Влияние легирующих элементов.

Легирующие элементы вводят в сталь для повышения ее конструкционной прочности. Основной структурной составляющей в конструкционной стали является феррит, занимающий в структуре не менее 90% по объему. Растворяясь в феррите, легирующие элементы упрочняют его. Твердость феррита (в состоянии после нормализации) наиболее сильно повышают кремний, марганец и никель – элементы с решеткой, отличающейся от решетки α-Fe. Молибден, вольфрам и хром влияют слабее.

Большинство легирующих элементов, упрочняя феррит и мало влияя на пластичность, снижают его ударную вязкость (за исключением никеля). При содержании до 1% марганец и хром повышают ударную вязкость. Свыше этого содержания ударная вязкость снижается, достигая уровня нелегированного феррита при 3% Cr и 1,5% Mn.

Увеличение содержания углерода в стали усиливает влияние карбидной фазы, дисперсность которой зависит от термической обработки и состава сплава.

В значительной степени повышению конструктивной прочности при легированной стали способствует увеличение прокаливаемости. Наилучший результат по улучшению прокаливаемости стали достигают при ее легировании несколькими элементами, например Cr+Mo, Cr+Ni, Cr+Ni+Mo и другими сочетаниями различных элементов.

Высокая конструктивная прочность стали обеспечивается рациональным содержанием в ней легирующих элементов. Избыточное легирование (за исключением никеля) после достижения необходимой прокаливаемости приводит к снижению вязкости и облегчает хрупкое разрушение стали. Хром оказывает благоприятное влияние на механические свойства конструкционной стали. Его вводят в сталь в количестве до 2%; он растворяется в феррите и цементите.

Никель – наиболее ценный легирующий элемент. Его вводят в сталь в количестве от 1 до 5%.

Марганец вводят в сталь до 1,5%. Он распределяется между ферритом и цементитом. Марганец заметно повышает предел текучести стали, но делает сталь чувствительной к перегреву. В связи с этим, для измельчения зерна одновременно с марганцем в сталь вводят карбидообразующие элементы. Кремний является не карбидообразующим элементом, и его количество в стали ограничивают до 2%. Он значительно повышает предел текучести стали и при содержании более 1% снижает вязкость и повышает порог хладноломкости. Молибден и вольфрам являются карбидообразующими элементами, которые большей частью растворяются в цементите. Молибден в количестве 0,2-0,4% и вольфрам в количестве 0,8-1,2% в комплексно-легированных сталях способствует измельчению зерна, увеличивают прокаливаемость и улучшают некоторые другие свойства стали.

Ваннадий и титан – сильные карбидообразующие элементы, которые вводят в небольшом количестве (до 0,3% V и 0,1% Ti) в стали, содержащие хром, марганец, никель для измельчения зерна. Повышенное содержание ваннадия, молибдена и вольфрама в конструкционных сталях недопустимо из-за образования специальных труднорастворимых при нагреве карбидов. Избыточные карбиды, располагаясь по границам зерен, способствует хрупкому разрушению и снижают прокаливаемость стали. Бор вводят для увеличения прокаливаемости в очень небольших количествах (0,002-0,005%).

Маркировка легированных сталей. Марка легированной качественной стали состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав. Легирующие элементы имеют следующие обозначения: хром (Х), никель (Н), марганец (М), кремний (С), молибден (М), вольфрам (В), титан (Т), алюминий (Ю), ваннадий (Ф), медь (Д), бор (Р), кобальт (К), ниобий (Б), цирконий (Ц). Цифра, стоящая после буквы, указывает на содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра не указана, то легирующего элемента содержится до 1,5%. В конструкционных качественных легированных сталях две первые цифры марки показывают содержание углерода в сотых долях процента.

Кроме того, высококачественные легированные стали имеют в конце букву А, а особо высококачественные – Ш. Например, сталь марки 30ХГСН2А: высококачественная легированная сталь, содержит 0,30% углерода, до 1% хрома, марганца, кремния и никеля до 2%; сталь марки 95Х18Ш: особо высококачественная, выплавленная методом электрошлакового переплава с вакуумированием, содержит 0,9-1,0% углерода; 17-19% хрома, 0,030% фосфора и 0,015% серы.

Легированные конструкционные стали делят на цементуемые, улучшаемые и высокопрочные.

Цементуемые легированные стали. Цементуемые стали – это низкоуглеродистые (до 0,25% С), низко- (до 2,5%) и среднелегированные (2,5-10% суммарное содержание легирующих элементов) стали. Эти стали предназначены для деталей машин и приборов, работающих в условиях трения и испытывающие ударные и переменные нагрузки. Работоспособность таких деталей зависит от свойств сердцевины и поверхностного слоя металла. Цементуемые стали насыщают с поверхности углеродом и подвергают термической обработке (закалке и отпуску). Такая обработка обеспечивает высокую поверхностную твёрдость (HRC 58-63) и сохраняет требуемую вязкость и заданную прочность сердцевины металла.

Улучшаемые легированные стали. Это среднеуглеродистые (0,25-0,6% С) и низколегированные стали. Для обеспечения необходимых свойств (прочности, пластичности, вязкости) эти стали термически улучшают, подвергая закалке и высокому отпуску (500-600°С).

Высокопрочные легированные стали. Улучшаемые и цементуемые стали после термической обработки дают прочность σ_в=1300 МПа и вязкость до КС=0,8-1,0 МДж/м². Для создания новых современных машин такой прочности недостаточно. Необходимы стали с пределами прочности с σ_в=1500-2000 МПа. Для этих целей применяют комплексно-легированные и мартенситостареющие стали.

Комплексно-легированные стали – это среднеуглеродистые (0,25-0,6% С) легированные стали, термоупрочняемые при низком отпуске или подвергающиеся термомеханической обработке.

Мартенситостареющие стали – это новый класс высокопрочных легированных сталей на основе безуглеродистых (не более 0,03% С) сплавов железа с никелем, кобальтом, молибденом, титаном, хромом и другими элементами. Мартенситостареющие стали закаливают на воздухе от 800-860 °С с последующим старением при 450-500 °С.

Легированные инструментальные стали. Легирующие элементы, вводимые в инструментальные стали, увеличивают теплостойкость (вольфрам, молибден, кобальт, хром), закаливаемость (марганец), вязкость (никель), износостойкость (вольфрам).

В сравнении с углеродистыми легированными инструментальные стали имеют следующие преимущества: хорошую прокаливаемость, большую пластичность в отожженном состоянии, значительную прочность в закаленном состоянии, более высокие режущие свойства.

Низколегированные инструментальные стали содержат до 2,5% легирующих элементов, имеют высокую твёрдость (HRC 62-69), значительную износостойкость, но малую теплостойкость 9200-260 °С). В отличие от углеродистых сталей, их используют для изготовления инструмента более сложной формы.

В низколегированных сталях Х, 9ХС, ХВГ, ХВСГ основной легирующий элемент – хром. Сталь Х легирована только хромом. Повышенное содержание хрома значительно увеличивает ее прокаливаемость. Сталь Х прокаливается в масле полностью в сечении до 25 мм, а сталь У10 – только в сечении до 5 мм. Применяют сталь Х для изготовления токарных, строгательных и долбежных резцов.

Сталь 9ХС, кроме хрома, легирована кремнием. По сравнению со сталью Х, она имеет большую прокаливаемость – до 35 мм; повышенную теплостойкость – до 250-260 °С (сталь Х до 200-250 °С) и лучшие режущие свойства. Из стали 9ХС изготовляют сверла, развертки, фрезы, метчики, плашки. Сталь ХВГ легирована хромом, вольфрамом, марганцем; имеет прокаливаемость на глубину до 45 мм. Сталь ХВГ используют для производства крупных и длинных протяжек, длинных метчиков, длинных разверток. Сталь ХВСГ – сложнолегированная сталь по сравнению со сталями 9ХС и ХВГ лучше закаливается и прокаливается. При охлаждении в масле она прокаливается полностью в сечении до 80 мм. Она меньше чувствительна к перегреву. Теплостойкость ее такая же, как у стали 9ХС. Сталь ХВСГ применяют для изготовления крупных плашек, разверток, крупных протяжек и другого режущего инструмента.

Высоколегированные инструментальные стали содержат вольфрам, хром и ванадий в большом количестве (до 18% основного легирующего элемента); имеет высокую теплостойкость (600-640 °С). Их используют для изготовления высокопроизводительного режущего инструмента, предназначенного для обработки высокопрочных сталей и других труднообрабатываемых материалов. Такие стали называют инструментальными быстрорежущими. Быстрорежущие стали обозначают буквой Р, цифра после которой указывает содержание вольфрама. Содержание хрома (4%) и ванадия (2%) в марках быстрорежущих сталей не указывают. В некоторые быстрорежущие стали дополнительно вводят в молибден, кобальт и большое количество ванадия. Марки таких сталей содержат буквы М, К, Ф и цифры, указывающие их количество. Наиболее распространены Р18, Р9, Р10К5Ф5 и другие быстрорежущие стали.

Для изготовления измерительных инструментов применяют Х, ХВГ стали. Для измерительного инструмента (особенно высоких классов точности) большое значение имеет постепенное изменение размеров закаленного инструмента перераспределением внутренних напряжений. Поэтому при термической обработке измерительного инструмента большое внимание уделяется стабилизации напряженного состояния. Это достигается соответствующим режимом низкого отпуска – при температуре 120-130 °С в течении 15-20 ч. и обработкой при температурах ниже нуля (до -60 °С). Штампы холодного деформирования небольших размеров (сечением 25-30 мм), простой формы, работающие в легких условиях, изготавливают из углеродистых сталей У10, У11, У12. Штампы сечением 75-100 мм более сложной формы и для более тяжелых условий работы изготовляют из сталей повышенной прокаливаемости Х, ХВГ.

Для изготовления инструмента с высокой твердостью и повышенной износостойкостью, а также с малой деформируемостью при закалке используют стали с высокой прокаливаемостью и износостойкостью, например высокохромистую сталь Х12Ф1 (11-12% Cr; 0,7-0,9% V). Для инструмента. Подвергающегося в работе большим ударным нагрузкам (пневматические нагрузки, режущие ножи для ножниц холодной резки металла), применяют стали с меньшим содержанием углерода, повышенной вязкости 4ХС, 6ХС, 4ХВ2С и др.

Молотовые штампы горячего деформирования изготавливают из сталей 5ХНМ, 5ХГМ, 5ХНВ. Эти стали содержат одинаковое количество (0,5-0,6%) углерода и легированы хромом. Такое содержание углерода позволяет получить достаточно высокую ударную вязкость; хром повышает прочность и увеличивает прокаливаемость сталей. Никель вводят в эти стали с целью повышения вязкости и улучшения прокаливаемости. Вольфрам и молибден повышают твёрдость и теплостойкость, уменьшают хрупкость, измельчают зерно и уменьшают склонность стали к перегреву. Марганец как более дешевый легирующей элемент является заменителем никеля. Для сталей молотовых штампов характерна глубокая прокаливаемость. Например, стали 5ХНМ и 5ХГМ прокаливаются в сечениях до 200-300 мм.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: