Все о металле, его обработке и переработке
Партнеры
  • .

Специальные стали

СИСТЕМАТИКА ЭЛЕМЕНТОВ И СТАЛЕЙ 1. Основные определения и понятия

Специальные стали — это сплавы на основе железа, отли­чающиеся от обычных сталей особыми свойствами, обу­словленными либо их химическим составом, либо особым способом производства, либо способом их обработки (Э. Гудремон).

В большинстве случаев специальные стали содержат легирующие элементы.

Легирующими элементами называют химические эле­менты, специально введенные в сталь для получения тре­буемых строения, структуры, физико-химических и механи­ческих свойств. ‘

Основными легирующими элементами в сталях являют­ся Mn, Si, Cr, Ni, Mo W, Со, Cu, Ti, V, Zr, Nb, Al, В. В не­которых сталях легирующими элементами могут быть также Р, S, N, Se, Те, Pb, Ce, La и др. Перечисленные элемен-1 ты, а также Н, О, Sn, Sb, As, Bi могут быть также приме­сями в стали. Содержание легирующих элементов в стал№ может колебаться от тысячных долей процента до десят^ ков процентов.

Примесями называют химические элементы, перешед-4 шие в состав стали в процессе ее производства как техно­логические добавки или как составляющие шихтовых ма­териалов. Содержание примесей в стали обычно ограничи­вается следующими пределами: Mns^O,8 %, Si^O,4 %„ CrsSO,3 %, NisgO,3 %, Cu<0,3 %, MosgO,10 %, WsgO,2 P < 0,025—0,040 %, S sg 0,015—0,050 %.

Как видно, примесями и легирующими добавками мо-» гут быть одни и те же химические элементы. Отнесение их к тому или иному признаку зависит от количества и роли » стали.

Часть первая

Легированные стали — это сплавы на основе железа, в — химический состав которых специально введены легирую­щие элементы, обеспечивающие при определенных способ бах производства и обработки требуемую структуру и свойства.

В легированных сталях содержание отдельных элемен­тов больше, чем содержание этих же — элементов в виде примесей.

Некоторые легирующие элементы (V, Nb, Ti, Zr, В) могут оказывать существенное влияние на структуру и свойства стали при содержании их в сотых долях процента (В — в тысячных долях процента). Такие стали иногда на­зывают микролегированными.

Из приведенных определений видно, что понятие спе­циальные стали более широкое, чем понятие легированные стали, так как к специальным сталям, кроме легирован­ных, могут относиться и углеродистые стали, если им при­даны специальные свойства посредством определенных спо­собов производства и обработки. Так, к специальным сталям относятся следующие углеродистые стали определен­ного назначения и качества: качественные конст­рукционные, инструментальные, термичес­ки упрочненные, для холодной штампов­ки и др.

2. Классификация легирующих элементов

Согласно общепринятой классификации железо и сплавы на его основе относятся к черным металлам, а все остальные металлы и сплавы на их основе — к цветным. Легирующие элементы-металлы можно условно разделить на следующие группы:

Металлы железной группы. К ним относятся металлы кобальт, никель, а также близкий к ним по свойствам мар­ганец.

Тугоплавкие металлы. К ним относятся металлы,-имею­щие температуру плавления выше, чем у железа, т. е. вы­ше 1539 °С. Из тугоплавких металлов, наиболее часто ис­пользуемых в качестве легирующих элементов в стали, можно отметить вольфрам, молибден, ниобий, а также ва­надий и хром.

Легкие металлы. Из этой группы легирующих элемен­тов наиболее часто применяют титан и алюминий.

Редкоземельные металлы (РЗМ). К этой группе отно­сятся лантан, церий, неодим, а также близкие к ним по свойствам иттрий и скандий. Редкоземельные металлы час­то используют в виде так называемого мишметалла, со­держащего 40—45 % церия и 45—50 % всех других редко­земельных металлов.

В сплавах железо — углерод классификацию легирую­щих элементов можно проводить по степени сродства леги­рующих элементов к углероду по сравнению со сродством к нему железа. По этому признаку различают карбидооб — разующие и некарбидообразующие легирующие элементы. Карбидообразующие легирующие элементы (Ti, Zr, V, Nb» Та, Cr, Mo, W, Mn), а также железо могут образовывать в стали карбиды. Некарбидообразующие элементы (Cu, Ni» Со, Si, Al) карбидов в стали не образуют. Склонность к карбидообразованию у легирующих элементов тем силь­нее, чем менее достроена d-оболочка у металлического ато­ма (см. гл. V).

А —открытая; б — расширенная; в —закрытая; г —суженная

Легирующие элементы изменяют температуру поли­морфных превращений в железе, т. е. точки Л3 и A4, тем самым влияя на вид диаграмм железо — элемент.

По влиянию легирующих элементов на диаграмму со­стояния их можно разделить на две группы, каждая из ко­торых в свою очередь делится на две подгруппы. На рис. I приведена схема по Ф. Веферу, иллюстрирующая класси­фикацию легирующих элементов по их влиянию на поли­морфизм железа.

К первой группе относятся легирующие элементы, рас­ширяющие у-область (рис. 1 ,а, б). Расширение — у-областв будет происходить в том случае, если легирующий элемент повышает точку A4 и понижает точку Л3. При этом воз­можно существование 7-фазы во всем интервале концентра­ций (открытая 7-область) и ограничение области существо­вания 7-фазы вследствие появления новых фаз и образо­вания гетерогенных областей (расширенная -у-область).

Таким образом, легирующие элементы первой группы можно еще разделить на элементы, образующие с железом сплавы со структурой неограниченного гомогенного твер* дого раствора (рис. 1,а), к ним относятся никель, марга­нец, кобальт,, палладий, платина, и на элементы, образую­щие сплавы, в которых гомогенная область ограничивается гетерогенной вследствие образования новых фаз (рис. 1,6). К таким элементам относятся углерод, азот, медь, цинк.

Ко второй группе относятся элементы, сужающие у-об — ласть (рис. 1,в, г). Сужение 7-области будет происходить в том случае, если легирующий элемент понижает точку Л4 и повышает точку A3. При определенной концентрации ле­гирующего элемента может происходить полное замыкание •у-области. В этой группе различают также двойные систе­мы с замкнутой ^-областью и гомогенной а-областью (за­крытая 7-область, рис. 1,в) и системы, в которых 7-область ограничена областью гетерогенных структур (суженная ¦у-область, рис. 1,г).

Таким образом, легирующие элементы второй группы разделяют на элемейты, образующие с железом сплавы с полностью замкнутой — у-областью и образованием гомоген­ной а-области (бериллий, алюминий, кремний, ванадий, хром, молибден, вольфрам, титан, мышьяк, олово, сурьма), и элементы, образующие с железом сплав с суженной 7-06- ластью, ограниченной гетерогенной областью (рений).

Отметим, что приведенная схема не охватывает всего многообразия возможных вариантов влияния легирующих элементов на критические Точки железа я, следовательно, на вид диаграммы железо — легирую­Щий элемент. Так, хром, молибден, алюминий, ванадий, относящиеся Ж элементам, замыкающим v-область, вначале понижают критические точки А^ и Az и только начиная с определенной концентрации начинают яовышать точку A3. Кобальт, способствующий получению открытой ^-области, вначале повышает критическую точку A3.

Столь различное влияние легирующих элементов на полиморфизм железа и иа вид диаграмм железо — легирующий элемент обусловлено влиянием различных факторов: изоморфностью легирующего элемента одной из модификаций железа (у или а), различием атомных радиусов железа и легирующего элемента, характером и энергией межатомного взаимодействия, электронным строением атомов железа и легирующего элемента.

При легировании железа несколькими элементами одновременно их влияние иа получение у — и а-фаз не суммируется. Более того, в ряде случаев их влияние может быть даже противоположно действию этого элемента в двойном сплаве. Например, хром в тройном твердом рас­творе Fe—Cr—Ni способствует получению у-> а не а-фазы, как в двой­ных сплава’х Fe—Cr.

Легирующие элементы по-разному влияют на расшире­ние или сужение у-области на диаграмме железо — легиру­ющий элемент.-Если для углерода и азота, образующих с железом твердый раствор внедрения, расширение области ¦у-фазы связано с наличием больших позиций внедрения (октаэдрических пор) в гранецентрированной кубической

Легирующий элемент, %

Рис. 2. Влияние легирования на а-+у- превращенне в зависимости от скрытой теплоты превращения по К. Эидрюсу

Решетке (г. д. к.),^to для легирующих элементов, дающих’ с железом твердый раствор замещения, одной из причин расширения или сужения — у-области может быть изменением скрытой теплоты превращения при перестройке г. ц. к. ре — ‘ шетки в о. ц. к.. Если поглощенное тепло, приходящееся на единицу концентрации растворенного элемента в а — и у-же- лезе, выразить через ЯаИ Ят, a AH=Ha-H4, то в случае», когда АЯ положи­тельно, термодина — а мически выгодным будет существова­ние v-фазы и диа­грамма будет иметь открытую (рис. 2, а) или расширенную 7-область. В этом слу­чае две ветви кри­вой растворимости можно рассматри­вать как часть сплош­ной кривой. Если ЛЯ отрицательно, полу­чим диаграмму с закрытой 7-областью (рис. 2).

Примеры реальных диаграмм железо — легирующий элемент приведены на рис. 3.

T,°c

3. вид диаграммы состояния железо—легирующий злемент для Tl, *, LjTj Mn. Со та Ni

If