феррите большинство обычных легирующих элементов, кроме элементов, удаленных в периодической системе от железа и металлоидов (С, N, О, В, S). Элементы, расположенные левее железа в периодической системе, распределяются между ферритом и карбидной фазой; элементы, расположенные правее железа (Со, Ni, Си и др.), только растворяются в железе, не образуя карбидов.

Таким образом, подводя итоги сказанному, можно констатировать: легирующие элементы преимущественно растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов (феррит, цементит) или образуют специальные карбиды. Назначение легирующих элементов в сталях можно сформулировать следующим образом.

Основным легирующим элементом является хром (0,8—1,2%). Он повышает прокаливаемость, способствует получению высокой и равномерной твердости стали. Порог хладноломкости хромистых сталей

Бор (0,003%) увеличивает прокаливаемость, а также повышает порог хладноломкости (+20-н—60 °С).

Марганец — увеличивает прокаливаемость, однако содействует росту зерна и повышает порог хладноломкости (до +40-н—60 °С).

Титан (-0,1%) вводят для измельчения зерна в хромомарганцевой стали.

Введение молибдена (0,15—0,46%) в хромистые стали увеличивает прокаливаемость, снижает порог хладноломкости до -20-^—120 °С. Молибден увеличивает статическую, динамическую и усталостную прочность стали, устраняет склонность к внутреннему окислению. Кроме того, молибден снижает склонность к отпускной хрупкости сталей, содержащих никель.

Ванадий в количестве 0,1—0,3% в хромистых сталях измельчает зерно и повышает прочность и вязкость.

Введение в хромистые стали никеля значительно повышает прочность и прокаливаемость, понижает порог хладноломкости, но при этом повышает склонность к отпускной хрупкости (этот недостаток компенсируется введением в сталь молибдена). Хромоникелевые стали обладают наилучшим комплексом свойств. Однако никель является дефицитным, и применение таких сталей ограниченно. Значительное количество никеля можно заменить медью, это не приводит к снижению вязкости.

При легировании хромомарганцевых сталей кремнием получают хромансиль (20ХГС, 30ХГСА) — стали, обладающие хорошим сочетанием прочности и вязкости, хорошо сваривающиеся, штампующиеся и обрабатывающиеся резанием. Кремний повышает ударную вязкость и температурный запас вязкости.

Добавка свинца, кальция улучшает обрабатываемость резанием. Применение упрочнения термической обработки улучшает комплекс механических свойств.

Таким образом, введение легирующих элементов в стали улучшает их структуру, прокаливаемость и на этой основе значительно повышает механические и другие специальные свойства [1] .

Для чего в сталь вводятся легирующие элементы

В промышленных легированных сталях, которые являются многокомпонентными системами, легирующие элементы могут находиться:

а) в свободном состоянии; б) в форме интерметаллических соединений с железом или между собой; в) в виде оксидов, сульфидов и других неметаллических включений; г) в карбидной фазе — в виде раствора в цементите или в виде самостоятельных соединений с углеродом — специальных карбидов; д) в форме раствора в железе.

Рассмотрим перечисленные возможности.

1. Свинец, серебро, медь не образуют соединений с железом; кроме того, серебро и свинец нерастворимы в твердом железе, а растворимость меди составляет примерно 1 %. Поэтому при наличии в стали даже весьма малых количеств свинца, серебра или меди (меди выше 1 %) они будут находиться в свободном состоянии в виде металлических включений. Стали, легированные серебром, а также медью при содержании ее более 1 %, применения не имеют. Следовательно, случай, когда легирующий элемент присутствует в стали в свободном состоянии, встречается весьма редко и подробного рассмотрения не заслуживает.

2. Образовывать интерметаллические соединения могут большинство применяемых легирующих элементов. Однако эти соединения образуются лишь при таких содержаниях легирующих элементов, которые практически не встречаются в обычных промышленных сталях. Поэтому можно считать, что в обычных массовых сталях интерметаллические соединения легирующих элементов не встречаются.

В высоколегированных сталях и сплавах образуются интерметаллические соединения, что имеет большое значение для этих сплавов.

3. Образовывать оксиды и другие неметаллические соединения могут многие элементы, имеющие большее сродство к кислороду, чем железо. Поэтому в процессе производства стали такие элементы, введенные в последний момент плавки, раскисляют сталь, отнимая кислород у железа:

В этой схематической формуле реакции под М подразумевается любой легирующий элемент-раскислитель. В результате реакции раскисления образуются оксиды и др.

Кроме большого сродства к кислороду, некоторые элементы имеют большее сродство к сере, чем железо, и при введении их образуются сульфиды.

Количество оксидов, сульфидов и других неметаллических включений в обычных промышленных сталях невелико и зависит от метода ведения плавки.

Больше всего неметаллических включений в кипящей мартеновской меньше в спокойной стали и еще меньше в электростали. Сталь вакуумной выплавки (а также сталь электрошлакового переплава) содержит самое небольшое количество неметаллических включений.

4. Растворяться в цементите или образовывать самостоятельные карбидные фазы могут многие элементы, имеющие сродство к углероду.

О карбидообразовании в стали будет сказано дальше. Здесь отметим, что карбидообразующими элементами являются лишь элементы, расположенные в периодической системе элементов левее железа (обведены рамкой, рис. 279).

Рис. 279. Периодическая система элементов (в рамке элементы, образующие карбиды в стали)

Указанные элементы, кроме того, что они образуют карбиды, растворяются и в железе. Следовательно, они в известной пропорции распределяются между этими двумя фазами.

5. Растворяться в железе в значительных количествах может большинство легирующих элементов, кроме углерода, азота, кислорода и бора и металлоидов, удаленных в периодической системе от железа. Элементы, расположенные в периодической системе левее железа, распределяются между железом (основой) и карбидами; элементы, расположенные правее железа (кобальт, никель, медь и другие), образуют только растворы с железом и не входят в карбиды.

Таким образом, подводя итоги, можно констатировать: легирующие элементы преимущественно растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов (феррит, аустенит, цементит) или образуют специальные карбиды

Легированные стали и особенности их сварки

Легированными называются стали, которые в своем составе содержат легирующие элементы, придающие сталям специальные свойства. Основные легирующие элементы – это хром, марганец, никель, кремний, молибден, вольфрам и другие. Легирование делается с целью изменения строения металла и придания ему определенных физико-механических свойств. Легированием можно повысить коррозионностойкость материала, его твердость, износостойкость и так далее. Ниже будут рассмотрены особенности сварки легированных сталей.

Легированные стали бывают трех видов. Это низколегированные, в которых содержание легирующих элементов не более 2,5% , среднелегированные – с содержанием 2,5% – 10% и высоколегированные – более 10%. В зависимости от присутствующих в составе материала легирующих элементов они называются хромистыми, ванадиевыми, хромоникелевыми и так далее. Каждый такой элемент в маркировке стали обозначается специальными буквами: Х – хром, М -молибден, В – вольфрам, Г – марганец, К – кобальт, Ю – алюминий, С – кремний, Н – никель, Т – титан, Ф – ванадий, Б – ниобий, А – азот, Р – бор. Легированные стали подразделяются на следующие типы: нержавеющие, жаростойкие, кислотостойкие и окалиностойкие, которые и определяют сферу применения каждой конкретной стали.

Низколегированные стали

Низколегированные стали должны обладать хорошей пластичностью, удовлетворительной свариваемостью и высокой сопротивляемостью хрупкому разрушению. Оптимальные механические свойства они приобретают после закалки или нормализации и последующего высокого отпуска. Примеры низколегированных сталей – 14Г2, 14ХГС, 15ГС и другие. Они характеризуются малым содержанием углерода ( Технология сварки низколегированных металлов

Основными показателями свариваемости низколегированных сталей являются сопротивляемость сварных соединений холодным трещинам и хрупкому разрушению. Такие металлы обычно имеют ограниченное содержание C, Ni, Si, S и P, поэтому при соблюдении режимов сварки и правильном применении присадочных материалов горячие трещины отсутствуют. Критериями при определении диапазона режимов выполнения сварочных работ и температур предварительного подогрева служат допустимые максимальная и минимальная скорости охлаждения металла околошовной зоны. Максимально допустимые скорости охлаждения принимаются таким образом, чтобы предотвратить образование холодных трещин в металле околошовной зоны. Химический состав сплавов

Электроды для сварки низколегированных сталей ручной дуговой сваркой имеют низководородное фтористо-кальциевое покрытие. Широко применяют электроды типа Э70 по ГОСТ 9467-75. Сварку выполняют постоянным током при обратной полярности. Металл, наплавленный электродами, должен соответствовать следующему химическому составу, %: С до 0,10 ; Mn 0.8…1,2 ; Si 0,2…0.4 ; Cr 0,6…1,0 ; Mo 0,2…0.4 ; Ni 1,3…1,8 ; S до 0,03 ; Р до 0,03. Сварочный ток выбирают в зависимости от марки и диаметра электрода, при этом учитывают положение шва в пространстве, вид соединения и толщину свариваемого металла. Сварку технологических участков нужно производить без перерывов, не допуская охлаждения сварного соединения ниже температуры предварительного подогрева и нагрева его перед выполнением следующего прохода выше 200С°.

Особенности сварки низколегированных сталей под флюсом заключаются в её проведении на постоянном токе обратной полярности. Сила тока при этом не должна превышать 800 А, напряжение дуги – не более 40 В, скорость сварки изменяют в пределах 13…30 м/ч. Одностороннюю однопроходную сварку применяют для соединений толщиной до 8 мм и выполняют на остающейся стальной подкладке или флюсовой подушке. Максимальная толщина соединений без разделки кромок, свариваемых двусторонними швами, не должна превышать 20 мм. Для стыковых соединений без скоса кромок (односторонних или двусторонних) используют проволоку марки Св-08ХН2М, так как швы в этом случае имеют излишне высокую прочность и применение более легированной проволоки для таких соединений нецелесообразно. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства металлов

Если сварка низкоуглеродистых и низколегированных сталей осуществляется в углекислом газе, то в качестве электрода применяют проволоку марок Св-08Г2С, Св-10ХГ2СМА, Св-08ХН2Г2СМЮ (ГОСТ 2246-70) или порошковую проволоку. При сварочных работах в смесях на основе аргона используют проволоку марки Св-08ХН2ГМЮ, которая обеспечивает высокий уровень механических свойств и хладостойкость металлических швов при сварке сталей с прочностью до 700 МПа. Проволоки указанных марок рекомендуются и для сварки угловых швов с катетом свыше 15 мм. Для угловых швов с меньшим катетом в большинстве случаев используют проволоку марки Св-08Г2С. Эту проволоку также применяют при сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей повышенной прочности 09Г2, 10Г2С1, 14Г2, 10ХСНД и 15ХСНД.

Газовая сварка низколегированных сталей характеризуется повышенным разогревом свариваемых кромок, пониженной коррозионностойкостью и усиленным выгоранием легирующих примесей. Это приводит к ухудшению качества сварных соединений по сравнению с другими способами сварки. При газовой сварке в качестве присадочного материала используют проволоку марок СВ-10Г2, Св-08, Св-08А, а для ответственных швов — Св-18ХГС и Св-18ХМА. Механические свойства шва можно повысить проковкой при температуре 800 °С — 850°С с последующей нормализацией.

Среднелегированные стали

Среднелегированные стали содержат углерод в количестве от 0,4% и более. Они легированы в основном Ni, Mo, Cr, V, W. Оптимальное сочетание прочности, вязкости и пластичности достигается после закалки и низкого отпуска. Такие среднелегированные стали, как ХВГ, ХВСГ, 9ХС, пользуются большим спросом за счет своих легирующих добавок при изготовлении сверл, разверток и протяжек.

Эти стали выплавляют из чистых шихтовых материалов для повышения пластичности и вязкости. Также их тщательным образом очищают от фосфора, серы, газов и различных неметаллических включений. В этом случае стали могут подвергаться электрошлаковому или вакуумно-дуговому переплаву, рафинированию в ковше жидкими синтетическими шлаками. Хорошее сочетание прочности, вязкости и пластичности среднелегированных сталей достигается термомеханической обработкой.

Технология сварки среднелегированных металлов

Чтобы обеспечить эксплуатационную надежность сварных соединений, нужно при выборе сварочных материалов стремиться к получению швов такого химического состава, при котором их механические свойства имели бы требуемые значения. Степень изменения этих свойств зависит от доли участия основного металла в формировании шва. Поэтому следует выбирать такие сварочные материалы, которые содержат легирующих элементов меньше, чем основной металл. Легирование металла шва за счет основного металла позволяет повысить свойства шва до необходимого уровня.

При сварке среднелегированных глубокопрокаливающихся высокопрочных сталей нужно выбирать такие сварочные материалы, которые обеспечат получение швов, обладающих высокой деформационной способностью при минимально возможном количестве водорода в сварочной ванне. Это достигается применением низколегированных сварочных электродов, не содержащих в покрытии органических веществ и подвергнутых высокотемпературной прокалке. Одновременно при выполнении сварочных работ следует исключить другие источники насыщения сварочной ванны водородом (влага, ржавчина и другие).

Для сварки среднелегированных сталей широко применяются аустенитные сварочные материалы. Для механизированной сварки и изготовления стержней электродов в ГОСТ 2246-70 предусмотрены проволоки марок Св-08Х20Н9Г7Т и Св-08Х21Н10Г6, а в ГОСТ 10052-75 – электроды типа ЭА-1Г6 и др. Электродные покрытия применяются вида Ф, а для механизированной сварки – основные флюсы. Для сварки среднелегированных высокопрочных сталей используют электроды типов Э-13Х25Н18, Э-08Х21Н10Г6 и другие по ГОСТ 10052-75 и ГОСТ 9467-75.

Высокое качество сварных соединений толщиной 3…5 мм достигается при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом. При этом для увеличения проплавляющей способности дуги применяют активирующие флюсы (АФ). Сварка с АФ эффективна при механизированных способах для получения равномерной глубины проплавления. Неплавящийся электрод при сварке с АФ выбирают из наиболее стойких в эксплуатации марок активированного вольфрама.

Газовая сварка легированных сталей осуществляется ацетиленокислородом, который обеспечивает качественный сварной шов. Газы-заменители в данном случае применять не рекомендуется. Но даже ацетиленокислород не может стопроцентно гарантировать получение качественного шва. Этого можно достичь только путем применения дуговой сварки.

Закалка стали – обязательный этап в машиностроении, так как от правильности его выполнения зависит качество продукции. Подробнее читайте в этой статье.

Высоколегированные стали

Высоколегированные стали имеют повышенно содержание легирующих элементов – Cr и Ni (обычно не ниже 16% и 7% соответственно). Они придают таким металлам соответствующую структуру и необходимые свойства. Высоколегированные стали по сравнению с менее легированными обладают высокой хладостойкостью, коррозионностойкостью, жаропрочностью и жаростойкостью. Несмотря на высокие свойства этих сталей, их основное служебное назначение определяет соответствующий подбор состава легирования. В соответствии с этим их можно разделить на три группы: жаростойкие, жаропрочные и коррозионностойкие.

После соответствующей термообработки высоколегированные стали обладают высокими прочностными и пластическими свойствами. В отличие от углеродистых при закалке эти материалы приобретают повышенные пластические свойства.

Структуры высоколегированных сталей очень разнообразны и зависят в основном от их химического состава, то есть от содержания основных элементов: хрома (ферритизатора) и никеля (аустенитизатора). Также на структуру влияет содержание других легирующих элементов-ферритизаторов (Mo, Ti, Si, Al, W, V) и аустенизаторов (Co, Cu, C, B).

Технология сварки высоколегированных металлов

Высоколегированные стали обладают комплексом положительных свойств. Поэтому одну и ту же марку иногда можно использовать для изготовления изделий различного назначения. В связи с этим и требования к свойствам сварных соединений будут индивидуальными. Это определит и различную технологию выполнения сварочных работ, направленную на получение сварного соединения с необходимыми свойствами, определяемыми составом металла шва и его структурой. Легирующие элементы – обозначение

Особенности сварки высоколегированных сталей определяются наличием у них характерных теплофизических свойств. Пониженный коэффициент теплопроводности сильно изменяет распределение температур в шве и околошовной зоне. Это увеличивает глубину проплавления основного металла, а с учетом повышенного коэффициента теплового расширения возрастает и коробление изделий. Поэтому для уменьшения коробления нужно применять способы и режимы, отличающиеся максимальной концентрацией тепловой энергии.

При ручной дуговой сварке высоколегированных сталей сварочные проволоки одной по ГОСТу марки имеют широкий допуск по химическому составу. Применением электродов с фтористокальциевым покрытием достигается получение металла шва с нужным химическим составом. Тип покрытия электродов для данной сварки диктует необходимость применения тока обратной полярности. Тщательная прокалка электродов способствует уменьшению вероятности образования в швах пор и вызываемых водородом трещин.

Газовая сварка высоколегированных сталей наименее благоприятна, для соединения этих кислотостойких сталей, которые подвержены значительной межкристаллитной коррозии. Такая сварка может использоваться для сваривания жаропрочных и жаростойких сталей толщиной 1…2 мм. Сварка ведется нормальным пламенем мощностью 70…75 л/ч на 1 мм толщины. В сварных соединениях могут образовываться большие коробления.

Сварка под флюсом высоколегированных сталей толщиной 3…50 мм имеет большое преимущество перед ручной дуговой сваркой ввиду стабильности состава и свойств металла по всей длине шва. Это достигается отсутствием частых кратеров, образующихся при смене электродов, равномерностью плавления электродной проволоки и основного металла по длине шва, а также более надежной защитой зоны сварки от окисления легирующих компонентов кислородом воздуха.

При сварке под флюсом уменьшается трудоемкость подготовительных работ, так как разделку кромок выполняют на металле толщиной свыше 12 мм (при ручной сварке – свыше 3…5 мм). Типы флюсов предопределяют их использование для сварки постоянным током обратной полярности.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector