Лекція № 29: Вплив легуючих елементів на перетворення сталей. Леговані сталі і чавуни

Легованими називають сталі, які, крім заліза, вуглецю і техно­логічних домішок, містять спеціальні домішки (легуючі елементи). Легуючі елементи вводять до складу сталі для надання їй або покра­щання певних фізичних, хімічних, механічних або технологічних властивостей. Сталі можуть містити один або кілька легуючих елементів. Наявність цих елементів приводить не тільки до зміни властивостей сталі, а й до режимів її термічної обробки. Легуючі елементи в тій чи іншій мірі розчиняються в основних фазах сталі (фериті, аустеніті, цементиті) або утворюють спеціальні карбіди. Розчинюючись у залізі, елементи впливають на температурний інтер­вал існування його алотропічних модифікацій, змінюючи критичні точки А₃ і А₄ (відповідно 911 і 1392 °С) на шкалі температур діаграми стану. Такі елементи, як Mn, Ni, Pt, С, підвищують точку А₄ і знижу­ють Л₃ , тобто розширюють область існування - модифікацій заліза; Si, Al, W, Sn, Mo, V, Ті, Sb — знижують точку А₄ і підвищують А₃, тобто звужують область існування - модифікацій заліза і розширюють область існування модифікацій -заліза.

Важливим є вплив легуючих елементів на властивості фериту. Розчинюючись у кристалічній гратці - заліза атоми легуючих еле­ментів змінюють її параметри, підвищують характеристики міцності фериту і знижують пластичність. Найбільше підвищують міцність Si, Мn і Ni, дещо менше Mo, W, Сr. Більшість елементів, зміцнюючи ферит, незначно впливають на пластичність, проте знижують ударну в'язкість сталі (за винятком Ni). При вмісті до 1 % Мn і Сr підвищують ударну в'язкість. За умов дальшого підвищення їхнього вмісту ударна в'язкість знижується, досягаючи рівня значень нелегованого фериту при 3,0 % Сr і 1,5 % Мn.

Конструкційні леговані сталі

Поділяють їх на: сталі для цемен­тації; поліпшувані; високоміцні. Вони мають забезпечувати ком­плекс високих механічних властивостей, конструктивну міцність і довговічність виробів при експлуатації.

Сталі для цементації використовують для виробів, які працюють за умов тертя, ударних і перемінних навантажень. Надійність і ресурс роботи таких виробів забезпечується високим рівнем твердості й міцності поверхні та достатньою конструктивною міцністю і в'язкістю серцевини металу. Для цього сталі, призначені для цемен­тації, насичують з поверхні вуглецем (цементують) і далі піддають гартуванню з низьким відпуском, що забезпечує високу твердість (58...63 HRC) поверхні деталі і потрібну в'язкість серцевини. Хімічний склад таких сталей обмежений вмістом вуглецю до 0,25 %, сумарним вмістом легуючих елементів для низьколегованих сталей до 2,5 % і для середньолегованих — 2,5... 10 %.

Поліпшувані сталі — це низьколеговані сталі з вмістом вуглецю 0,3...0,5 %. Для забезпечення потрібних властивостей міцності, плас­тичності та в'язкості їх піддають гартуванню з високим відпуском (500...600 °С), тобто поліпшують. Загальна кількість легуючих елементів у поліпшуваних сталях становить 3...5 % (Cr, Ni, W, Мо, Si, V), основний легуючий елемент — хром (0,8... 1,1 %). Власти­вості таких сталей: = 900...1600 МПа, = 10...12%, KCU=0,4...0,9 МДж/м². Розрізняють хромисті сталі — 40Х, 45Х, для прогартованості їх додатково легують бором 0,002...0,003 % (40ХР) або до 1 % марганцем (40ХГ). З них виготовляють деталі для роботи за умов підвищених напружень і знакозмінних навантажень — шатуни, колінчасті вали. Хромомарганцеві сталі, леговані Si і Мn (хромансил), наприклад 30ХГС, добре зварюються, після термообробки =1650 МПа, = 6%, KCU = 0,5 МДж/м². Для великих від­повідальних і важконавантажуваних деталей складної форми викори­стовують сталі зі значною кількістю Ni і Мо, наприклад 40ХНМ, 30ХН2МФ, 40ХН2МФ, 40ХН2МА, 38ХН3МФ тощо.

Високоміцні леговані сталі використовують для виготовлення особливо відповідальних і важконавантажених деталей, які експлуатують за умов різко змінюваних навантажень (деталі шасі, конст­рукції фюзеляжів тощо). Це комплексно-леговані (кількома легу­ючими елементами) середньовуглецеві сталі (0,3...0,6 % С), які зміц­нюють термічною обробкою або піддають термомеханічній обробці. Наприклад, 30ХГСН2А, 40ХГСНЗВА ( = 1850...2000 МПа, =11...12 %, KCU = 0,4...0,6 МДж/м²).

Пружинно-ресорні леговані сталі містять у своєму складі 0,5... 0,7 % С, додатково леговані Si (до 2 %) і елементами Mn, Cr, V, W, В, які підвищують пружні характеристики і прогартованість сталі. Сталі 50С2, 50ХГФА використовують для ресор автомобілів, сталі 55СГ, 60СГ, 65С2ВА, 60С2ХФА — для відповідальних пружин, ресор тощо. Найвищу пружність забезпечує гартування і середній (400...500 °С) відпуск на структуру трооститу відпуску (високодисперсна суміш фериту з карбідами). Додаткове легування сталі вольфрамом, молібденом, ванадієм підвищує стійкість сталі під час відпуску, що дозволяє використовувати їх для роботи за умов нагріву до 200... 250 °С. При легуванні бором (0,003 %) підвищується поріг пружності сталі і прогартованість (сталі 55ХГР, 50ХФРА та інші). Для підви­щення опору втомі і зменшення чутливості до концентраторів на­пружень пружини і листи ресор у готовому вигляді піддають поверх­невому наклепуванню струменевою обробкою шротом.

Шарикопідшипникові сталі складають особливу групу конструк­ційних сталей, що відповідають вимогам високої міцності і зносо­стійкості. Для них характерним є високий вміст вуглецю ( 1 %) і хрому. Для маркування цих сталей використовують літери ШХ, які розшифровуються як сталь шарикопідшипникова хромиста, далі йдуть цифри, які вказують на вміст хрому в десяти частках процента (ШХ6, ШХ9, ШХ15).

Термічна обробка шарикопідшипникових сталей включає опе­рації відпалювання прокату, гартування (від 790...880 °С) і відпуск при 150...200 °С на твердість 62...65 HRC. До сталей цієї групи існують підвищені вимоги щодо чистоти і рівномірності розподілу карбідів.

Зносостійкі сталі об'єднують групи високомарганцевих і графітизованих сталей.

Для вимірювального інструменту використовують сталі X, ХВГ після гартування і спеціального низького відпуску при 120... 130 °С протягом 15...20 год з наступною обробкою при температурах нижче нуля (до -60 °С). З цих сталей виготовляють також штампи холодно­го деформування складної форми перерізом 75... 100 мм. Для виготов­лення інструменту з високою твердістю і зносостійкістю, а також незначною деформацію під час гартування використовують сталі типу Х12Ф1. Сталі з меншим вмістом вуглецю і підвищеною в'язкістю використовують для інструменту, що працює за значних ударних навантажень (пневматичні зубила, ножі для холодної різки тощо), наприклад сталі 4ХС, 6ХС, 4ХВ2С та інші.

Сталі з вмістом вуглецю (0,5...0,6 %), леговані хромом (який підвищує міцність і прогартованість), а також вольфрамом і моліб­деном (підвищує твердість, теплостійкість, подрібнюють зерно), ні­келем (підвищують в'язкість, прогартованість) і марганцем (заміняє нікель), використовують для виготовлення штампів гарячого дефор­мування - сталі 5ХНМ, 5ХГМ, 5ХНВ.

Спеціальні леговані сталі — це високолеговані сталі з явно вира­женими особливими властивостями (корозійна стійкість, жаростій­кість, жароміцність тощо).

Неіржавіючі або корозійностійкі сталі володіють високою хімічною стійкістю в агресивних середовищах. Одержують їх введенням до складу низько- і середньовуглецевих сталей значної кількості хрому (не менше 12,5 %) і нікелю, а також додатково титану, алюмінію і марганцю. Найпоширеніші хромисті і хромонікелеві сталі. Залежно від структури розрізняють корозійно­стійкі сталі аустенітні (12Х18Н9, 12Х18Н10, 04Х18Ш0, 10Х14Г4НЗ), феритні (12X17, 08Х17Т), мартенситні (40X13), аустенітно-мартенситні (09Х15Н18Ю) та аустенітно-феритні (08Х21Н6М2Т).

Хромисті сталі найдешевші, але за корозійною стійкістю поступа­ються хромонікелевим. Так, сталь 12X7 стійка у кислотних сере­довищах, але не придатна для використання при зварюванні, оскільки при нагріванні під час зварювання вище 900...950 °С і швидкому охолодженні границі зерен сталі збіднюються хромом. При вмісті ж менше 12 % Сr елекрохімічний потенціал сталі стає негативним і вона втрачає здатність опиратись корозії. За таких умов у сталі 12X7 виникає небезпечний вид корозії — міжкристалічна корозія. Для запобігання цього використовують сталь, леговану титаном 08X17Т.

Жаростійкі (жаровиностійкі) сталі — це такі, що здатні чинити опір корозійному руйнуванню під дією повітря або іншого газового середовища при високих температурах (400...900 °С). Жаростійкі сталі містять у своєму складі А1, Cr, Si і не утворюють жаровини. Стійкість таких сталей зумовлено утворенням на поверхні виробів щільних захисних плівок оксидів вказаних легуючих елементів. Так, для виробів з робочими температурами до 850...900 °С (клапани двигунів внутрішнього згорання) використовують сталі 40Х9С2, 08X17Т; для температур до 1100 °С (сопла, жарові труби газових турбін) — сталі типу 36Х18Н25С2. Хромиста сталь з 30 % Сr стійка до температури 1200 °С. Жаростійкі сталі застосовують в основному для деталей нагрівального і енергетичного обладнань.

Жароміцні сталі — це такі, що забезпечують здатність виготов­лених з них виробів витримувати механічні навантаження без дефор­мації й руйнування за високих температур (500...1000 °С). Вони містять у своєму складі хром, кремній, нікель, молібден та інші елементи. Залежно від призначення розрізняють клапанні сталі, котлотурбінні, газотурбінні сталі, а також сплави з високою жароміцністю.

Для температур 300... 500 °С використовують Сr — Si-сталі мартенситного класу (сільхроми) типу 40Х9С2, 40Х10С2М. З них виго­товляють клапани двигунів автомобілів і тракторів. Високолеговані аустенітні сталі типу 17Х18Н9 (гомогенні) або 45Х14Н14В2М (гете­рогенні — з дрібними карбідними або інтерметалідними фазами) використовують за температур 600...900 °С. Аустенітні сталі досить міцні, але в'язкі і погано обробляються різанням. З них виготовляють парові котли, лопатки газових турбін, сопла реактивних двигунів тощо. Для більш високих температур (800... 1000 °С) використовують хромонікелеві сплави — ніхроми і німоніки з мінімальним вмістом вуглецю (0,06...0,12 % С).

Вони містять більше 55 % Ni і переважають за властивостями кращі жароміцні сталі. За структурою їх поділяють на гомогенні (ніхроми ХН60Ю, ХН78Т та інші) і гетерогенні (німоніки ХН77ТЮ, ХН77ТЮР тощо), леговані, окрім хрому, ще й елементами, які утво­рюють з нікелем дисперсні інтерметалідні зміцнюючи фази типу (Ni, Co, Cr)₃Ti, (Ni, Co, Cr)₃Al тощо. Маркування нікелевих сплавів здійснюють літерами, які означають елементи, і цифрами, що вказу­ють на вміст нікелю. Так, сплав ХН70ВМТЮ містить 70 % Ni, a також Cr, W, Мо, Ті, Аl. Жароміцні сплави на основі кобальту використовують обмежено, наприклад для лопаток соплового апара­та реактивних двигунів.