Свойства и применение легированных сталей

3.1.

3.

2.

1.

По назначению легированные стали разделяются на конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами.

Стали перлитного класса с различным содержанием углерода нашли широкое применение как конструкционные материалы для изготовления различных конструкций и деталей машин. Для изготовления конструкций применяют преимущественно низколегированные стали с невысоким содержанием углерода, что обеспечивает им хорошую свариваемость.

Стали предназначенные для изготовления деталей машин и приборов, разделяют в зависимости от применяемой к ним термообработки на цементуемые (содержат не более 0,25% С) и улучшаемые (0,25 – 0,5% С). Детали из цементуемых сталей подвергают цементации, закалке и низкому отпуску. В результате получается твёрдая, износостойкая поверхность (НRС 56 – 62), со структурой высокоуглеродистого мартенсита и более мягкая, вязкая сердцевина (НRС 15 – 45) со структурой малоуглеродистого мартенсита [17].

Детали из улучшаемых сталей подвергают закалке в масле и высокому отпуску. Такая термообработка называется улучшением. Закалка даёт мартенситную структуру. Мартенсит при высоком отпуске распадается на сорбит, сочетающий достаточную прочность с повышенной вязкостью. Такие детали хорошо работают в условиях динамических нагрузок.

Стали, легированные кремнием, марганцем и некоторыми другими элементами и содержащие 0,5 – 0,65% С, используются для изготовления пружин и рессор. Они подвергаются закалке и среднему отпуску на тростит, который обеспечивает хорошую упругость и прочность.

К перлитному классу принадлежат и шарикоподшипниковые стали. Это высокоуглеродистые стали, легированные небольшим количеством хрома (не более 1,5%). Закалка и низкий отпуск обеспечивают им мартенситную структуру, прочность и износостойкость.

Кроме деталей машин из легированных сталей перлитного класса с высоким содержанием углерода (более 0,8%) изготавливают режущий и мерительный инструмент. Такой инструмент подвергается неполной закалке и низкому отпуску. Приобретая высокую твёрдость и износостойкость, инструмент, однако, не обладает достаточной теплостойкостью. Некоторые марки перлитных сталей используют для изготовления инструмента для горячего деформирования. Пониженное по сравнению с другими инструментальными сталями содержание углерода (от 0,3 до 0,7%) позволяет получить достаточную вязкость, т.к. такой инструмент часто работает с ударными нагрузками.

Легирующие элементы в сталях перлитного класса не оказывают существенного влияния на структуру. В основном они способствуют увеличению прокаливаемости и тем самым дают возможность получить высокие механические свойства в деталях больших сечений.

Среди сталей мартенситного класса широкое применение находят стали, содержащие около 13% хрома и до 0,4% углерода. При содержании хрома более 12,5% сталь становится коррозионностойкой. Стали этой группы хорошо сопротивляются атмосферной коррозии и коррозии в среде водяного пара, т.е. являются нержавеющими, из них изготавливают различные детали машин, требующие повышенной прочности и коррозионной стойкости, а также некоторые виды инструмента. Упрочнение достигается закалкой в масле или на воздухе на структуру мартенсита. Отпуск в зависимости от назначения может быть высоким (для деталей машин) или низким (для инструмента).

Набольшее применение среди сталей аустенитного класса находят хромоникелевые стали, содержащие около 18% хрома и 8 – 10% никеля (углерода не более 0,2%). Эти стали имеют более высокую коррозионную стойкость, чем хромистые стали мартенситного класса. В нормализованном состоянии эти стали имеют структуру, состоящую из аустенита и небольшого количества карбидов типа (FeCr)₂₃C₆. При нагреве под закалку (так называемая аустенизация) карбиды растворяются в аустените, и при резком охлаждении в воде фиксируется однофазная аустенитная структура. Однофазные структуры характеризуются более высокой коррозионной стойкостью, т.к. в этом случае уменьшается вероятность образования микрогальванических пар, вызывающих электрохимическую коррозию. Закалка аустенитных сталей не является упрочняющей операцией.

Аустенитные стали используются как кислотостойкие для изготовления химической аппаратуры, а также для деталей машин и криогенного оборудования, работающего при температурах до -253⁰ С. Стали этого класса могут использоваться и как жаростойкие, жаропрочные материалы.

Наиболее известными сталями ферритного класса являются высокохромистые стали, содержащие 17 – 30% хрома и не более 0,2% углерода. Они хорошо сопротивляются как электрохимической так и газовой коррозии при высоких температурах, т.е. являются кислотостойкими и жаростойкими (окалиностойкими). Недостатком этих сталей является низкая прочность и возникающая при перегреве (например, при сварке) крутшозернистость, которая не устраняется термической обработкой, Крупнозернистость придаёт сталям повышенную хрупкость. Используются эти стали преимущественно в отожженном состоянии.

Рассмотренные стали мартенситного, аустенитного и ферритного класса относятся с особыми свойствами.

Стали карбидного класса по назначению являются инструментальными. Они отличаются повышенной изноетойкостью и теплостойкость (красностойкостью). Благодаря этому их используют для изготовления режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания. Наилучшие режущие свойства стали приобретают после сложной термической обработки. Отожженные заготовки имеют структуру сорбитообразного перлита и карбидов. После механической обработки заготовок и придания инструменту необходимой формы он подвергается закалке и трёхкратному отпуску.

С целью выравнивания температуры по всему сечению инструмента и в избежании его деформации производится подогрев до температуры около 800° С, а затем окончательный нагрев в расплавах солей до температур 1260 – 1290° С (для стали Р18). Высокие температуры закалки необходимы для более полного растворения карбидов и получения при нагреве высоколегированного аустенита. Это обеспечивает получение после закалки в масле (или на воздухе) высоколегированного мартенсита, обладающего высокой устойчивостью против отпуска, т.е. теплостойкостью. Часть карбидов, не растворившихся при нагреве, препятствуют росту зерна аустенита [14].

В процессе охлаждения часть аустенита превращается в мартенсит. Кроме того в структуре сохраняются не растворенные карбиды и некоторое количество остаточного аустенита, т.к. точка М_к лежит ниже нуля градусов и мартенситное превращение не заканчивается. Остаточный аустенит понижает твёрдость и режущие свойства, поэтому его присутствие в структуре недопустимо.

После закалки следует отпуск при температуре около 560° С, при котором происходит превращение остаточного аустенита в мартенсит с выделением дополнительного количества дисперсных карбидов. Это сопровождается увеличением твёрдости. Чтобы весь остаточный аустенит превратился в мартенсит, отпуск проводят 3 раза подряд с выдержкой по одному часу. Для инструмента простой формы можно делать после закалки обработку холодом и однократный отпуск при 560° С.

Твёрдость стали после закалки составляет HRC 62...63, а после трёхкратного отпуска HRC 64...65. Высокая твёрдость сохраняется при последующих нагревах в процессе работы до температур до 600° С, что обеспечивает теплостойкость инструмента.

3.3. Влияние основных легирующих элементов на свойства стали

Сталь называют легированной, если в её составе, кроме обычных примесей, находятся и специально вводимые в определенных соединениях легирующие элементы, такие как хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, алюминий, бор, титан, а также марганец и кремний в количестве, которое превышает их обычное содержание как технологических примесей, то есть 1% и больше. Часто наилучшие свойства обеспечивает именно комплексное легирование.

Легирование сталей и сплавов производят для улучшения их технологических и механических свойств. Легированием можно увеличить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также значительно уменьшить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость деталей и вероятность формирования трещин. В деталях с большим сечением, диаметром свыше 15 – 20 миллиметров, механические свойства у легированных сталей значительно выше, чем те же свойства у углеродистых сталей.

Влияние примесей. Постоянные, то есть технологические примеси являются обязательными составляющими сталей и сплавов, что можно объяснить трудностью их удаления при выплавке, например фосфор и сера, в процессе раскисления, например кремний и марганец или из шахты – легированного металлического лома, например никель и хром.

К постоянным примесям относятся C, Mn, Si, S, P, а также O, H и N.

Углерод. При увеличении содержания C до 1,2% возрастают прочность, твердость, порог хладноломкости, например содержание углерода в количестве 0,1% повышает температуру порога хладноломкости на 20° С, предел текучести. При этом уменьшаются плотность, теплопроводность, вязкость, пластичность, величины относительных удлинения и сужения, а также величина остаточной индукции.

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

Марганец. Марганец внедряют в стали в виде технологической добавки для повышения степени их раскисления и устранения вредного влияния S. Марганец считается технологической примесью, если его содержание, не превышает количества 0,8%. Марганец как технологическая примесь значительного влияния на свойства стали не проявляет.

Кремний. Кремний также внедряют в сталь для раскисления. Количество Si как технологической примеси обычно не превышает количества 0,37%. Кремний как технологическая примесь особого влияния на свойства стали не оказывает. В сталях, предназначенных для сварных конструкций, содержание Si не должно превышать 0,12 – 0,25%.

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

Фосфор. Пределы содержания P как технологической примеси составляет от 0,025 до 0,045%. Фосфор, как и сера, относится к наиболее вредным примесям в сталях и сплавах. Увеличение содержания P, даже на сотые доли %, повышая прочность, одновременно повышает текучесть, хрупкость и порог хладноломкости, а так же снижает пластичность и вязкость. Вредное влияние P особенно сильно сказывает при повышенном содержании C.

Кислород и азот. Кислород и азот растворяются в незначительно малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями, такими как оксиды, нитриды, газовые фазы. Эти элементы оказывают отрицательное воздействие на свойства стали или сплава, вызывая увеличение хрупкости и порога хладноломкости, а также снижают вязкость и выносливость. При содержании кислорода более 0,03% происходит старение стали, а более 0,1% повышение красноломкости. Азот увеличивает прочность и твердость стали, но при этом снижает пластичность. Повышенное количество N вызывает деформационное старение. Старение медленно развивается при комнатной температуре и ускоряется при нагреве до 250° С.

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

Классификация. По применимости для легирования можно выделить 3 группы элементов. Применимость для легирования различных элементов определяется не столько физическими, сколько, в основном, экономическими соображениями.

- Марганец, кремний, хром, бор;

- Никель, молибден;

- Ванадий, титан, ниобий, вольфрам, цирконий.

Легирующие элементы по механизму их воздействия на свойства сталей и сплавов можно разделить на 3 группы:

- влияние на полиморфные превращения, например переход альфа-железа в гамма-железо;

- образование с углеродом карбидов, например (Сг,Fе)₇С₃; (Сr,Fе)₂₃С₆; Мо₂С;

- образование интерметаллидов, то есть интерметаллических соединений с железом, например Fе₇Мо₆; Fe₃Nb.

По характеру влияния на полиморфные превращения легирующие элементы можно разделить на 2 группы:

- элементы, такие как хром, вольфрам, молибден, ванадий, кремний, алюминий, достаточное содержание которых обеспечивает существование в сталях при всех температурах легированного феррита;

- элементы, такие как никель марганец, стабилизирующие при достаточной концентрации легированный аустенит при всех температурах.

Сплавы, только частично претерпевающие превращение гамма в альфа, называются, соответственно, полуаустенитными или полуферритными.

Легирование феррита сопровождается его упрочнением. Наиболее значительно влияют на его прочность Mn и Cr. 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 Ni, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости. Никель в свою очередь понижает порог хладноломкости.

Легированный аустенит парамагнитен, обладает большим коэффициентом теплового расширения. Легирующие элементы, в том числе N и C, растворимость которого в аустените при нормальной температуре достигает 1%, повышают его прочность при нормальной и при высокой температурах, уменьшают предел текучести.

Легированный аустенит является основной составляющей многих коррозионностойких, жаропрочных и немагнитных сплавов. Он легко наклепывается, быстро и сильно упрочняется под действием холодной деформации.

Легирующие элементы, за исключением Co, повышая устойчивость аустенита, снижают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость. Для многих аустенитных сплавов критическая скорость закалки снижается до 20° С в секунду и даже ниже, это имеет немалое практическое значение [15].

Карбидообразующие элементы, такие как железо, хром, молибден, вольфрам, ниобий, ванадий, цирконий, титан препятствуют росту зерна аустенита при нагреве. Сталь, легированная данными 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 Fe, например Fe₇Mo₆, Fe₃Nb₂. Такие соединения, как правило, отличаются повышенной твердостью и хрупкостью.

В таблицах 3.3.1, 3.3.2 представлено влияние наиболее часто применяемых легирующих элементов на свойства стали.

Таблица 3.3.1. Влияние легирующих элементов на свойства стали

Легирующий элемент	Никель	Хром	Марганец (> 1%)	Кремний (>0,8%)	Вольфрам	Медь (0,3 -0,5%)
Входит в твердый раствор с железом и упрочняет его	+	+	+	+	-	+
Увеличивает ударную вязкость	+	-	+	+	-	-
Расширяет область аустенита	+	-	+	-	-	-
Сужает область аустенита	-	+	-	+	-	-
Увеличивает прокаливаемость	+	-	+	-	-	-
Способствует раскислению	-	-	+	+	-	-
Образует устойчивые карбиды	-	+	+	-	+	-
Повышает сопротивление коррозии	+	+	+	-	-	+

Таблица 3.3.2. Влияние отдельных компонентов на свойства стали (для малоуглеродистой и низколегированной стали)

Элемент	Механические свойства	Технологические свойства
σ0	σт	δ	HB	KCU	σ-1	СВ	КорС	ХЛ	КС
Углерод	++	+	=	++	-	-	-
Марганец	+	+	-	+	-	+		+
Кремний	+	+	-	+	=		-	-
Никель	+	+		+	+		+	++
Продолжение таблицы 3.3.2.
Хром	+	+	-	++			-	++
Медь								++
Ниобий	++	+	-	+		+	+
Ванадий	+	+	-	+		++	+	+
Нитрид ванадия	++	++	-	+		+
Молибден	+	+	-	+		++	+	+
Бор	++	++	-	+	-	+	+
Титан	+	+		+	-		+
Алюминий					-
Сера	-	-		-	-	-	=			++
Фосфор	+	+	=	+	=		=	-	=
Мышьяк	-	-	-		-	-	-
Азот	++	++	=	++	=	-	-
Кислород	=	=	=	+	=	=	=	-	-	+

Примечания: - σ₀ – предел прочности - σ_т – предел текучести - δ – относительное удлинение - HB – твёрдость - KCU – ударная вязкость - σ_-1 – усталостная прочность - СВ – свариваемость - КоррС – коррозионная стойкость - ХЛ – хладноломкость - КС – красностойкость

Знаки обозначают: (+) – повышает; (++) – значительно повышает; (-) – снижает; (=) – значительно снижает; (0) – не оказывает заметного влияния.

3.4. Влияние легирующих элементов на рост зерна стали

Легирующие элементы оказывают существенное влияние и на рост зерна аустенита при нагревании. Все элементы, за исключением Мn, уменьшают склонность аустенита к росту зерна при нагревании, но их количественное влияние различно и зависит также от междуфазового распределения в стали.

Элементы, растворенные в феррите, оказывают относительно слабое влияние на рост зерна аустенита. Элементы, содержащиеся в карбидах, если образованные карбиды дисперсны и обладают значительной устойчивостью при нагревании, вызывают резкое понижение чувствительности стали к росту зерна аустенита.

Фактически зерно аустенита начинает заметно расти лишь после того, как основная масса труднорастворимых дисперсных карбидов будет переведена в твердый раствор (аустенит). Между тем карбиды многих элементов и, в частности, Ti, Nb, Zr, V полностью не переходят в твердый раствор даже в случае нагрева стали на сотни градусов выше равновесных критических точек.

Все это приводит к тому, что в присутствии указанных элементов, как это показано И. С. Гаевым и К. А. Малышевым, создается значительная устойчивость зерна аустенита при нагревании. Располагая карбидообразующие элементы в ряд по возрастающей степени устойчивости их карбидов против растворения в аустените (Сг, Mo, W, Nb, V, Zr, Ti) можно качественно судить об относительной эффективности тормозящего действия этих элементов на рост зерна аустенита при нагревании.

Al, V, Zr и Ti обладают особенностью оказывать огромное задерживающее влияние на рост зерна аустенита и в тех случаях, когда они присутствуют в стали в виде дисперсных окислов. Ценное свойство этих элементов широко используется в практике.

Незадолго до выпуска стали из печи или в момент ее выпуска, в ковш и по желобу добавляются указанные элементы в количествах порядка десятых и даже сотых процента. Вступая во взаимодействие с присутствующим в жидкой стали кислородом, эти элементы производят энергичное дополнительное раскисление стали, в результате чего в массе металла и появляются дисперсные окислы этих элементов.

Знаменательно, однако, что Al, V, Zr и Ti, введенные в сталь в количествах, измеряемых даже сотыми долями процента, оказывают тормозящее влияние на рост зерна аустенита, во много раз превосходящее эффективность действия многих других элементов, даже в тех случаях, когда последние присутствуют в стали в количествах порядка нескольких процентов [16].

Причину задерживающего влияния сильных карбидообразующих элементов, а также небольших добавок элементов-раскислителей большинство авторов видит в том, что эти элементы, образуя в стали труднорастворимые карбиды и дисперсные оксиды, тем самым создают подобие барьеров из мельчайших частиц, которые чисто механически препятствуют объединению соседних зерен в одно зерно.

Однако такой взгляд не является общепризнанным. Здесь нужны еще дополнительные исследования. Обобщая вышеизложенное, можно характеризовать интенсивность влияния отдельных элементов на рост зерна аустенита следующими данными. Элементы, уменьшающие склонность к росту зерна; энергично - Ti, V, Zr, Al; умеренно - Mo, W, Сг, слабо - Si, Ni, Co, Сu; элементы, повышающие склонность к росту зерна; Мn, а также Р и С.

3.5. Выводы

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

- Медь практически не влияет на основные механические и технологические свойства, за исключением коррозионной стойкости (значительно повышает).

- Замечено, что алюминий практически не влияет на основные технологические и механические свойства, за исключением ударной вязкости (снижает).

Заключение

В работе было проанализировано влияние основных легирующих элементов, таких как Cr, Ni, Mo, Wo, V, А1, В, Ti, Мn и Si, на свойства конструкционных улучшаемых сталей. А так же были сделаны следующие выводы:

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

- Медь практически не влияет на основные механические и технологические свойства, за исключением коррозионной стойкости (значительно повышает).

- Замечено, что алюминий практически не влияет на основные технологические и механические свойства, за исключением ударной вязкости (снижает).

Задание на выпускную квалификационную работу выполнено в полном объёме.

Список литературы

1 Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина.- 5-е изд., стереотип. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. – 648 с.: ил.

2 Перкас М. Д., Кардонский В.М. Высокопрочные мартенситно-стареющие стали. Изд-во «Металлургия», 1970, 224 с.

3 Потак Я.М. Высокопрочные стали. Серия «Успехи современного металловедения». М., «Металлургия». 1972, с. 208.

4 Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали. М.: Металлургия, 1983. 352 с.

5 Бернштейн М.Л. Термомеханическая обработка металлов и сплавов. Изд-во «Металлургия», 1968, т.1, 2.

6 Берсенев Г.А., Вылежнев В.П., Саррак В.И. МиТОМ, 1968, № 6, с.22

7 Гуляев А.П., Карчевская Н.И. МиТОМ, 1964, № 11.

8 Ревякина О.К. и др. «Термическая обработка крупногабаритных штамповок и прутков из стали 01Н18К9М5Т». МиТОМ, 1971, № 4.

9 МиТОМ, 1968, № 6, с. 6.

10 Кардонский В.М., Перкас М.Д. Сб. «Проблемы металловедения и физики металлов». М., 1968, №9.

11 Гуляев А.П., Карчевская Н.И. «ФММ» 1967, т. 23, вып. 1.

12 Беляков Л.Н., Рыжак С.С. МиТОМ,1968. №6.

13 Методы определения твёрдости металлических материалов: Учебно – справочное пособие./ А.Г. Колмаков, Ю.И. Головин, В.Ф.Терентьев, М.Б. Бакиров; Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2000. 80 с.

14 Новиков И.И. Теория термической обработки металлов / И.И. Новиков – М.: Металлургия, 1978. – 400 с.

15 Металловедение и термическая обработка стали: справ. изд. – 3-е изд., перераб. и доп. В 3-х т. Т. 1. Методы испытаний и исследования / Под ред. Бернштейна М.Л., Рахштадта А.Г. М.: Металлургия, 1983. 352 с.

16 Способы металлографического травления: Справ. изд.: Пер. с нем. Беккерт М., Клемм Х. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1988. 400 с. с ил.

Дата добавления: 2015-07-13