Легирующие элементы в конструкционных сталях

Основными легирующими элементами конструкционных сталей являются хром в количестве до 1,8% (чаще 0,8 – 1,1%), никель (0,5 – 4,5%), кремний (0,5 – 1,2) и марганец (0,8 – 1,8%). Вольфрам, молибден, ванадий, титан, бор и другие легирующие элементы не применяют в качестве самостоятельных присадок, а вводят в сталь в сочетании с хромом, никелем и марганцем для дополнительного улучшения свойств. Обычно в конструкционных сталях содержится 0,15 – 0,45% Мо; 0,5 – 1,2% W; 0,1 – 0,3% V; 0,06 – 0,12% Ti; 0,002 – 0,005% В. Большинство конструкционных сталей относятся к перлитному классу, а в равновесном состоянии к группе доэвтектоидных.

Легированные стали обладают лучшими механическими свойствами после термической обработки (закалки и отпуска), они сравнительно мало отличаются от механических свойств углеродистой стали в изделиях малых сечений. В изделиях крупных сечений (диаметром >15 – 20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем углеродистых. Особенно сильно повышаются предел текучести, относительное сужение и ударная вязкость. Это объясняется тем, что легированные стали обладают меньшей критической скоростью закал­ки, а, следовательно, лучшей прокаливаемостью. Кроме того, после термической обработки они имеют более мелкое зерно и более дисперсные структуры. Из-за большей прокаливаемости и меньшей критической скорости закалки замена углеродистой стали легированной позволяет производить закалку деталей в менее резких охладителях (масло, воздух), что уменьшает деформацию изделий и опасность образования трещин. Легированные стали применяют поэтому не только для крупных изделий, но и для изделий небольшого сечения, имеющих сложную форму. Чем выше в стали концентрация легирующих элементов, тем выше ее прокаливаемость.

Для достижения высокой прокаливаемости сталь чаще легируют более дешевыми элементами – марганцем, хромом и бором, а также более дорогими – никелем и молибденом. Однако следует иметь в виду, что по достижении необходимой для данного сечения прокаливаемости дальнейшее увеличение в стали легирующих элементов может не улучшить, а, напротив, ухудшить механические свойства стали. При этом повышается порог хладноломкости и уменьшается запас вязкости. Например, увеличение содержания в стали хрома или марганца до 1,0% практически не влияет на порог хладноломкости. Однако при больших их концентрациях порог хладноломкости повышается. Поэтому содержание легирующих элементов должно быть ми­нимальным, обеспечивающим необходимую для данного сечения и условий охлаждения сквозную прокаливаемость.

Чрезмерное легирование ухудшает и технологичность стали (обработку резанием, свариваемость и т. д.). Исключение составляют никель и молибден. Никель повышает сопротивление хрупкому разрушению, повышая пластичность и вязкость, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений и понижая температуру порога хладноломкости. При содержании в стали 1,0% Ni порог хладноломкости снижается на 60 – 80^сС, дальнейшее увеличение концентрации никеля до 3 – 4% вызывает менее сильное, но все же снижение порога хладноломкости. Введение 3 – 4% Ni рекомендуется для обеспечения глубокой прокаливаемости. Никель уменьшает анизотропию и повышает пластичность и вязкость в направлении поперечном волокну. Никель – дорогой металл. Поэтому чаще в конструкционные стали его вводят совместно с хромом и другими элементами и притом в предельном минимальном количестве. В сложнолегированных сталях никель также обеспечивает высокое сопротивление хрупкому разрушению.

Легирование стали небольшими количествами (до 0,1 – 0,15%) V, Ti, Nb и Zr, образующими труднорастворимые в аустените карбиды, измельчает зерно, что понижает порог хладноломкости, повышает работу распространения трещины и уменьшает чувствительность к концентраторам напряжений. При большом содержании этих элементов сопротивление стали хрупкому разрушению уменьшается.

Легирующие элементы повышают устойчивость мартенсита против отпуска и задерживают коагуляцию карбидов. Поэтому для получения требуемой прочности и твердости легированные стали подвергают отпуску при более высокой температуре, чем углеродистые. Это позволяет не только полностью снять закалочные напряжения, но и получить в стали лучшее сочетание прочности и вязкости.

После одинаковой температуры отпуска легированная сталь будет иметь более высокую прочность (твердость), но несколько меньшую пластичность и вязкость. Легирующие элементы существенно повышают прочность стали после улучшения, упрочняя ферритную основу (в том числе и за счет сохранения большей плотности дефектов строения) и увеличивая дисперсность карбидных частиц. Наиболее сильно упрочняют сталь Сr, Мо и Si.

В связи с этим легированная сталь и в отожженном (нормализованном) состоянии будет обладать большей прочностью, но меньшей пластичностью, чем углеродистая сталь. Для подавления обратимой отпускной хрупкости сталь легируют молибденом (или вольфрамом). Это очень важно для крупных изделий, в которых даже при охлаждении в воде от температур отпуска нельзя устранить эту хрупкость. Кроме указанного, молибден (вольфрам) повышает прокаливаемость (особенно в сочетании с никелем), устойчивость стали против отпуска и способствует образованию мелкозернистой стали. Молибден значительно улучшает механические свойства стали после цементации (нитроцементации) и повышает твердость и прокаливаемость цементованного слоя, так как стали, содержащие молибден, не склонны к внутреннему окислению при взаимодействии с газовым карбюризатором.

Кремний является полезным легирующим элементом для сталей, подвергаемых изотермической закалке. Стали, содержащие кремний, после изотермической закалки обеспечивают высокую вязкость и пониженную чувствительность к надрезу. Это объясняется тем, что в процессе промежуточного превращения возрастает количество высокоуглеродистого остаточного аустенита и повышается вязкость бейнита за счет уменьшения в a- фазе углерода.

Маркировка легированных конструкционных сталей. Легированные конструкционные стали маркируют цифрами и буквами, например, 15Х, 45ХФ, 12ХНЗА, 20Х2Н14А, 18ХГТ и т. д. Двузначные цифры, приводимые в начале марки, указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента; буквы справа от цифры обозначают легирующий элемент: А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, Н – никель, М – молибден, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, X – хром, Ц – цирконий, Ч – редкоземельный, Ю – алюминий.

Цифры после букв указывают примерное содержание соответствующего легирующего элемента в целых процентах; отсутствие цифры указывает, что оно составляет ~1 – 1,5% и менее. Основная масса легированных конструкционных сталей выплавляется качественными (<0,035% Р и <0,035% S). Высококачественные стали содержат меньше вредных примесей (не более 0,025% S и 0,025% Р) и обозначаются буквой А, помещенной в конце марки.

Дата добавления: 2014-12-23