Лекція № 29: Вплив легуючих елементів на перетворення сталей

План

1. Легуючі елементи в сталі

2. Маркування легованих сталей

3. Класифікація легованих сталей

Легованими називають сталі, які, крім заліза, вуглецю і техно­логічних домішок, містять спеціальні домішки (легуючі елементи). Легуючі елементи вводять до складу сталі для надання їй або покра­щання певних фізичних, хімічних, механічних або технологічних властивостей. Сталі можуть містити один або кілька легуючих елементів. Наявність цих елементів приводить не тільки до зміни властивостей сталі, а й до режимів її термічної обробки. Легуючі елементи в тій чи іншій мірі розчиняються в основних фазах сталі (фериті, аустеніті, цементиті) або утворюють спеціальні карбіди. Розчинюючись у залізі, елементи впливають на температурний інтер­вал існування його алотропічних модифікацій, змінюючи критичні точки А₃ і А₄ (відповідно 911 і 1392 °С) на шкалі температур діаграми стану. Такі елементи, як Mn, Ni, Pt, С, підвищують точку А₄ і знижу­ють Л₃, тобто розширюють область існування - модифікацій заліза; Si, Al, W, Sn, Mo, V, Ті, Sb — знижують точку А₄ і підвищують А₃, тобто звужують область існування - модифікацій заліза і розширюють область існування модифікацій -заліза.

Це може призвести до того, що при певному вмісті елементів, наприклад, Мn і Ni, - стан буде існувати як стабільний від кімнатної температури до температури плавлення (аустенітні сплави). При певному вмісті таких елементів, як V, Mo, Si та інші, стабільним для всіх температур буде -стан (феритні сплави).

Багато елементів (W, Cr, Si, Mo, V, Ті) зміщують положення критичних точок на діаграмі залізовуглецевих сплавів (лінія SE) ліворуч. Внаслідок цього сталь, легована цими елементами, буде утворювати перлітну структуру при вмісті вуглецю < 0,8 %.

Важливим є вплив легуючих елементів на властивості фериту. Розчинюючись у кристалічній гратці - заліза атоми легуючих еле­ментів змінюють її параметри, підвищують характеристики міцності фериту і знижують пластичність. Найбільше підвищують міцність Si, Мn і Ni, дещо менше Mo, W, Сr. Більшість елементів, зміцнюючи ферит, незначно впливають на пластичність, проте знижують ударну в'язкість сталі (за винятком Ni). При вмісті до 1 % Мn і Сr підвищують ударну в'язкість. За умов дальшого підвищення їхнього вмісту ударна в'язкість знижується, досягаючи рівня значень нелегованого фериту при 3,0 % Сr і 1,5 % Мn.

У періодичній системі елементів ліворуч від заліза розміщені так звані перехідні метали (мають недобудовану d-оболонку порівняно з Fe) — карбідоутворюючі елементи (Ті, W, Сr, Мn, V, Nb, Mo), a праворуч — ті, що не утворюють карбідів (Co, Ni, Cu). Чим менше заповнена d- оболонка елемента, тим активніше він утворює карбіди. Карбідні фази мають високу твердість і температуру плавлення. Кількість, подрібненість, характер розміщення, морфологія і природа карбідної фази суттєво впливають на властивості легованої сталі.

Карбідоутворюючі елементи впливають не лише на ізотермічне перетворення аустеніту, а й на самий процес ізотермічного перет­ворення. При цьому утворюються карбіди, розчинні в аустеніті, які по-різному впливають на швидкість розпаду аустеніту за різних тем­ператур.

Практично важливим є здатність легуючих елементів сповільню­вати швидкість розпаду аустеніту під час перлітного перетворення. Це сприяє глибокій прогартованості і переохолодженню аустеніту до інтервалу мартенситного перетворення (зменшення V_кр).

Прогартованість значно підвищується при одночасному легуванні кількома елементами (Сr + Мо, Сr + Ni, Cr + Ni + Mo) порівняно з роздільним легуванням Mo, W, В, які також підвищують прогар­тованість сталі.

Важливим є також вплив легуючих елементів на ріст зерна сталі. Сприяють цьому росту Мn і В. Слабо впливають на розміри зерна Ni, Co, Si, Си (не утворюють карбідів). Карбідоутворюючі елементи (Сr, Mo, W, V, Ті) подрібнюють зерно і гальмують його ріст при підвищених температурах.

Класифікація і маркування легованих сталей. Державна система маркування якісної легованої сталі складається зі сполучення літер і цифр, що орієнтовно вказують на її хімічний склад. Легуючі еле­менти мають такі позначення: азот (А), ніобій (Б), вольфрам (В), марганець (Г), мідь (Д), кобальт (К), берилій (Л), молібден (М), нікель (Н), свинець (П), хром (X), бор (Р), кремній (С), титан (Т), ванадій (Ф), цирконій (Ц), алюміній (Ю), рідкісноземельні ме­тали (Ч).

Цифри після літери вказують приблизно на вміст даного легую­чого елемента. При вмісті елемента менше 1 % цифри не пишуть; при вмісті близько 1 % — пишуть цифру 1; близько 2 % — цифру 2 тощо. При маркуванні конструкційних якісних сталей цифри перед пер­шою літерою марки використовують для позначення середнього вмісту вуглецю у сотих частках процента, а у високовуглецевих інстру­ментальних сталях — в десятих частках процента. Наприклад, сталь марки 20Х містить у своєму складі 0,17... 0,23 % С, 0,7... 1,0 Сr; сталь 30ХГСН2 - 0,3 % С, до 1 % Сr, до 1 % Мn, до 1 % Si, до 2 % Ni.

Літера А у кінці марки сталі вказує на обмежений вміст сірки і фосфору (до 0,03 % кожного), а також на те, що дотримано всіх технологічних вимог металургійного процесу виробництва високо­якісної сталі, наприклад, сталь 18ХН3А. Особливо високоякісна сталь має в кінці марки позначення літерою Ш. Наприклад, сталь 95X18Ш, особливо високоякісна, виплавлена ме­тодом електрошлакового переплаву, містить 0,9...1,0 % С, 17... 19 % Сr, 0,03 % Р і 0,015 % S.

Деякі групи сталей мають додаткові позначення: марки шарикопідшипникових сталей починаються з літери Ш, швидкорізальних — з літери Р, магнітотвердих — з літери Е, автоматних — з літери А.

Для скорочення кількості знаків при маркуванні сталі іноді відступають від загальноприйнятої системи, особливо для складнолегованих сталей, і не вказують цифри, що означають вміст вуглецю або іншого елемента (інструментальні сталі з вмістом вуглецю по­над 1 %).

Класифікують леговані сталі за такими ознаками.

За хімічним складом, тобто залежно від вмісту вуглецю (низьковуглецеві до 0,25 %, середньовуглецеві — 0,25...0,6 %, високовуглецеві — 0,6...2 %) та вмісту основного легуючого елемента (хромисті, нікелеві, хромонікелеві, марганцеві тощо).

Сталі з високим вмістом легуючих елементів, що розширюють - область на діаграмі стану, утворюють клас аустенітних сталей; сталі з високим вмістом елементів, що звужують -область, і низьким вмістом вуглецю — утворюють клас феритних сталей.

Залежно від структури у рівноважному стані розрізняють: доевтектоїдні (від 0,02 до 0,8 % С), які містять у структурі перліт і надлишковий ферит; евтектоїдні (0,8 % С) з перлітною структурою; заевтектоїдні (понад 0,8 % С), які мають у структурі надлишкові (вторинні) карбіди; ледебуритні, що мають надлишкові карбіди, які виділяються з рідкої фази під час кристалізації. Останні у литому стані утворюють з аустенітом евтектику — ледебурит.

За структурою після охолодження зразків (діаметром 25 мм) на повітрі розрізняють три класи сталей: перлітний — сталі цього класу характеризує відносно низький вміст легуючих елементів; мартенситний — сталі містять дещо більшу кількість легуючих елементів; аустенітний — характеризується високим вмістом легуючих еле­ментів.

За якістю сталі поділяють на сталі звичайної якості, якісні, висо­коякісні та особливо високої якості.

За призначенням сталі можуть об'єднуватись у кілька груп:

Конструкційні — використовують для деталей машин і механізмів і зазвичай піддають термічній обробці. Своєю чергою, їх поділяють на сталі для цементації; сталі поліпшувані (гартування + високий відпуск); сталі будівельні (низьколеговані) — призначені для термічної обробки у споживача.

Інструментальні сталі використовують для виготовлення різального, штампувального і вимірюваного інстру­менту. Умовно їх поділяють на вуглецеві, леговані, штамповані, швидкорізальні.

Сталі з особливими властивостями мають певні, різко визначені властивості: жароміцні, теплостійкі, зносостійкі, неіржавіючі, з особливими магнітними або електричними властивос­тями тощо.

Питання для самоконтролю

1. Які сталі називаються легованими?

2. Як впливають легуючі елементи на критичні точки?

3. Як впливають легуючі елементи на властивості фериту?

4. Як впливають легуючі елементи на карбідну фазу?

5. Як впливають легуючі елементи на критичну швидкість охолодження.

6. Як класифікують сталі за хімічним складом, залежно від структури, за призначенням, за якістю?

7. Розшифрувати сталі: 5ХВ2С, 09Г2СД, ХВГ, 30ХГСА, Р6М5, ЕХ3, Э11, ШХ15СГ

Дата добавления: 2015-06-25