Взаимодействие легирующих элементов с компонентами стали

Основными компонентами стали являются железо и углерод. Большинство легирующих элементов с железом образуют твердые растворы замещения. Исключением является бор, который обра­зует с железом твердый раствор внедрения. Многие легирующие элементы, растворяющиеся в железе, образуют также химичес­кие соединения с углеродом — специальные карбиды. Кроме того, легирующие элементы могут образовывать и другие химические соединения: с кислородом — оксиды, с азотом — нитриды. Неко­торые легирующие элементы не взаимодействуют с компонента­ми стали и находятся в свободном состоянии, образуя самостоя­тельную фазу. К таким элементам относятся серебро и свинец. Медь приблизительно до 1 % растворяется в железе, а при большем со­держании находится в свободном состоянии в виде отдельной фазы. Химические соединения легирующих элементов с углеродом и другими элементами стали также присутствуют в виде отдельной фазы. Химические соединения легирующих элементов с железом и между собой называют интерметаллидами.

Растворяясь в α-железе, легирующие элементы оказывают зна­чительное влияние на свойства стали, поскольку феррит, кото­рый является твердым раствором углерода в α-железе, занимает до 90 % в структуре сталей.

Внедрение в кристаллическую решетку феррита атомов дру­гих элементов, например, бора, искажает его кристаллическую решетку. Образование твердого раствора замещения также созда­ет напряжения в кристаллической решетке феррита, так как раз­меры атомов железа и легирующего элемента различаются. Если атомный радиус легирующего элемента меньше, чем у железа, то параметр кристаллической решетки феррита уменьшается, тогда как элементы с большим атомным радиусом увеличивают период решетки железа. Искажение кристаллической решетки α-железа вызывает соответствующее изменение свойств ферри­та. Большинство химических элементов, используемых в каче­стве легирующих, повышает прочность и снижает пластичность стали.

Однако, повышая твердость и прочность феррита, легирую­щие элементы (за исключением никеля) снижают его пластич­ность и ударную вязкость.

Наиболее широко для легирования сталей используют марга­нец, кремний, хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, ниобий, титан и бор.

Марганец, в небольших количествах содержащийся во всех ста­лях — как углеродистых, так и легированных, используется в ка­честве технологической добавки для раскисления стали и устра­нения вредного действия серы — красноломкости. В железе марга­нец растворяется в любых соотношениях, образуя твердый ра­створ. Легирующим элементом марганец считается при содержа­нии в стали более 1 %. По сравнению с другими легирующими элементами он наиболее значительно повышает прокаливаемость стали. Также марганец значительно повышает твердость стали, но при содержании его свыше 1,5 % сталь резко теряет пластичность, поэтому это содержание марганца в стали в большинстве случаев является предельным. Однако при его содержании около 13%, что является исключением из общего правила, сталь приобретает высокую износостойкость.

Введение марганца приводит к сильному росту зерен аустенита при перегреве стали. Поэтому обычно вместе с марганцем в сталь вводят карбидообразующие элементы, которые способствуют из­мельчению зерна.

Кремний — один из самых распространенных в природе эле­ментов. Это легкоокисляющийся элемент, обычно он находится в виде оксидов и его восстановление из окисленной формы требует значительных затрат энергии. В производстве стали кремний при­меняется в качестве раскислителя. При содержании в стали выше 0,5 % кремний считается легирующим элементом. В железе крем­ний растворяется в любых соотношениях. Его влияние на проч­ность и пластичность стали аналогично действию марганца. Со­держание его в легированных сталях ограничивают пределом 2 %, превышение которого приводит к резкому снижению пластично­сти стали.

Хром растворяется в цементите и образует с углеродом карби­ды, поэтому его широко используют для легирования сталей кон­струкционного назначения. Заметно упрочняя сталь, хром мало влияет на ее пластичность, существенно увеличивает прокаливаемость стали. Благодаря образованию карбидов повышает износо­стойкость стали. При содержании более 13 % придает стали корро­зионную стойкость.

Никель — один из наиболее ценных, но дефицитных легирую­щих элементов. Никель оказывает наиболее благоприятное влия­ние на свойства стали: повышает прочность, практически не умень­шая ее пластичности. В сталь никель вводят в количестве до 10 %.

Вольфрам и молибден — самые дорогие и остродефицитные, легирующие элементы. В сталь их вводят в незначительных количе­ствах: обычно в десятых долях процента. Как вольфрам, так и мо­либден сильно повышают прокаливаемость стали и, являясь силь­ными карбидообразователями, измельчают зерно. Их введение ус­траняет отпускную хрупкость II рода, присущую хромсодержащим легированным сталям.

Ванадий, ниобий, титан — сильные карбидообразователи. Их вводят для измельчения зерна в количестве не более 0,3 %, так как при большем содержании они снижают прокаливаемость ста­ли и приводят к ее охрупчиванию.

Бор вводят в микродозах до 0,005 % с целью повышения про­каливаемость стали. Этот элемент является наиболее эффектив­ной добавкой для увеличения прокаливаемость. Такой же эффект может быть достигнут при введении 0,2 % молибдена или 1 % ни­келя.

Дата добавления: 2014-01-07