Как влияют легирующие элементы на свойства стали
Elton-zoloto.ru

Драгоценные металлы

Как влияют легирующие элементы на свойства стали

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.
Читать еще:  Как паять BGA феном

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.

Влияние легированных элементов на свойства стали.

Лекция 11.

Классификация сталей. Химический состав

Чугун – это сплав железа с углеродом, с содержанием последнего от 2% до 7%. По структуре различают чугуны серые, белые, высокопрочные, половинчатые, ковкие.

Сталями принято называть сплавы железа с углеродом, содержание до 2,14% углерода. Кроме того, в состав сплава обычно входят марганец, кремний, сера и фосфор; некоторые элементы могут быть введены для улучшения физико-химических свойств, специально (легирующие элементы).

Классификация сталей. Химический состав

Стали, классифицируют по самым различным признакам.
В зависимости от химического состава различают стали:

· углеродистые ГОСТ 380-71, ГОСТ 380-94

· легированные ГОСТ 4543-71, ГОСТ 5632-72, ГОСТ 14959-79.

Углеродистые стали могут быть:

  • малоуглеродистыми, т. е. содержащими углерода менее 0,25%
  • среднеуглеродистыми, содержание углерода составляет 0,25-0,60%
  • высокоуглеродистыми, в которых концентрация углерода превышает 0,60%

Степень раскисления.

По степени удаления кислорода из стали, т. е. по степени её раскисления, существуют:

  • спокойные стали, т. е., полностью раскисленные; такие стали обозначаются буквами сп в конце марки (иногда буквы опускаются)
  • кипящие стали – слабо раскисленные; маркируются буквами кп (ст3)
  • полуспокойные стали, занимающие промежуточное положение между двумя предыдущими; обозначаются буквами пс

Стали, в зависимости от содержания вредных примесей: серы и фосфора-стали подразделяют на:

· Стали обыкновенного качества. Изготавливаются по ГОСТ 380 содержание примесей: до 0,06% серы и до 0,07% фосфора. Ст0, Ст1, Ст2, …Ст80 (количество углерода в сотых долях %).

  • Качественные, ГОСТ 4543 – содержит ограниченное количество внешних примесей до 0,04% серы и до 0,06% фосфора. Ст8, Ст10, Ст15, (количество углерода в сотых долях %)
  • Высококачественные – до 0,03% серы и фосфора (Cт 0,8A, Cт 10A, Cт 15A, Cт 80A).

По назначению стали бывают:

  • Конструкционные – предназначаются для изготовления различных деталей машин. Они обладают высокими показателями прочности. Такие стали в зависимости от условий работы могут подвергаться цементации или термическому улучшению.
  • Инструментальные – для изготовления инструмента (режущий, мерительный, штамповый и др.). ГОСТ – 1435. Основные требования к сталям этого типа – высокие показатели твердости и износостойкости.
  • Особого назначения предназначены для различных специальных целей и используются как коррозионностойкие, жаропрочные и магнитные и др.

Инструментальные стали подразделяются на:

· Качественные У7, У8…У13 (десятые доли % С) S,P≤0,03. Применение: ударный инструмент HRC=40÷45

· Высококачественные У7А, У8А…У13А (десятые доли % С) S,P≤0,02. Применение: резцы, фрезы, сверла, развертки HRC=60÷62.

Сталь конструкционная легированная(ГОСТ 4543-71) дороже углеродистой стали, но обладает рядом важных преимуществ: более высоким пределом текучести, возможностью управлять после закалки и отпуска прочностными и пластическими свойствами, лучшей коррозионной стойкостью и износостойкостью.

По отношению к термической обработке легированные стали подразделяются на:

· Цементируемые. К ним относятся низкоуглеродистые стали, содержащие, как правило, несколько легирующих элементов. Содержание углерода 0,1-0,2%. Характерным отличием этих сталей является их способность значительно упрочняться при цементации.

· Улучшаемые. Содержание углерода 0,25-0,45%. Эти стали поддаются термическому улучшению – закалке и отпуску.

Легированная сталь.

Легированные стали имеют в своем составе компоненты, вводимые в количествах предающих определенные специальные свойства стали: например прочность, тугоплавкость, защиту от коррозии, упругость.

Процент таких добавок, обычно, не высок, но эффект бывает поразительный. Например, сталь с содержанием не менее 1% хрома и не менее 3% никеля очень прочная, используется для ответственных соединений – болтов, гаек. После закалки такое изделие прослужит долго, несмотря на то, что процент углерода снижен, для увеличения ковкости стали.

Элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях с целью изменения ее строения и свойств, называются легирующими элементами, а

стали – легированными.

В инструментальных сталях легирующими являются молибден, в тугоплавких – вольфрам/хром, в коррозионностойких – хром, никель.

В нержавеющей стали – это долговечность, свариваемость без термообработки, нейтральность к агрессивным средам, ковкость, и т.д.

Достоинства легированных сталей:

– улучшенные легированные стали обнаруживают более высокие показатели

сопротивления пластическим деформациям (σт);

– легирующие элементы стабилизируют аустенит, поэтому прокаливаемость легированных сталей выше;

– возможно использование более «мягких» охладителей (снижается брак по закалочным трещинам и короблению), так как тормозится распад аустенита;

повышаются запас вязкости и сопротивление хладоломкости, что приводит к повышению надежности деталей машин.

Недостатки:

– подвержены обратимой отпускной хрупкости;

в высоколегированных сталях после закалки остается аустенит остаточный, который снижает твердость и сопротивляемость усталости, поэтому требуется дополнительная обработка;

– склонны к дендритной ликвации, так как скорость диффузии легирующих элементов в железе мала. Дендриты обедняются, а границы – междендритный материал – обогащаются легирующим элементом. Образуется строчечная структура после ковки и прокатки, неоднородность свойств, вдоль и поперек деформирования, поэтому необходим диффузионный отжиг.

– склонны к образованию флокенов.

Флокены – светлые пятна в изломе в поперечном сечении – мелкие трещины с различной ориентацией. Причина их появления – выделение водорода, растворенного в стали.

Все легирующие элементы увеличивают прокаливаемость стали (кроме кобальта).

Классификация легированных сталей по числулегирующих элементов:

– Fe+C+1эл – тройная сталь

– Fe+C+2эл – четверная сталь

– Fe+C+3эл – пятерная сталь

При добавлении больше 3-х элементов сталь называется сложной.

Легированные стали подразделяют на:

  • низколегированные содержание легирующих элементов 0 ÷ 2,5%
  • среднелегированные 2,5% ÷ 10% легирующих элементов
  • высоколегированные, которые содержат свыше 10% легирующих элементов.

По структуре легирования стали делятся на классы:

  • аустенитный
  • ферритный
  • перлитный
  • мартенситный
  • карбидный

По отношению к термообработке:

· азотируемая и цементируемая (20Х3МВФА)

· улучшаемая (40ХФА, 30ХГСА, 40ХН2МА)

По назначению:

· пружинные (50ХФА, 65С2ВА)

Маркировка сталей.

Качественные стали(ГОСТ 4543) маркируют следующим образом:
– в начале марки указывают содержание углерода цифрой, соответствующей его средней концентрации;
– в сотых долях процента для сталей, содержащих до 0,65% углерода;
Например:
05кп – сталь углеродистая качественная, кипящая, содержит 0,05% С
60 – сталь углеродистая качественная, спокойная, содержит 0,60% С

– в десятых долях процента для инструментальных сталей, которые дополнительно снабжаются буквой У:
Например:
У7 – углеродистая инструментальная, качественная сталь, содержащая 0,7% С, спокойная (все инструментальные стали хорошо раскислены);
У12 – углеродистая инструментальная, качественная сталь, спокойная содержит 1,2% С;

Легирующие элементы, входящие в состав стали, обозначают русскими буквами:

Обозначения компонентов
А азот N
К кобальт Co
Т титан Ti
Б ниобий Nb
М молибден Mo
Ф ванадий V
В вольфрам W
Н никель Ni
Х хром Cr
Г марганец Mn
П фосфор P
Ц цирконий Zr
Д медь Cu
Р бор B
Ю алюминий Al
E селен Se
С кремний Si
Ч редкоземельные металлы

Если после буквы, обозначающей легирующий элемент, стоит цифра, то она указывает содержание этого элемента в процентах. Если цифры нет, то сталь содержит 0,8-1,5% легирующего элемента, за исключением молибдена и ванадия (содержание которых в солях обычно до 0,2-0,3%), а также бора (в стали с буквой Р его должно быть не менее 0,0010%).
Пример обозначения:
14Г2 – низко легированная качественная сталь, спокойная, содержит приблизительно 0,14% углерода и до 2,0% марганца.

03Х16Н15М3Б – высоко легированная качественная сталь, спокойная содержит 0,03% C, 16,0% Cr, 15,0% Ni, до 3,0% Мо, до 1,0% Nb.

Высококачественные и особовысококачественные стали маркируют, так же как и качественные, но в конце марки высококачественной стали ставят букву А, (эта буква в середине марочного обозначения указывает на наличие азота, специально введённого в сталь), а после марки особовысококачественной – через тире букву Ш.
Например:
У8А – углеродистая инструментальная высококачественная сталь, содержащая 0,8% углерода;
30ХГС-III – особовысококачественная среднелегированная сталь, содержащая 0,30% углерода и от 0,8% до 1,5% хрома, марганца и кремния каждого.
Отдельные группы сталей обозначают несколько иначе.
Шарикоподшипниковые стали маркируют буквами ШХ, после которых указывают содержание хрома в десятых долях процента:
ШХ6– шарикоподшипниковая сталь, содержащая 0,6% хрома;
ШХ15ГС – шарикоподшипниковая сталь, содержащая 1,5% хрома и от 0,8 до 1,5%

Марганца и кремния.

Ш – электрошлаковый переплав.

СШ – синтетический шлак

ВД – вакумно-дуговой переплав

Влияние легированных элементов на свойства стали.

Легирующие элементы не только улучшают механические свойства стали (главным образом в термически обработанном состоянии), но в значительной степени изменяют ее физические и химические свойства.

Влияние отдельных легирующих элементов на свойства стали сводится в основном к следующему:

Углерод – вызывает упрочнение, повышает твердость, но уменьшает пластичность.

Читать еще:  Что такое дуга в сварке

Хром затрудняет рост зерна при нагреве, повышает механические свойства стали при статической и ударной нагрузке, повышает прокаливаемость и жаростойкость, режущие свойства и стойкость на истирание. При значительных количествах хрома (> 13%) сталь становится нержавеющей и жаростойкой.

Марганец >0,8% резко повышает прочность, и твердость стали, увеличивает прокаливаемость, уменьшает коробление при закалке, повышает режущие свойства стали, но вместе, с тем способствует росту зерна при нагреве, чем снижает стойкость стали к ударным нагрузкам.

Кремний до 0,4% значительно повышает упругие свойства стали, но несколько снижает ударную вязкость.

Никель повышает упругие свойства стали, не снижая вязкости, противодействует росту зерна, улучшает прокаливаемость и механические свойства стали. При значительных количествах никеля сталь становится немагнитной,

коррозионностойкой и жаропрочной.

Молибден противодействует росту зерна, повышает твердость и режущие свойства стали вследствие образования карбидов, уменьшает склонность стали к хрупкости при отпуске, повышает жаростойкость стали.

Бор – увеличивает прокаливаемость и жаропрочность стали, содержание в стали от 2 до 4% равнозначно действию 1% Ni 0,5% Cr и 0,3% Мо, измельчает зерно, повышает ударную вязкость, текучесть прокаливаемость, образует карбиды, с углеродом.

Кобальт повышает прочность стали при ударных нагрузках, улучшает жаропрочность и магнитные свойства стали.

Вольфрам, так же как и молибден, повышает твердость и режущие свойства стали, уменьшает рост зерен при нагреве, повышает жаростойкость.

Ванадий способствует раскислению стали, противодействует росту зерна, повышает твердость и режущие свойства стали.

Титан является раскислителем стали, способствуя также удалению из нее азота, благодаря чему сталь получается более плотной, однородной и жаропрочной.

Таким образом, легированная сталь удовлетворяет самым разнообразным требованиям машиностроительной промышленности и во многих случаях заменяет более дорогие цветные металлы и сплавы.

Влияние легирующих элементов на свойства стали. Виды, марки и назначение сталей

Сталь – один из самых востребованных материалов в мире сегодня. Без нее сложно представить любую существующую строительную площадку, машиностроительные предприятия, да и много других мест и вещей, которые нас окружают в повседневной жизни. Вместе с тем, этот сплав железа с углеродом бывает достаточно различным, потому в данной статье будет рассмотрено влияние легирующих элементов на свойства стали, а также ее виды, марки и предназначение.

Общая информация

Сегодня многие марки стали широко применяются практически в любой сфере жизнедеятельности человека. Это во многом объясняется тем, что в этом сплаве оптимально сочетается целый комплекс механических, физико-химических и технологических свойств, которые не имеют какие-либо другие материалы. Процесс выплавки стали непрерывно совершенствуется и потому ее свойства и качество позволяют получить требуемые показатели работы получаемых в итоге механизмов, деталей и машин.

Классификация по назначению

Каждая сталь в зависимости от того, для чего она создана, в обязательном порядке может быть причислена в одну из следующих категорий:

  • Конструкционная.
  • Инструментальная.
  • Специального назначения с особыми свойствами.

Самый многочисленный класс – это конструкционные стали, разработанные для создания разнообразных строительных конструкций, приборов, машин. Конструкционные марки разделяются на улучшаемые, цементуемые, пружинно-рессорные, высокопрочные.

Инструментальные стали дифференцируют в зависимости от того, для какого инструмента они производятся: режущего, измерительного и т. д. Само собой, что влияние легирующих элементов на свойства стали этой группы также велико.

Специальные стали имеют свое разделение, которое предусматривает следующие группы:

  • Нержавеющие (они же коррозионностойкие).
  • Жаропрочные.
  • Жаростойкие.
  • Электротехнические.

Группы сталей по химическому составу

Классификацией озвучиваются стали в зависимости от образующих их химических элементов:

  • Углеродистые марки стали.
  • Легированные.

При этом обе эти группы дополнительно разделяются еще и по количеству содержащегося в них углерода на:

  • Низкоуглеродистые (карбона менее 0,3%).
  • Среднеуглеродистые (концентрация карбона равно 0,3 – 0,7 %).
  • Высокоуглеродистые (карбона более 0,7%).

Что такое легированная сталь?

Под этим определением следует понимать стали, в которых содержатся, параллельно с постоянными примесями, еще и добавки, внедряемые в структуру сплава, с целью увеличения механических свойств полученного в конечном счете материла.

Несколько слов о качестве стали

Этот параметр данного сплава подразумевает под собой совокупность свойств, которые, в свою очередь, обуславливаются непосредственно процессом его производства. К подобным характеристикам, которым подчиняются и легированные инструментальные стали, относятся:

  • Химический состав.
  • Однородность структуры.
  • Технологичность.
  • Механические свойства.

Качество любой стали напрямую зависит от того, сколько содержится в ней кислорода, водорода, азота, серы и фосфора. Также не последнюю роль играет и метод получения стали. Самым точным с точки зрения попадния в требуемый диапазон примесей является сопособ выплавки стали в электропечах.

Легированная сталь и изменение ее свойств

Легированная сталь, марки которой содержат в своей маркировке буквенные обозначения вводимых принудительно элементов, меняет свои свойства не только от этих сторонних веществ, но и также от их взаимного действия между собой.

Если рассматривать конкретно углерод, то по взаимодействию с ним легирующие элементы можно условно разделить на две большие группы:

  • Элементы, которые формируют с углеродом химическое соединение (карбид) – молибден, хром, ванадий, вольфрам, марганец.
  • Элементы, не создающие карбидов – кремний, алюминий, никель.

Стоит заметить, что стали, которые легируются карбидобразующими веществами, имеют очень высокую твёрдость и повышенное сопротивление износу.

Низколегированная сталь (марки: 20ХГС2, 09Г2, 12Г2СМФ, 12ХГН2МФБАЮ и другие). Особое место занимает сплав 13Х, который достаточно тверд для изготовления из него хирургического, гравировального, ювелирного оборудования, бритв.

Расшифровка

Содержание легирующих элементов в стали можно определить по ее маркировке. Каждая из таких вводимых в сплав составляющих имеет своё буквенное обозначение. Например:

  • Хром – Cr.
  • Ванадий –V.
  • Марганец –Mn.
  • Ниобий – Nb.
  • Вольфрам –W.
  • Титан – Ti.

Иногда в начале индекса марки стали стоят буквы. Каждая из них несет особый смысл. В частности, буква “Р” означает, что сталь является быстрорежущей, “Ш” сигнализирует, что сталь шарикоподшипниковая, “А” – автоматная, “Э” – электротехническая и т. д. Высококачественные стали имеют в своем цифро-буквенном обозначении в конце литеру “А”, а особо качественные содержат в самом конце маркировки букву “Ш”.

Воздействие легирующих элементов

В первую очередь следует сказать, что основополагающее влияние на свойства стали оказывает углерод. Именно этот элемент обеспечивает с повышением своей концентрации увеличение прочности и твердости при снижении вязкости и пластичности. Кроме того, повышенная концентрация углерода гарантирует ухудшение обрабатываемости резанием.

Содержание хрома в стали напрямую влияет на ее коррозионную стойкость. Этот химический элемент формирует на поверхности сплава в агрессивной окислительной среде тонкую защитную оксидную пленку. Однако для достижения такого эффекта в стали хрома должно быть не менее 11,7%.

Особого внимания заслуживает алюминий. Его применяют в процессе легирования стали для удаления кислорода и азота после ее продувки, дабы поспособствовать уменьшению старения сплава. Кроме того, алюминий значительно повышает ударную вязкость и текучесть, нейтрализует крайне вредное влияние фосфора.

Ванадий – это особый легирующий элемент, благодаря которому легированные инструментальные стали получают высокую твёрдость и прочность. При этом в сплаве уменьшается зерно и повышается плотность.

Легированная сталь, марки которой содержат вольфрам, наделена высокой твёрдостью и красностойкостью. Вольфрам хорош также и тем, что он полностью устраняет хрупкость во время запланированного отпуска сплава.

Для увеличения жаропрочности, магнитных свойств и сопротивления значительным ударным нагрузкам сталь легируют кобальтом. А вот одним из тех элементов, который не оказывает какого-либо существенного влияния на сталь, является кремний. Однако в тех марках стали, которые предназначены для сварных металлоконструкций, концентрация кремния должна быть обязательно в пределах 0,12-0,25 %.

Значительно повышает механические свойства стали магний. Его также используют в качестве десульфуратора в случае использования внедоменной десульфурации чугуна.

Низколегированная сталь (марки ее содержат легирующих элементов менее 2,5%) очень часто содержит марганец, что обеспечивает ей непременное увеличение твердости, износоустойчивости при сохранении оптимальной пластичности. Но при этом концентрация этого элемента должна быть более 1%, иначе не получится достигнуть указанных свойств.

Углеродистые марки стали, выплавляемые для различных масштабных строительных конструкций, содержат в себе медь, которая обеспечивает максимальные антикоррозионные свойства.

Для увеличения красностойкости, упругости, предела прочности при растяжении и стойкости к коррозии в сталь обязательно вводят молибден, который также еще и повышает сопротивление окислению металла при нагреве до высоких температурных показателей. В свою очередь церий и неодим применяются для снижения пористости сплава.

Рассматривая влияние легирующих элементов на свойства стали, нельзя обойти вниманием и никель. Данный металл позволяет стали получить превосходную прокаливаемость и прочность, повысить пластичность и ударопрочность и понизить предел хладноломкости.

Очень широко используется в качестве легирующей добавки и ниобий. Его концентрация, в 6-10 раз превышающая количество обязательно присутсвтующего углерода в сплаве, позволяет устранить межкристаллитную коррозию нержавеющей марки стали и предохраняет сварные швы от крайне нежелательного разрушения.

Титан позволяет получить самые оптимальные показатели прочности и пластичности, а также улучшить коррозионную стойкость. Те стали, которые содержит эту добавку, очень хорошо подвергаются обработке различным инструментом специального назначения на современных металлорежущих станках.

Введение в стальной сплав циркония дает возможность получить требуемую зернистость и при необходимости оказывать влияние именно на рост зерна.

Случайные примеси

Крайне нежелательными элементами, которые очень негативно сказываются на качестве стали, являются мышьяк, олово, сурьма. Их появление в сплаве всегда приводит к тому, сталь становится очень хрупкой по границам своих зерен, что особенно заметно при смотке стальных лент и в процессе отжига низкоуглеродистых марок сталей.

Заключение

В наше время влияние легирующих элементов на свойства стали довольно хорошо изучено. Специалисты тщательно провели анализ воздействия каждой добавки в сплаве. Полученные теоретические знания позволяют металлургам уже на этапе оформления заказа сформировать принципиальную схему выплавки стали, определиться с технологией и количеством требуемых расходных материалов (руды, концентрата, окатышей, присадок и прочего). Наиболее часто сталеплавильщики использую хром, ванадий, кобальт и другие легирующие элементы, которые являются достаточно дорогостоящими.

Влияние легирующих элементов на свойства стали. Основные легирующие элементы

Влияние легирующих элементов на свойства стали очень велико. Грамотно используя разнообразные добавки, можно получить самый разный материал, с самыми различными свойствами. Однако чтобы успешно использовать легирующие элементы, необходимо знать, что это такое, как они работают и как называются.

Общее описание веществ

Итак, как уже было сказано, влияние легирующих элементов на свойства стали велико. Что же это за элементы такие? Это вещества, которые вводятся в структуру стали и влияют на ее физические и химические характеристики. Материал, который получен в результате такого вмешательства, называется легированным. Сам же процесс – это технологическая процедура, основная задача которой – это улучшение или изменение изначальных характеристик сырья. Именно благодаря этой процедуре удается изменять любые свойства стали, делая ее пригодной для использования практически в любой сфере деятельности.

Легирующие элементы первого порядка

Естественно, что имеется несколько групп веществ, которые могут оказывать какое-либо действие на материал. В зависимости от степени использования и важности есть основные и вспомогательные реактивы. Влияние легирующих элементов на свойства стали из основной группы очень большое.

Наиболее распространенным считается углерод. Несмотря на то что он используется практически в любой процедуре, его влияние не совсем однозначное. С одной стороны содержание этого вещества в структуре около 1,2% улучшает такие качества, как прочность, твердость и хладноломкость. Однако с ростом этих свойств ухудшаются другие, к примеру, теплопроводность и плотность сырья. Кроме того, даже эти показатели не считаются главными. Как и введение любого другого вещества, добавление углерода в состав стали сопровождается определенной операцией. И вот здесь возникает важная разница. В результате этой процедуры не все реактивы способны сохранить свои компоненты в изначальной форме, некоторые просто теряются. Углерод же, в свою очередь, сохраняется полностью. Другими словами, во время проведения процедуры у операторов есть возможность полного контроля и регулирования количественного содержания этого вещества в структуре.

Другие вещества первой группы

Углерод – это не единственный легирующий элемент, влияющий на свойства стали сильнейшим образом. К основной категории относят также кремний и марганец. Хотя стоит отметить, что, к примеру, добавление кремния всегда очень минимальное, примерно 0,4%, а особых изменений этот реактив в структуру не вносит. Он используется в качестве основного окисляющего и связывающего вещества. Другими словами, эти компоненты являются связующим звеном, которое позволяет добавлять в состав стали другие важные компоненты таким образом, чтобы в итоге получилась целостная и прочная структура.

Элементы второго порядка

Количество веществ, входящих в эту группу, значительно больше. Влияние легирующих элементов на структуру стали из этой группы может быть самым разнообразным. Одним из наиболее используемых веществ стал молибден. Чаще всего эта добавка используется в хромистых сталях. Введение этой присадки значительно влияет на две характеристики стали – это увеличение прокаливаемости, а также значительное понижение порога хладноломкости. Чаще всего стали с содержанием молибдена используются строительной промышленностью. Кроме того, с его помощью создаются молибденовые компоненты. Эти вещества считаются очень эффективными, так как при добавлении их в материал они гарантируют динамическую, а также статическую прочность сырья. В то же время эти компоненты значительно уменьшают вероятность внутреннего окисления.

Еще одним представителем второй категории легирующих компонентов стал титан. Применение этой присадки довольно узкое, а используется она лишь в паре с хромомарганцевыми сплавами. В таких случаях титан способствует измельчению структурных зерен в этом материале. Содержание легирующих элементов, таких как кальций и свинец, к примеру, способствует тому, что процедура резки стали будет проходить гораздо легче. Потому и используются они лишь в тех металлических заготовках, которые после производства нужно будет резать на несколько частей.

Классификация реактивов

Стоит сказать, что кроме условного разделения на такие две категории, как основные и дополнительные элементы, существует более точная классификация. К примеру, это может быть связано с таким признаком, как степень механического воздействия на структуру вещества. По этому признаку все элементы можно разделить на три группы:

  • влияние элементов, в результате которого образуются карбиды;
  • элементы, оказывающие полиморфное влияние на сталь;
  • элементы, введение которых формирует интерметаллические соединения.

Однако здесь очень важно отметить, что влияние реактивов из любой категории этого класса будет зависеть еще и от того, какие сторонние присадки будут присутствовать в сплаве. Кроме того, если углубляться в классификацию легирующих элементов в сплавах, то стоит сказать, что степень полиморфного влияния также можно разделить на несколько групп по характеру их воздействия на материал.

Общее описание улучшений посредством легирования

Если говорить в общем, то имеется несколько категорий, по которым можно разделить все легирующие элементы. Одни будут значительно влиять на механические качества материала, улучшая его технический ресурс. Чаще всего улучшаются такие показатели, как прочность, твердость, пластичность или же прокаливаемость. Еще одним направлением, на которое оказывают влияние эти элементы, являются защитные свойства. Легированная сталь отличается от обычной тем, что она значительно лучше противостоит ударам, у нее значительно выше красностойкость, повышена жаропрочность, а также улучшена стойкость к коррозии.

Некоторые сферы деятельности человека требуют улучшения таких качеств металла, которые можно отнести к электрохимическим. Если необходимо улучшить эту составляющую, то чаще всего акцентируют внимание на повышение электро- и теплопроводности, повышают сопротивляемость к окислению веществ.

Вредные присадки

Естественно, что любой процесс сопровождается еще и негативной стороной. Для легированных сталей такой стороной стало появление фосфора и серы, которые также относятся к легирующим реактивам. Однако от них стараются избавляться, а не добавлять в структуру. К примеру, наличие фосфора в составе железа сохранится даже после того, как пройдет весь процесс легирования. А взаимодействие этих двух компонентов вызывает хрупкость зерен стали. В результате продукт будет иметь более низкую прочность, а также повышенную хрупкость. Хотя стоит отметить, что если будут соединяться элементы фосфора и углерода, то будет улучшаться процесс отделения стружки, что поможет в дальнейшем легче обрабатывать сталь. Поэтому минимальное содержание фосфора все же присутствует в составе сплава.

Из основных легирующих элементов, которые считаются вредоносными, вторым стала сера. Стоит отметить, что содержание этой примеси еще хуже, чем фосфора. В частности это обусловлено тем, что сера нивелирует сопротивляемость металла внешним нагрузкам. Это значит, что наличие этого реактива в составе стали сделает ее менее устойчивой к коррозии, значительно повысит истираемость, а также снизит сопротивляемость усталости металла.

Как проходит легирование

Чаще всего процесс легирования проходит на металлургическом производстве. В расплавленную массу или же шихту добавляют необходимое количество тех веществ, которые были описаны выше. В результате последующей термической обработки происходит процесс соединения отдельных реактивов в цельную структуру и некоторая деформация. Таким образом, происходит улучшение качества сплава.

Подробное описание элементов

Далее будет представлена более подробная характеристика легирующих элементов.

Название легирующего элемента Свойства сплава
Хром Наличие этого вещества в составе сплава увеличивает его прочность и твердость, однако несколько снижается пластичность. Влияет на увеличение такой характеристики, как стойкость к коррозии. Если добавить более чем 13% хрома в структуру, то материал перейдет в группу нержавеющих сталей.
Введение этого компонента также влияет на увеличение сопротивляемости коррозии. Повышается прочность и пластичность сырья. Увеличивается степень прокаливаемости, а также изменяется коэффициент теплового расширения.
Вольфрам Присадка в виде вольфрама дает толчок к образованию таких веществ, как карбиды. Эти элементы сильно влияют на такие свойства, как красностойкость и твердость. Кроме того, устраняет процесс роста зерен во время нагрева, а также убирает хрупкость, возникающую во время отпуска изделия.
Ванадий Так же, как и хром, увеличивает прочность и твердость, однако не вызывает ухудшения пластичности. Измельчает зерно. Способствует повышению плотности стали, так как выступает в роли окислителя.
Кремний Если ввести в состав стали более 1% кремния, то это значительно увеличит прочность и сохранит вязкость материала. Также с ростом процентного содержания реактива будет увеличиваться электрическое сопротивление.
Марганец Влияние марганца на свойства стали будет происходить лишь в том случае, если его содержание будет также 1% или более. Будет расти твердость, стойкость к износу, повышаться стойкость к ударным нагрузкам. При этом пластичность материала останется прежней.
Кобальт Способствует повышению жаропрочности и магнитным свойствам сырья.
Молибден Усиливает такие характеристики, как красностойкость, упругость и предел прочности. Кроме того, увеличивает сопротивление окислению при повышенных температурах.
Титан Улучшает прочность, а также плотность стали.
Ниобий Добавление ниобия усиливает стойкость к окислению.
Алюминий Способствует измельчению зерна.
Медь Используется для сталей строительного предназначения. Улучшает стойкость к коррозии.
Цирконий Введение циркония измельчает зерно, а также позволяет получать в результате обработки материал с заранее заданной зернистостью.

Также стоит добавить, что имеется обозначение легирующих элементов, которое служит для того, чтобы можно было быстро понять, какие именно вещества использовались для улучшения структуры.

Что происходит при введении реактивов?

Не стоит думать, что добавление таких веществ не влияет на взаимодействие их между собой. Чем больше вводится разнообразных легирующих веществ, тем сложнее протекает этот процесс. Введение новых элементов создает новые фазы, изменяет процесс термической обработки, приводит к созданию новых структурных составляющих. Также здесь стоит отметить, что все элементы находятся в разном положении. Некоторые находятся в свободном состоянии (медь, свинец), некоторые образуют интерметаллидные соединения – металл-металл и т. д.

Мартенситные стали

Имеется такой вид стали, который относят к мартенситному. Введение определенных легирующих элементов в состав такого материала будет сказываться довольно негативным образом. К примеру, марганец, молибден или хром будут снижать мартенситную точку нагрева, а также способствовать увеличению аустенитного остатка. Эти качества будут негативно сказываться на конечном качестве материала после закалки.

Отпуск сырья

Присутствие легирующих элементов также оставит свой отпечаток и на отпуске стали. Большое количество реактивов будет уменьшать скорость превращения и повышать температуру, требуемую для превращения. По этой причине все легированные сплавы отпускаются при температуре на 100-150 градусов выше, чем обычные.

Подведение итогов

Процесс легирования – это сложный технологический процесс, который используется для улучшения или изменения изначальных характеристик стали. Во время этой процедуры используются основные легирующие элементы или второстепенные. Могут использоваться реактивы из обеих групп сразу. Также стоит помнить о том, что добавление некоторых элементов будет не только улучшать определенные характеристики, но и ухудшать другие. А потому прежде, чем приступить к данному процессу, необходимо проводить тщательные расчеты. Для выполнения этой задачи на заводах и фабриках присутствуют технологи, которые устанавливают состав для каждой марки стали, а также точно определяют количество, какое необходимо добавить в массу, чтобы достичь нужного эффекта.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector