11355

Основы легирования стали. Классификация и маркировка легированных сталей

Лекция

Производство и промышленные технологии

Лекция 9. Основы легирования стали. Классификация и маркировка легированных сталей. Назначение легирования В данной лекции рассматриваются примеси вводимые в стали в определенных концентрациях с целью изменения их внутреннего строения и свойств. Такие примеси ...

Русский

2013-04-07

125.63 KB

88 чел.

Лекция 9.

Основы легирования стали. Классификация и маркировка легированных сталей.

Назначение легирования

В данной лекции рассматриваются примеси, вводимые в стали в определенных концентрациях с целью изменения их внутреннего строения и свойств. Такие примеси (элементы) называются легирующими (от греческого слова «лега» - сложнее), а стали – легированные.

В настоящее время в качестве легирующих элементов используются хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, титан, алюминий, кобальт, цирконий, марганец (не менее 1 %), кремний (не менее 1 %), бор, азот и другие – всего около 20 элементов.

Введение легирующих элементов значительно усложняет взаимодействие компонентов в стали между собой, приводит к образованию новых фаз и структурных составляющих, изменяет кинетику превращений и технологию термической обработки. Причем распределение легирующих элементов в сталях весьма разнообразно - они могут находиться в сталях:

- в свободном состоянии (медь, свинец, серебро);

- в виде интерметаллидных соединений (металла с металлом) с железом или между собой;

- в виде оксидов, сульфидов и др. неметаллических соединений (алюминий, титан и ванадий, являясь раскислителями, образуют оксиды Αℓ2О3, TiO2,V2O5);

- в карбидной фазе – в виде твердого раствора в цементите или в виде самостоятельных соединений с углеродом – специальных карбидов;

- в растворенном виде в железе.

Можно выделить основное: легирующие элементы преимущественно растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов (феррит, аустенит, цементит) или образуют специальные карбиды.

Управляя этими процессами, можно существенно улучшить свойства сталей и сформулировать цели легирования:

- создание сталей с высокой конструкционной прочностью и вязкостью;

- создание сталей с особыми свойствами (жаропрочность, жаростойкость, коррозионная стойкость и т.д.);

- создание сталей с лучшими технологическими свойствами (прокаливаемость,  качественное выполнение термической обработки, резание).

Рассмотрим взаимодействие легирующих элементов с углеродом. Углерод, взаимодействуя с железом, формирует в сталях внутренне строение и механические свойства. Введение легирующих элементов нарушает это взаимодействие. По характеру взаимодействия с углеродом легирующие элементы подразделяются на некарбидообразующие и карбидообразующие.

К некарбидообразующим элементам относятся никель, кремний, кобальт, алюминий, медь. Они растворяются во всех кристаллических состояниях железа и изменяют его свойства. Карбидообразующими элементами являются хром, марганец, молибден, вольфрам, ванадий, титан, ниобий, цирконий. Они могут растворяться в железе и образовывать карбиды двух групп:

-  со сложной кристаллической решеткой (Mn3C, Cr23C6, Cr7C6, Fe3Mo3C, Fe3W3C  и др.) сравнительно легко растворяющиеся в аустените при нагреве;

- фазы внедрения (MoC, W2C, WC, VC, TiC и др.) практически не растворяющиеся в аустените при нагреве.

Кроме того,  все карбидообразующие элементы могут растворяться в цементите, образуя легированный цементит. Все карбиды и легированный цементит обладают более высокой температурой распада и твердостью и в дисперсном виде значительно упрочняют сталь.

Влияние легирующих элементов на структуру и механические свойства сталей

Полиморфные состояния железа при образовании твердых растворов введением легирующих элементов смещаются по температуре. Все легирующие элементы по влиянию на полиморфные состояния железа можно разделить на две группы (рис. 1):

- расширяющие область гамма-железа (или легированного аустенита);

- сужающие область гамма-железа.

Рис. 1. Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа.

К первой группе относятся никель, марганец, кобальт, медь. Точка А3 железа с увеличением содержания этих элементов снижается, расширяя область существования γ-Fe на диаграмме железо-легирующий элемент. Такое состояние сплава может существовать от температуры плавления до весьма низких отрицательных температур. Такие стали называются аустенитными. Примером может служить износостойкая сталь 110Г13Л, содержащая 13 % марганца.

Ко второй группе относятся кремний, хром, вольфрам, молибден, алюминий, ванадий, титан. Точка А3  железа с увеличением содержания этих элементов повышается, расширяя область α-Fe и сужая область γ-Fe. Область α-Fe легированного феррита также может существовать от температуры плавления до весьма низких отрицательных температур. Такие стали называются ферритными. Примером может служить жаростойкая сталь Х25.

Свойства феррита существенно изменяются при введении легирующих элементов. Причиной изменения свойств является размерное несоответствие атомов легирующих элементов и железа, приводящее к искажению кристаллической решетки железа, возникновению внутренних напряжений и торможению движения дислокаций. Прочность и твердость феррита возрастает, а ударная вязкость снижается (рис. 2). Исключением является хром (до 3 %) и никель, с введением которых ударная вязкость возрастает.

Рис. 2. Влияние легирующих элементов на свойства феррита:

а – твердость; б – ударная вязкость

Кроме того, добавки никеля до 6 % снижают температурный порог хладноломкости железа до – 200 0С. Поэтому детали механизмов и машин, работающих при низких температурах, изготавливаются из сталей с добавками никеля. Остальные элементы существенно повышают температурный порог хладноломкости, что ухудшает надежность работы деталей при низких температурах из-за увеличения вероятности их разрушения.

Важнейшими точками диаграммы, позволяющими классифицировать железоуглеродистые стали, являются точки S и E. Большинство легирующих элементов сдвигают эти точки в сторону меньшего содержания углерода, что означает смещение границ для сталей и чугунов. Например, при введении 5 % хрома доэвтектоидные стали содержат до 0,6 % углерода, эвтектоидные – 0,6 %, заэвтектоидные – от 0,6 до 1,5 %. Свыше 1,5 % углерода – в структуре стали появляется ледебурит. Поэтому такие стали названы ледебуритными. Эти стали, обладая высокой износостойкостью, используются для изготовления холодных штампов.  Аналогичные закономерности наблюдаются у сталей с добавками вольфрама и молибдена, которые используются для изготовления быстрорежущего инструмента.

Кроме того, в легированных сталях совместное влияние углерода и легирующих элементов на точки А1, А3, Аm весьма сложное. Поэтому температура этих точек для каждой стали определяется экспериментально. Знание этих точек необходимо для назначения режимов термической обработки, например, для сравнения (из марочника сталей):

- сталь 45 имеет Ас1 = 730 0С, а Ас3 = 755 0С;

- сталь 45Х имеет Ас1 = 735 0С, а Ас3 = 770 0С;

- сталь 45ХН имеет Ас1 = 750 0С, а Ас3 = 790 0С;

- сталь 45ХН2МФА имеет Ас1 = 735 0С, а Ас3 = 825 0С.

Легирующие элементы существенно влияют на поведение переохлажденного аустенита. Влияние легирующего элемента на изотермический распад аустенита, а также на его распад при непрерывном охлаждении выражается в увеличении устойчивости переохлажденного аустенита. С-образные области (диффузионные и частично диффузионные превращения) на изотермических и термокинетических диаграммах сдвигаются вправо по оси времени, что обусловлено меньшей диффузионной подвижностью атомов легирующих элементов (кроме кобальта) по сравнению с атомами углерода (рис. 3). Причем, при введении некарбидообразующих элементов (никель, марганец, кремний) форма С-образной области остается такой же, как и у углеродистой стали. Введение же карбидообразующих элементов (хром, вольфрам, молибден) изменяет вид С-образной области – выделяются области диффузионного и частично диффузионного превращений и между этими областями аустенит может иметь аномально высокую устойчивость.

Рис. 3. Диаграммы изотермического распада аустенита: а – углеродистая (1, область Ап →Ф + Ц) и легированная не карбидообразующими элементами (2, область Ап →Ф + К) стали; б – углеродистая (1) и легированная карбидообразующими элементами (2, область Ап →Ф + К) стали

В целом увеличение устойчивости переохлажденного аустенита повышает прокаливаемость легированных сталей. Введение отдельных элементов, например, бора 0,001 – 0,005 % может увеличить прокаливаемость в десятки раз.

Влияние легирования на превращения при термообработке

1. При закалке (нагрев, выдержка, охлаждение со скоростью V>Vкр) углеродистых сталей из переохлажденного аустенита образуется мартенсит. Влияние легирующих элементов на рост зерна аустенита при нагреве зависит от их способности образовывать карбиды при взаимодействии с углеродом. Элементы, необразующие карбиды (никель, кобальт, кремний, медь), практически не препятствуют росту зерна аустенита, а элементы, образующие карбиды (хром, вольфрам, молибден, ванадий, титан), препятствуют росту зерна аустенита. Сохранение мелкозернистого состояния аустенита до температур 930 – 950 0С обусловлено высокой теплостойкостью карбидов, являющихся барьерами для перемещения границ зерна аустенита. Мелкоигольчатый мартенсит, полученный из мелкозернистого аустенита, обеспечивает стали повышенную вязкость.

2. Влияние легирующих элементов на мартенситное превращение выражается в изменении температурного интервала этого превращения, что отражается на количестве остаточного мартенсита в закаленной стали (рис. 4).

Рис. 4. Влияние легирующих элементов на температуру мартенситного превращения (а) и количество остаточного аустенита (б) в стали с 1, 0 % углерода

Как видно из рисунка алюминий и кобальт повышают мартенситную точку и снижают количество остаточного аустенита, но большинство легирующих элементов (марганец, молибден, хром) снижают мартенситную точку и увеличивают количество остаточного аустенита, что ухудшает качество стали после закалки. Для устранения остаточного аустенита такие стали после закалки обрабатываются холодом.

Более того, влияние легирующих элементов на поведение сталей может быть настолько значительным, что точка Мн смещается ниже комнатной температуры. В этом случае мартенситное превращение отсутствует и охлаждением фиксируется аустенитное состояние, например, при введении 5 % марганца.

3. После закалки выполняется обязательная термическая операция для повышения вязкости стали – отпуск. В процессе отпуска неравновесные фазы – мартенсит и остаточный аустенит превращаются в феррит и цементит. Это превращение протекает диффузионным путем и зависит от температуры нагрева.

Влияние легирующих элементов на отпуск стали выражается количественно и качественно. Количественное влияние легирующих элементов – уменьшение скорости превращений и повышение температуры превращений (выделение углерода α-Fe из и коагуляция карбидов). Это наиболее проявляется при введении хрома, ванадия, титана, вольфрама, молибдена, кремния. Поэтому температурные интервалы всех видов отпуска легированных сталей на 100 – 150 0С выше по сравнению с углеродистыми.

Качественное влияние легирующих элементов – карбидные превращения (преобразование легированного цементита в специальные карбиды) и влияние вторичной твердости (превращение остаточного аустенита в мартенсит и выделение дисперсных карбидов).

При отпуске некоторых легированных сталей возможны негативные явления – отпускная хрупкость. Это снижение ударной вязкости сталей, отпущенных при температуре 250 – 400 и 500 – 550 0С

Таким образом, легирование, изменяя скорости и температуру превращений, а также тепловые свойства стали, существенно влияет на режимы термической обработки. Основные особенности упрочняющей термической обработки легированных сталей по сравнению с углеродистыми заключаются в следующем:

нагрев изделий производится с меньшей скоростью в связи с уменьшением теплопроводности сталей. Пониженная теплопроводность увеличивает перепад температур по сечению изделий, а, следовательно, повышают и напряжения, вызывающие коробление и трещинообразование;

температура нагрева для получения аустенита при введении карбидообразующих элементов повышается. Труднорастворимые карбиды сдерживают рост зерна аустенита и сохраняют его мелкозернистое состояние;

охлаждение изделий возможно со значительно меньшей скоростью, так как процесс распада переохлажденного аустенита замедляется. Уменьшение критической скорости закалки позволяет охлаждать изделия в более мягком охладителе. Это уменьшает внутренние напряжения, коробление деталей, вероятность образования трещин.

увеличивается прокаливаемость сталей, что позволяет упрочнять закалкой крупные изделия во всем сечении.

Маркировка и классификация легированных сталей.

В основу классификации легированных сталей заложены четыре принципа: равновесная структура, структура после охлаждения на воздухе, состав и назначение сталей.

По равновесной структуре стали подразделяются на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные.

Эвтектоидные стали имеют перлитную структуру; доэвтектоидные и заэвтектоидные наряду с перлитом содержат  феррит или вторичные карбиды типа Ме3С. В структуре литых ледебуритных (карбидных) сталей присутствует эвтектика (ледебурит), образованная  первичными карбидами с аустенитом.

В соответствии с диаграммой Fe - C доэвтектоидные стали  содержат менее 0.8% углерода, эвтектоидные около 0.8%; заэвтектоидные 0.8 - 2.0% и ледебуритные примерно до 2.14%.

Большинство легирующих элементов сдвигает точки S и E(на диаграмме Fe-C) в сторону меньшего содержания углерода, поэтому граница между доэвтектоидными и заэвтектоидными сталями, заэвтектоидными и ледебуритными - в легированных сталях лежит при меньшем содержании углерода, чем в углеродных.

При охлаждении на спокойном воздухе образцов небольшой толщины, можно выделить три основных класса сталей: перлитный, мартенситный, аустенитный.

Получение трех классов стали обусловлено тем, что по мере увеличения содержания легирующих элементов устойчивость аустенита в перлитной области  возрастает, а температурная область мартенситного превращения понижается. Это отражено на диаграммах изотермического распада аустенита (рис. 5).

Рис. 5 Диаграмма изотермического распада аустенита для сталей перлитного (а), мартенситного (б) и аустенитного (в) классов.

Стали перлитного класса характеризуются относительно малым содержанием легирующих элементов и для них кривая скорости охлаждения на воздухе будет пересекать область перлитного распада и будут получаться структуры - перлит, сорбит, тростит.

У сталей мартенситного класса, характеризующихся большим содержанием легирующих элементов, область перлитного распада значительно сдвинута вправо - аустенит переохлаждается без распада до температур мартенситного превращения, образуется мартенсит.

Дальнейшее увеличение содержания углерода и легирующего элемента не только сдвигает область перлитного распада, но и переводит начало мартенситного превращения  в область отрицательных температур. Поэтому такая сталь, охлажденная на воздухе при комнатной температуры, сохранит аустенитное состояние.

В зависимости от вводимых элементов (по химическому составу) стали разделяются на: хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и т.п.

Кроме того, стали подразделяются по общему количеству  легирующих элементов в них на низколегированные (до 2,5% легирующих элементов), легированные (от 2,5 до 10%) и высоко легированные (более 10%).

Разновидностью классификации по химическому составу является классификация по качеству.

Качество стали - это комплекс свойств, обеспечиваемых металлургическим процессом, таких, как однородность химического состава, строения и свойств стали, ее технологичность. Эти свойства зависят от содержания газов (кислород, азот, водород) и вредных примесей - серы и фосфора.

По качеству легированные стали подразделяются на качественные (до 0.04% S и до 0.035% P ), высококачественные (до 0.025% S и до 0.025% Р) и особо высококачественные (до 0.015% S и до 0.025% Р ).

В зависимости от назначения стали можно объединить в следующие группы:

конструкционные, применяемые для изготовления различных деталей машин, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладающие определенными механическими, физическими и химическими свойствами; 

инструментальные - стали, применяемые для обработки материалов резанием или давлением и обладающие высокой твердостью, прочностью, износостойкостью и рядом других свойств.

Конструкционные стали подразделяются на:

строительные;

машиностроительные;

стали с особыми свойствами – теплоустойчивые, жаропрочные, жаростойкие, коррозионностойкие.

Маркировка легированных сталей состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав.

Каждый легирующий элемент обозначается буквой: 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, Х - хром, Ц - цирконий, Ч - редкоземельные элементы, Ю - алюминий.

Первые цифры в обозначении показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Цифры, идущие после буквы, указывают примерное содержание легирующего элемента в процентах (при содержании 1 - 1.5% и менее цифра отсутствует).

Например, сталь 20ХНЗА в среднем содержит 0.20% С;1% Cr и 3% Ni. Буква А в конце марки означает что сталь высококачественная (ограничено содержание вредных примесей S<0.03%; P<0.03%). Особовысококачественные стали имеют в конце марки букву Ш, например 30ХГС-Ш.

Некоторые группы сталей содержат дополнительные обозначения: марки подшипниковых сталей начинаются с буквы Ш, автоматных с буквы А.

В начале обозначения марки быстрорежущих сталей стоит буква Р, за которой следует цифра показывающая содержание основного легирующего элемента вольфрама в процентах (Р18, Р6М5).

Нестандартные легированные стали выплавляемые заводом "Электросталь", маркируют сочетанием букв ЭИ (исследовательская) или ЭП (пробная) и порядковым номером, например ЭИ415, ЭП617 и т.п. После промышленного освоения условное обозначение заменяют на марку, отражающую примерный состав стали.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

5690. Унификация методов количественного определения лекарственных средств 139 KB
  Унификация методов количественного определения лекарственных средств Количественное определение - это заключительный этап фармацевтического анализа. Выбор оптимального метода количественного определения зависит от возможности оценить лекарствен...
5691. Генетика вирусов. Структурная организация генома клетки 138.5 KB
  Величайшие достижения середины XX века - открытие дискретных единиц наследственности (генов), разработка хромосомной теории наследственности, развитие биохимической генетики микроорганизмов и установление принципа один ген...
5692. Россия на пути суверенного развития (1991-2001 гг.) 59.64 KB
  Россия на пути суверенного развития (1991-2001 гг.) Переход к рыночным реформам. - Политический кризис 1993 г. Принятие Конституции РФ. Первая Чеченская война. Второй срок президентства Б. Ельцина и углубление кризиса. Вторая Чеченская война. И...
5693. Ответственность за нарушение экологического законодательства 155.5 KB
  Введение. Понятие и состав экологического правонарушения. Понятие и состав экологического преступления. Административная и гражданско-правовая ответственность за экологическое правонарушения. Заключение. Цель лекции: ознакомить сту...
5694. Организация производства мясных полуфабрикатов и мясоперерабатывающего цеха 747.55 KB
  Тема данной курсовой работы в настоящее время является актуальной, так как в России на долю пищевой и перерабатывающей промышленности приходится более половины продовольственного товарооборота страны. В состав этой отрасли входит более 30 подотраслей...
5695. Организация технологического процесса по приготовлению блюд Азу по-татарски и Сочни с творогом 484.94 KB
  Организация технологического процесса по приготовлению блюд Азу по-татарски и Сочни с творогом Общая характеристика кулинарии как науки Известно ли вам, что есть на свете две профессии, которые мы знаем с самого детства? Не просто знаем, а сразу...
5696. Технология татарской кухни и ее изучение в средней общеобразовательной школе 514.84 KB
  В настоящее время наряду с традиционными кухнями люди используют в своей жизнедеятельности достижения национальных кухонь. Многочисленные путешественники называли татарскую национальную кухню сытной и вкусной,простой и изысканной...
5697. Фінансове планування. Зміст та задачі фінансового планування 442.78 KB
  Зміст та задачі фінансового планування Лекція Сутність та задачі фінансового планування на підприємстві Логічна послідовність процесу фінансового планування Інтегроване фінансове планування Види фінансового планування ...
5698. Охорона праці. Системи управління охороною праці 373.27 KB
  Міжнародні норми в галузі охорони праці Соціальне партнерство (соціальний діалог) в охороні праці. Соціальне партнерство як принцип законодавчого та нормативно-правового забезпечення охорони праці. Соціальний діалог у Європейському Союзі (ЄС...