Распределение легирующих элементов в стали

Легирующие элементы растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов (феррит, аустенит, цементит), или образуют специальные карбиды.

Растворение легирующих элементов в Fe_αпроисходит в результате замещения атомов железа атомами этих элементов. Эти атомы создают в решетке напряжения, которые вызывают изменение ее периода.

Изменение размеров решетки вызывает изменение свойств феррита – прочность повышается, пластичность уменьшается. Хром, молибден и вольфрам упрочняют меньше, чем никель, кремний и марганец. Молибден и вольфрам, а также кремний и марганец в определенных количествах, снижают вязкость.

В сталях карбиды образуются металлами, расположенными в таблице Менделеева левее железа (хром, ванадий, титан), которые имеют менее достроенную d – электронную полосу.

В процессе карбидообразования углерод отдает свои валентные электроны на заполнение d– электронной полосы атома металла, тогда как у металла валентные электроны образуют металлическую связь, обуславливающую металлические свойства карбидов.

При соотношении атомных радиусов углерода и металла более 0,59 образуются типичные химические соединения: Fe₃C, Mn₃C, Cr₂₃C₆, Cr₇C₃, Fe₃W₃C – которые имеют сложную кристаллическую решетку и при нагреве растворяются в аустените.

При соотношении атомных радиусов углерода и металла менее 0,59 образуются фазы внедрения: Mo₂C, WC, VC, TiC, TaC, W₂C – которые имеют простую кристаллическую решетку и трудно растворяются в аустените.

Все карбиды обладают высокой твёрдостью и температурой плавления.

4. Случайные примеси.

Контрольные вопросы

1. Как происходит растворение легирующих элементов в Fe_α?

2. Что происходит при изменение размеров решетки?

3. Что происходит в процессе карбидообразования?

Конструкционные легированные стали

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

Cодержание легируюшихх элементов может изменяться в очень широких пределах: хром или никель – 1% и более процентов; ванадий, молибден, титан, ниобий – 0,1… 0,5%; также кремний и марганец – более 1 %. При содержании легирующих элементов до 0,1 % – микролегирование.

В конструкционных сталях легирование осуществляется с целью улучшения механических свойств (прочности, пластичности). Кроме того меняются физические, химические, эксплуатационные свойства.

Стали, в которых суммарное содержание легирующих элементов не превышает 2,5%, относятся к низколегированным, 2,5-10% - к легированным, а более 10% - к высоколегированным (содержание железа более 45%). Чем выше легированность стали и меньше размеры полуфабриката, тем стоимость стали больше, поэтому их использование должно быть строго обоснованно. Особенно дороги стали, содержащие большое количество никеля, молибдена, вольфрама и кобальта. Цена калиброванной и шлифованной стали выше.

Достоинства легированных сталей:

· особенности обнаруживаются в термически обработанном состоянии, поэтому изготовляются детали, подвергаемые термической обработке;

· улучшенные легированные стали обнаруживают более высокие показатели сопротивления пластическим деформациям;

· 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 II рода;

· 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.

При быстром охлаждении от 200^° водород остается в стали, выделяясь из твердого раствора, вызывает большое внутреннее давление, приводящее к образованию флокенов.

Меры борьбы: уменьшение содержания водорода при выплавке и снижение скорости охлаждения в интервале флокенообразования.

Контрольные вопросы

1. Какие элементы, входящие в состав стали, называются легирующими элементами?

2. Какие стали называются легирующими?

3. Назначение процесса легирования сталей.

4. Назовите достоинства легированных сталей.

5. Недостатки легированных сталей.

6. Дайте определение флокенов.

7. Причина появления флокенов и способы борьбы с ними.

5.4. Классификация и марки­ровка легированных сталей

Легированные стали выпускаются конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами:

в зависимости от со­держания углерода:

- низкоуглеродистые (до 0,3 % С);

- среднеуглеродистые (0,3-0,55 % С),

по содержанию легирующих элементов:

- низколегированные;

- средне-легированные.

В зависимости от химического состава и свойств кон­струкционная легированная сталь делится на категории:

- качественная;

- высококачественная - А;

- особовысокока­чественная - Ш (сталь электрошлакового переплава);

по назначению - на подгруппы:

а - для горячей обра­ботки давлением (кроме осадки, высадки, штамповки);

б - для холодной механической обработки по всей по­верхности;

в - для холодного волочения (подкат);

г - для горячей осадки, высадки и штамповки;

по состоя­нию материала:

 - без термической обработки,

- термичес­ки обработанная (T),

- нагартованная (H).

Маркировка легированной стали буквенно-цифровая. Первая одно- или двузначная цифра указывает на сред­нее содержание углерода в десятых или сотых долях про­цента. Если углерода в стали менее 0,04 %, то ставится знак 00, если менее 0,08 % — 0. При содержании углеро­да 1 % и более цифра вначале не проставляется.

Буквы маркировки указывают наименование легиру­ющих элементов: M - молибден, Г - марганец, С - кремний, X - хром, H - никель, T - титан, В - воль­фрам, А – азот (указывается в середине марки), Ю - алюминий, К - ко­бальт, Ц - цирконий, Б - ниобий, П - фосфор, P - бор, Д - медь, Ф – ванадий, E - селен. Цифры, следующие после букв, обозначают среднее содержание данных легирующих эле­ментов (в процентах). Отсутствие цифры указывает на то, что их содержание в стали менее 1,5 %. Буква А в конце маркировки означает высококачественную легиро­ванную сталь, т е. более чистую по содержанию серы и фосфора.

В маркировке некоторых легированных сталей внача­ле проставляются буквы, указывающие на их применение.

Например, P — быстрорежущие, Ш — шарикоподшипниковые, Э — электротехнические, E — для постоянных маг­нитов. В быстрорежущих сталях цифра, следующая по­сле буквы P, указывает среднее содержание вольфрама (в процентах).

Для обозначения марок стали, подвергнутых перепла­вам, применяются буквы, проставляемые через тире после индексации, характеризующие химический состав. На­пример, Ш — электрошлаковый переплав, ВД — вакуум­нодуговой переплав, ЭЛ — электронно-лучевой переплав, ПД — плазменно-дуговой переплав, BH — вакуумно-ин­дукционная плавка, ШД — электрошлаковый и вакуумно-дуговой переплав, ШЛ — электронно-лучевой и злек­трошлаковый переплав и т. д.

Легированные конструкционные стали

Сталь 15Х25Н19ВС2

В начале марки указывается двухзначное число, показывающее содержание углерода в сотых долях процента. Далее перечисляются легирующие элементы. Число, следующее за условным обозначением элемента, показывает его содержание в процентах.

Если число не стоит, то содержание элемента не превышает 1,5 %.

В указанной марке стали содержится 0,15 % углерода, 35% хрома, 19 % никеля, до 1,5% вольфрама, до 2 % кремния.

Для обозначения высококачественных легированных сталей в конце марки указывается символ А.

Инструментальные легированные сталипо сравнению с углеродистой отличаются большей теплостойкостью и прокаливаемостью, поэтому могут использоваться при высоких скоростях резанья и для обработки твердых ме­таллов. Так, стойкость инструмента из быстрорежущей стали в 10-30 раз, а скорость резания - в 2-4 раза больше, чем из углеродистой.

Для изготовления режущего инструмента используются стали, где основной легирующий элемент - хром (15Х, 9XCl, ХВГ, ХВСГ) или молибден (P12, Pl8, Р6М5, Р8МЗ, Р8М3К6С, Р9Ф5, Р14Ф4, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5, Р18К5Ф2).

Стали, легированные вольфрамом, а также кобальтом, молибденом, ванадием известны как быстрорежущие (Р18, Р12, Р9, Р6МЗ). Р – индекс данной группы сталей (от rapid – скорость). Содержание углерода более 1%. Число показывает содержание основного легирующего элемента – вольфрама. В указанной стали содержание вольфрама – 18 %.

Если стали содержат легирующие элемент, то их содержание указывается после обозначения соответствующего элемента.

Для изготовления штампов, пластически деформиру­ющих металл при нормальных температурах, применя­ются стали марок Х12Ф1, Х6ВФ, 7ХГ2ВМ, 6Х6В3МФС и др. Штамповые стали для холодного деформирования должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и прочностью, сочетающейся с достаточной вязкостью.

Для изготовления штампов, деформирующих металл в горячем состоянии при температуре свыше 30°C, при­меняются стали марок 5XHM, 5XHB, 4Х38МФ, 4Х5В2ФС, 4Х5МФ1С, 3Х2В8Ф, 4Х2В5МФ и др. Штамповые стали для горячего деформирования должны обладать высоки­ми механическими свойствами при повышенных темпе­ратурах, окалиностойкостью и способностью не образо­вывать трещины при многократных нагревах и охлаж­дениях.

Для изготовления измерительных инструментов обыч­но применяют стали марок X, ХВГ, Х12Ф1 и др.

Шарикоподшипниковые стали

Шарикоподшипниковые стали должны об­ладать высокой прокаливаемостью на большую глубину, твердостью, износостойкостью, сопротивлением контакт­ной усталости. Легированные шарикоподшипниковые ста­ли выпускаются марок ШХ6, ШХ15СГ, 20Х2НЧА, 18ХГТ, ШХЧ, 95X18 и др.

Ш – индекс данной группы сталей. Х – указывает на наличие в стали хрома. Последующее число показывает содержание хрома в десятых долях процента, в указанных сталях, соответственно, 0,6 % и 1,5 %. Также указываются входящие с состав стали легирующие элементы. Содержание углерода более 1 %.

Контрольные вопросы

1. Назовите классификациюлегированных сталей.

2. Назовите классификациюлегированных сталей в зависимости от со­держания углерода.

3. Назовите классификацию легированных сталей по содержанию легирующих элементов.

4. Назовите классификациюлегированных сталей в зависимости от химического состава и свойств.

5. Назовите классификациюлегированных сталей по назначению .

6. Назовите классификациюлегированных сталей по состоя­нию материала.

7. Как маркируются легированные стали

Виды твердых сплавов

В качестве материалов для инструментов используются твердые сплавы, которые состоят из твердых карбидов и связующей фазы. Они изготавливаются методами порошковой металлургии.

Характерной особенностью твердых сплавов является очень высокая твердость 87…92 HRC при достаточно высокой прочности. Твердость и прочность зависят от количества связующей фазы (кобальта) и величины зерен карбидов. Чем крупнее зерна карбидов, тем выше прочность. Твердые сплавы отличаются большой износостойкостью и теплостойкостью.

Основными твердыми сплавами являются группы ВК (WC + CО), TK (WC + TiC + CО), TTK (WC + TiC + TaC + CО). Наиболее распространенными сплавами группы ВК являются сплавы марок ВК3, ВК6, ВК8, ВК20, где число показывает содержание кобальта в процентах, остальное – карбиды вольфрама WC.

Сплавы группы ТК марок Т30К6, Т14К8 – первое число показывает содержание карбидов титана в процентах, второе – содержание кобальта в процентах. Сплавы этой группы лучше противостоят изнашиванию, обладают большей твердостью, тепло- и жаростойкостью, стойкостью к коррозии, но меньшей теплопроводностью и большей хрупкостью. Используются на средних и высоких скоростях резания.

Сплавы с малым количеством кобальта обладают повышенной твердостью и износостойкостью, но минимальной прочностью, поэтому их используют для чистового точения (ВК3, Т30К4).

Сплавы с повышенным содержанием кобальта используют для чернового точения (ВК8, Т14К8).

Сплав ВК20 начинают использовать для армирования штампов, что повышает их износостойкость.

Износостойкость инструментов из твердых сплавов превышает износостойкость инструментов из быстрорежущих сталей в 10…20 раз и сохраняется до температур 800…1000^oС.

Контрольные вопросы

1. Назовите состав твердых сплавов.

2. Назовите характерные особенности твердых сплавов .

3. Назовите классификацию твердых сплавов.

4. Назовите состав твердых сплавов группы ВК.

5. Назовите особенности свойств сплавов группы ВК.

6. Назовите состав твердых сплавов группы ТК.

7. Назовите особенности свойств сплавов группы ТК.

8. Назовите состав твердых сплавов группы ТТК.