Легирующие элементы влияют на температуру плавления и критические точки фазовых превращений, скорость диффузии, растворимость углерода или других легирующих элементов в твердом растворе, образование новых соединений.
Все легирующие элементы подразделяются на две группы:
1) элементы, расширяющие g-область твердых растворов (см. диаграмму Fe-C): элементы обладающие неограниченной растворимостью Ni,Mn,Со, так и элементы C, N, Cu, Zn гомогенная область которых ограничивается гетерогенной, вследствие появления новых фаз;
2) элементы, сужающие g-область твердых растворов;
а) с полностью замкнутой g-областью: Be, Al, Si, P, Ti, V, Cr, As, Mo, Sn, Sb, W;
б) элементы, образующие сплавы с суженной g-областью: Nb, Ta, Zr, Ze.
В зависимости от степени сродства к кислороду легирующие элементы деляться на две большие группы:
1) элементы, сродство у которых меньше, чем у Fe (Ni, Co, Mo, Cu), которые не окисляются и их можно вводить в металл в любой период плавки;
2) элементы, сродство у которых больше, чем у Fe (Si, Mn, Al, Cr, V, Ti и др, которые во избежания большого угара вводяться в жидкий металл в период или после раскисления в ковш.
Выделяю группу легирующих ввод которых связан с опасностью для здоровья человека (S, Pb, Se,Te).
Повышение прочности конструкционных сталей, роста их пластичности, ударной вязкости, уменьшения склонности к различным видам хрупкого разрушения можно достичь путем измельчения зерна и изменения состояния границ зерен. Формирование зерен в стали происходит при высоких температурах, когда металл находится в аустенитном состоянии. Величина этих сформировавшихся зерен практически полностью определяет размер зерна стали, образующего в результате g ® a-превращения.
На рис.1 показана зависимость sв и d железа от максимальной растворимости легирующего элемента.
Повышение качества связано с разработкой методов управления процессами формирования структурной и химической неоднородности в стали. Степень структурной и химической неоднородности зависит от наличия в ее составе примесей, которые можно подразделить на:
1). Постоянные примеси – это кремний, марганец, фосфор и сера. Вводят Si и Mn в процессе выплавки в сталь для ее раскисления, т.е. для удаления FeO, поэтому их также называют технологическими примесями.
2). Скрытые примеси, это присутствующие в стали газы – азот, кислород, водород. Попадают в сталь при ее выплавке. В твердой стали присутствуют в свободном состоянии в различных несплошностях, либо растворяются в феррите, либо образуют химические соединения (нитриды, оксиды). Даже в небольших количествах сильно ухудшают пластические свойства. Допускается их содержание 10–2 ¸ 10–4 % мас.
3). Случайные примеси – может быть любой элемент (медь, алюминий, вольфрам, никель и др.), которые попали в шихту вместе с металлоломом или чугуном при выплавке стали. Содержание этих элементов ниже тех пределов, когда их вводят специально как легирующие добавки.
4). Специальные примеси – элементы, специально вводимые в сталь для получения каких-либо заданных свойств. Такие элементы называют легирующими, а стали, их содержащие – легированными сталями.
Рассмотрим влияние основных легирующих элементов (при их увеличении содержания в стали) на механические и физические свойства сталей.
| Влияние углерода | |
| увеличивает: | уменьшает: |
| – временное сопротивление; – предел текучести; – твердость. | – удлинение; – деформируемость; – свариваемость. |
| Влияние кремния.Образует силициды (FeSi, Fe3Si2, Fe3Si), вызывает распад Fe3C. Возможность образования крупнозернистой структуры при отжиге, рекристаллизации и закалке. | |
| – временное сопротивление (на каждый процент кремния на ~100 МПа); – электрическое сопротивление (трансформаторная и динамная сталь); – закаливаемость инструментальных сталей; – твердость конструкционных сталей; – литейные свойства (повышение теплоты растворения, когда Si растворяется в Fe; растворимость Si в феррите при комнатной температуре ~14 %); – коррозионная стойкость (отливки из кремниевой стали для химической промышленности); – охрупчивание (при >6,5 % в ОЦК феррита); – окалиностойкость (Si легче окисляется, чем Fe, с образованием защитного, содержащего SiO2 слоя, однако Si способствует поверхностному обезуглероживанию; – раскисляющее действие (при ~0,1 % Si – полуспокойная сталь, >0,2 % Si – спокойная сталь; продукты раскисления: SiO2, силикаты; – склонность к графитообразованию («черноломкость»). | – свариваемость (>0,2 % обычная сварка; 0,6 % дуговая сварка); – деформируемость (до 3 % с трудом деформируется в холодном состоянии; до 6 % плохо деформируется в горячем состоянии; > 10 % не деформируется и не обрабатывается резанием); – коэффициент диффузии С в a- и g-области. |
| Влияние марганца. Марганцевые стали чувствительны к перегреву. Способствует уменьшению содержания сульфида железа FeS в стали: FeS+Mn®MnS+Fe. Кроме раскисляющей и легирующей функций, марганец используют для обессеривания. Продукты рафинирования MnS, MnO, MnO×SiO2, 2Mn×SiO2, раскатываясь, обуславливают возникновение волокнистой структуры, поэтому ударная вязкость в продольном направлении выше, чем в поперечном. Регулируя количество MnS, можно уменьшить чувствительность к красноломкости. | |
| увеличивает: | уменьшает: |
| – временное сопротивление на каждый процент Mn – на ~100 МПа; – износостойкость; – прокаливаемость; – удлинение; – ликвационную неоднородность (поэтому горячую деформацию ведут при 1200¸1250 °С); – чувствительность к трещинообразованию (из-за склонности к воздушной подкалке уже при ~2 % Mn); – чувствительность к перегреву (при крупном зерне – понижение критической скорости охлаждения). | При повышенном содержании марганца ухудшается обрабатываемость резанием, деформируемость в холодном состоянии, подавляется доэвтектоидное выделение феррита, возникает красноломкость. |
| Влияние фосфора. Попадает в сталь главным образом с исходным чугуном. До 1,2% растворяется в феррите, уменьшая его пластичность. Обладает большой склонностью к ликвации и образует участки богатые фосфором. Располагаясь вблизи границ зерен, повышает температуру перехода в хрупкое состояние, т.е. вызывает хладноломкость. Образует два фосфида (Fe3P, Fe2P). Содержание фосфора поддерживают до ~0,02 %. | |
| – временное сопротивление (до ~0,5 % Р); – охрупчивание в холодном состоянии (уменьшение удлинения и ударной вязкости, особенно при совместном влиянии с углеродом); – склонность к отпускной хрупкости; – склонность к сварочным трещинам (совместное влияние P, Si и С); – ликвационная неоднородность. | |
| Влияние серы. Попадает в сталь главным образом с исходным чугуном. Нерастворима в железе и образует соединение FeS – сульфид железа. Образует эвтектику (Fe+FeS) с Тпл = 988 °С. Поэтому при нагреве выше 900 °С сталь становится хрупкой. При горячей пластической деформации заготовки разрушаются – это явление называется красноломкость. | |
| увеличивает: | уменьшает: |
| – склонность к красноломкости (800¸1000 °С – область красноломкости); – горячеломкость (~1200 °С, растворение фаз расположенных по границам зерен), поэтому горячую деформацию ведут между областями красноломкости и горячеломкости (между 1000¸1200 °С); – хрупкость при пайке; – ломкость стружки (автоматные стали); – ухудшается свариваемость (главным образом тонких высокопрочных листов); – усиливается окалинообразование (образование соединений с кислородом, располагающихся по границам зерен); – ликвационная неоднородность. | – магнитные свойства (трансформаторная сталь); – чувствительность к перегреву (при 1200¸1350 °С еще не все сульфиды переходят в раствор и сдерживают рост зерна); – прочность в поперечном направлении. |
| Сера и фосфор оказывают вредное влияние на свойства стали, поэтому их содержание резко ограничено. | |
| Влияние хрома. | |
| – временное сопротивление (на каждый процент хрома около ~100 МПа); – прокаливаемость (понижение критической скорости охлаждения); – жаропрочность; – коррозионная стойкость (образование защитного слоя); – закаливаемость; | – удлинение; – критическая скорость охлаждения (улучшение прокаливаемости); – деформируемость; – свариваемость; – обрабатываемость резанием. |
| Влияние никеля. | |
| – временное сопротивление; – ударная вязкость; – прокаливаемость (снижается критическая скорость охлаждения); – коррозионная стойкость; – длительная прочность; – склонность к образованию графита; – сульфидообразование (опасность красноломкости, эвтектика при 645 °С); – образование флокенов; – механические свойства в поперечном направлении. | – критическая скорость охлаждения (увеличивается прокаливаемость); – снижается температура перлитного превращения (возможна закалка с более низких температур; меньше закалочные напряжения); – обрабатываемость резанием; – стабильность карбидов (никель не образует карбиды); – склонность к тепловым трещинам (низкая теплопроводность). |
Металлургическое оборудование в процессе эксплуатации подвергается сильному воздействию статических, динамических (знакопеременных) нагрузок, агрессивных сред, стационарных или циклически изменяющихся температур и поэтому основные механизмы, узлы и детали изготавливают из низко-, средне- и высоколегированных марок сталей с последующей упрочняющей термической обработкой изделия. Например: ролики спекательных тележек в агломашине изготовлены из стали 50Г2, лопатки ротора эксгаустера – 30ХГСА, плиты грохота –14ХМНДФР; в доменном цехе ходовые колеса скипов из стали марки 65Г, литые зубчатые колеса – 40ХГЛ, ролики подшипников в распределителе шихты –ШХ15; в сталеплавильном цехе: вал шестерни редуктора завалочной машины изготавливается из стали марки 38ХГН и подвергается закалке в масле и отпуску на воздухе с получением твердости 248–277 НВ, элементы неохлаждаемых балок – ХН38ВТА, защитные плиты – 40Х9С2Л, обрамляющие плиты – 5Х18Н9ТЛ и т.д.