Легирование стали – Легирование стали: классификация и описание процесса

Легированные стали

Легирующими элементами называют элементы, специально вводимые в сталь для изменения ее строения и свойств. Соответственно стали, содержащие легирующие элементы, называются легированными. При этом, если содержание кремния превышает 0,4 % или марганца – 0,8 %, то они также относятся к легирующим элементам.

Концентрация некоторых легирующих элементов может быть очень малой. В количестве до 0,1 % вводят Nb, Ti, а содержание бора обычно не превышает 0,005 % . Если концентрация элемента составляет около 0,1 % и менее, легирование стали принято на­зывать микролегированием.

Появление и широкое распространение легированных сталей обусловлено непрерывным ростом требований, предъявляемых к материалам по мере прогресса техники. Легирование производится с целью изменения механических (прочности, пластичности, вязкости), физических (электропроводности, магнитных характе­ристик, радиационной стойкости) и химических (коррозионной стойкости в разных средах) свойств.

Необходимый комплекс свойств обычно обеспечивается не только легированием, но и термической обработкой, позво­ляющей получать наиболее оптимальную структуру металла. Легированные стали дороже углеродистых, и поэтому применять их без термической обработки нерационально.

Применение легирующих элементов существенно влияет на себестоимость стали. При использовании тех или иных легирую­щих элементов руководствуются не только их влиянием на свой­ства стали, но и экономическими соображениями, в частности стоимостью добычи и получения, а также дефицитностью.

Основными легирующими элементами являются Cr, Ni, Mn, Si, W, Mo, V, Al, Cu, Ti, Nb, Zr, В. Часто сталь легируют не од­ним, а несколькими элементами, например Cr и Ni, получая хромоникелевую сталь, Cr и Mn – хромомарганцевую сталь, Cr, Ni, Mo, V — хромоникельмолибденованадиевую сталь.

Легирующие элементы, вступая во взаимодействие с железом и углеродом, могут участвовать в образовании различных фаз в легированных сталях:

• легированного феррита – твердого раствора легирующего элемента в Fe_α;
• легированного аустенита – твердого раствора легирующего элемента в Fe_γ;
• легированного цементита – твердого раствора легирующего элемента в цементите или при увеличении содержания леги­рующего элемента сверх определенного предела – специальных карбидов.

Если проанализировать с помощью двойных диаграмм состоя­ния систему железо – легирующий элемент, как легирующие эле­менты влияют на расширение области γ-твердого раствора железа (легированного аустенита) и, наоборот, на сужение области γ-твердого раствора и соответственно расширение области α-твердого рас­твора, т. е. легированного феррита, то по этому влиянию все леги­рующие элементы можно разделить на две группы: расширяющие область γ-твердых растворов – аустенитообразующие легирующие элементы и сужающие γ-область (расширяющие область α-твердых растворов) – ферритообразующие легирующие элементы.

К числу аустенитообразующих легирующих элементов отно­сятся Ni, Mn, Со, Cu, С, N. К числу ферритообразующих леги­рующих элементов относятся Cr, Si, Al, Mo, V, Ti, W, Nb, Zr.

При легировании сталей аустенитообразующими элементами в большом количестве может произойти полное “выклинивание” области α-Fe, и в этом случае стали будут иметь аустенитную структуру при комнатной температуре – аустенитные стали.

Наоборот, при легировании сталей ферритообразующими эле­ментами в большом количестве может произойти “выклинивание” области γ-Fe, и стали приобретут чисто ферритную структуру – ферритные стали.

При комбинированном легировании сталей аустенитообра­зующими и ферритообразующими элементами структура стали будет состоять из аустенита и феррита, а стали будут аустенитно­ферритные.

В большинстве конструкционных сталей феррит при темпера­туре эксплуатации является основной структурной составляющей, занимающей не менее 90 % объема металла. Поэтому от свойств феррита во многом зависят свойства стали в целом. Чем больше разница в атомных размерах железа и легирующего элемента, тем больше искажение кристаллической решетки, тем выше твер­дость, прочность, но ниже пластичность и особенно вязкость фер­рита.

metallurgy.zp.ua

Легирование стали

Сталь  экологически безвредный материал. Он может быть на 100 % использован по­вторно путем переплава (стопроцентная утилизация). Желательные свойства стали достигаются путем введения в железо в период выплавки других элементов. Эта операция по­лучила название легирования (от немецкого слова legieren  сплавлять металлы), а вводимые элементы называются легирую­щими элементами (ЛЭ).

Под легирующими понимают элементы, вводимые в сталь для целенаправленного изменения ее свойств, то есть ЛЭ:

1. Изменяют температуру фазовых превращений железа. По этому признаку ЛЭ делятся:

 элементы, расширяющие температурную область -Fe(Ni,Co,Mn, C, N₂). Ni, Co, Mnне ограничено растворяются в-Fe; C, N₂образуют область ограниченной растворимости;

 элементы, расширяющие температурную область -Fe (Si,Al,P,Cr,V,Mo,W).Siвводится в сталь для получения однородных ферритных структур. Действие хрома отличается от этой картины. При хроме менее 13% он действует как аустенитообразующий элемент. При хроме более 13%выступает как типичный ферритообразующий элемент (Х18Н9).

2. Влияние на процессы дисперсионного твердения может протекать по двум направлениям:

 за счет образования карбидов или нитридов, то есть за счет образования неметаллических включений. К карбидо- и нитридообразующим элементам относятся Cr,V,Nb,W,Ti,Zr. Их введение преследует цель образования карбидов или нитридов, которые в дисперсном состоянии упрочняют металл;

 за счет образования интерметаллидных фаз с железом. Склонность к образованию интерметаллидных фаз в безуглеродистой стали проявляют W,Mo,Ti.

Легирующими могут быть как элементы, не встречающиеся в обычной стали, так и элементы, которые в каких-то количествах содержатся во всякой стали (С, Mn,Si,S,P).

По степени растворения в железе ЛЭ делятся на группы:

1. Металлы полностью растворимые в железе (Al, Ce, Mn, Cr, Ni, V, Cu, Si, Ti, Be).

2. Металлы частично растворимые в железе (W, Mo, Zr).

3. Металлы, растворимость которых при температуре сталеварения точно не установлена, т.к. они при высоких температурах испаряются (Ca,Cd,Li,Mg,Na).

4. Металлы, практически не растворимые в железе (Pb, Ag, Bi).

5. Неметаллы, частично растворимые в железе (С, S, P, N, As).

Ряд легирующих элементов образует в железе растворы близкие к идеальным (Mn,Co,Ni,Cr,Mo,Al), из которых только Со иMnдействительно образуют практически идеальные растворы; при образовании остальных приходится учитывать теплоту смешения.

Легирующие добавки вводятся в металл в небольших количествах, и они образуют с железом растворы, которые можно считать «бесконечно разбавленными».

На практике сталь часто легируется не одним элементом, а несколькими. При определении технологии легирования принимается во внимание степень сродства ЛЭ к кислороду. Такие элементы как Мо, Сu, Со,Niимеют сродство к кислороду меньше, чем железо, во время плавки они не окисляются и поэтому вводятся в металл вместе с шихтовыми материалами или по ходу плавки без опасения получить значительный их угар.

Другая группа элементов (Ti,V,Cr,Si,Mn,Al) имеет сродство к кислороду более высокое, чем железо. Эти элементы под воздействием кислорода газовой фазы, окислов железа шлака и кислорода, растворенного в металле, окисляются. Поэтому их вводят в металл в конце плавки или часто в ковш с предварительно раскисленным металлом. Кроме того, принимаются специальные меры по предотвращению окисления металла при разливке (закрытые струи, защита струи подачей инертного газа и др.).

ЛЭ вводят в металл в виде чистых материалов (бруски никеля, алюминия, куски серы, графитовый порошок и т.д.) или в виде сплавов с железом (ферромарганец, ферросилиций, феррованадий и т.п.). Усвоение элемента, вводимого в виде сплава с железом, несколько выше. Однако приходится учитывать, что при этом увеличивается масса холодных материалов вводимых в металл. Металл, в который вводится большая масса легирующих добавок, приходится перегревать, а это не всегда желательно (повышается содержание газов в металле, снижается стойкость футеровки, повышается расход электроэнергии, топлива).

Кроме указанных выше способов, легированные добавки вводят в виде соединений (оксидов, карбидов, нитридов). Так, например, при производстве стали, содержащей ванадий, для легирования используют шлак, содержащий оксиды ванадия и т.д.

ЛЭ − дорогие примеси, следовательно, их нужно экономить. Однако производство легированной стали экономически оправдано получением особых ее свойств и соответственно, уменьшением массы металлических конструкций, повышением их долговечности и надежности. Учитывая высокую стоимость легированной стали, все мероприятия, связанные со снижением расхода легирующих добавок дают значительный экономический эффект. К таким мероприятиям относятся: использование отходы легированных сталей и совершенствование методов их ввода в жидкую сталь.

32

studfiles.net

Раскисление и легирование стали

Сортамент мартеновской стали

Мартеновский про­цесс характеризуется большой гибкостью как по виду используемых исходных материалов, так и по сортамен­ту выплавляемых сталей. Относительно удобные условия налаживания контроля за состоянием ванны и составом металла и шлака, а также относительно большие воз­можности регулирования температуры ванны, особенно при использовании кислорода, позволяют выплавлять в мартеновских печах широкий сортамент углеродистых и легированных сталей.

Однако возможности высокого нагрева металла и получения в нем низкого содержания серы в мартенов­ской печи ограничены по сравнению с электропечами. Поэтому несколько и ограничен сортамент высоколегированных сталей, выплавляемых в мартеновских печах.

В мартеновских печах выплавляют все группы сталей по степени раскисленности: кипящие, спокойные и полуспокойные.

Раскисление стали

Основными элементами-раскислителями, используемыми при мартеновском процессе, являются марганец, кремний и алюминий. Первые два элемента преимущественно используются в виде сплавов с железом -ферромарганца и ферросилиция, а алюми­ний — в виде чистого металла.

Раскисление спокойной стали обычно осуществляют в два приема. Поэтому и раскисление разделяется на предварительное и окончательное. Предварительное рас­кисление металла осуществляют в печи низкопроцентным ферросилицием из расчета введения в металл 0,15— 0,25% и ферромарганцем. Иногда для предваритель­ного раскисления используют комплексный сплав – силикомарганец. Предварительное раскисление продолжает­ся 10—15 мин, после чего металл выпускают в ковш. Угар кремния при предварительном раскислении состав­ляет 60—80%.

Окончательно металл раскисляют путем присадки богатого ферросилиция (45—75% Si) и алюминия на струю металла в момент его выпуска в ковш. Расход ферросилиция должен обеспечить получение заданного содержания кремния в металле, а расход алюминия со­ставляет 300—600 г/т в зависимости от марки стали.

Характер изменения содержания кислорода в метал­ле и элементов-раскислителей при предварительном и окончательном раскислении малоуглеродистой стали представлен на рис. 140.

Для сокращения продолжительности раскисления в печи и снижения расхода ферросилиция предварительное раскисление осуществляют только ферромарганцем. Ме­талл в этом случае продолжает кипеть и его выпускают в ковш.

Окончательно металл раскисляют в ковше.

Для получения нормального слитка кипящей стали необходимо, чтобы металл в изложнице продолжал энергично кипеть в течение 10—15 мин после заполнения из­ложницы в результате окисления углерода. В этом слу­чае пузыри СО успевают всплывать быстрее, чем металл затвердевает. В слитке образуется плотная поверхност­ная корка металла толщиной 8—20 мм, которая обеспе­чивает нормальный нагрев и прокатку слитков без вскрытия внутренних пузырей. Подобное кипение обес­печивается при раскислении кипящей стали одним фер­ромарганцем, присаживаемым чаще всего в ковш. Полуспокойную сталь раскисляют марганцем и небольшим количеством кремния, который вносится в металл в процессе выпуска ферросилицием.

Раскисление кальцием

Раскислительная способность кальция намного выше, чем у прочих раскислителей, включая алюминий, поэтому введенный в металл каль­ций взаимодействует не только с растворенным кислородом, но и с находящимися в стали продуктами раскисления, включая SiO₂ и Al₂O₃, восстанавливая их. Наблюдается также восстановление крем­ния и алюминия из шамотной футеровки разливочного ковша. При ис­пользовании кальция в качестве раскислителя приходится учитывать низкую температуру испарения кальция (1490 °С) и его небольшую растворимость в железе (менее 0,03 %). Введенный в металл кальций испаряется и взаимодействует с расплавом в парообразном состоянии. Степень полезного использования вводимого в металл кальция неве­лика из-за малой скорости и малого времени взаимодействия паров кальция с компонентами металлического расплава. Чтобы поднять степень действия кальция, его используют в виде соединений (карбид кальция СаС₂) или сплавов с кремнием (силикокальций) и с кремнием и алюминием.

При раскислении металла кальцием в промышленных условиях обычно образуются сложные продукты раскисления, доволь­но легко удаляющиеся из металла. В результате взаимодействия каль­ция с включениями глинозема в металле образуются алюминаты каль­ция типа nCaO • mAl₂O₃ с относительно низкой температурой плавле­ния, находящиеся в стали в жидком виде и довольно легко из нее удаляющиеся.

Некоторое (небольшое) количество таких включений оста­ется в стали в виде сравнительно мелких механически прочных вклю­чений шаровидной формы (глобулярные включения), не меняющих форму при обработке давлением, что в ряде случаев положительно влияет на служебные свойства стали. Для наиболее эффективного ис­пользования кальция его вводят в достаточно глубоко раскисленный металл (после алюминия). В таком случае кальций частично взаимо­действует с кислородом, а частично— с серой, связывая ее в прочные тугоплавкие сульфиды СаS, почти не влияющие на уровень металли­ческих свойств стали. Наиболее высокое усвоение кальция обеспечи­вается при введении его в жидкий металл в виде проволоки, получен­ной закатыванием порошка силикокальция или карбида кальция в стальную ленту. Возможен вариант с вдуванием порошка силико­кальция в металл в струе инертного газа, желательно в нижнюю часть ковша.

Раскисление марганцем

Марганец — очень слабый раскислитель. Он не обеспечивает получения необходимого низкого уровня окисленности стали. Введение марганца в металл при раскислении вызвано тем, что межфазное натяжение на границе металл – жидкое включение МnО невелико, в результате чего облегчается выделение включений и увеличивается скорость удаления кислорода. Кроме того, марганец уменьшает вредное влияние серы на свойства стали, увеличивает прокаливаемость стали и повышает прочность металла.

Легирование стали

Легирующие элементы, чаще все­го в виде сплавов, вводят в металл в различные момен­ты плавки в зависимости от их сродства к кислороду и расхода. Элементы, практически неокисляющиеся в мар­теновской ванне (никель, молибден), часто вводят в период завалки или после расплавления. Вместе с тем элементы, имеющие очень большое сродство к кислоро­ду, например титан, ванадий и др., вводят в ковш после добавок в металл богатого ферросилиция и алюминия.

Такие элементы, как хром, марганец (для легирова­ния), сродство которых к кислороду относительно неве­лико, а масса присаживаемых сплавов большая, вводят после предварительного раскисления в печь. Это обес­печивает хорошее расплавление ферросплавов и позво­ляет нагреть металл до необходимой температуры. Вы­держка металла после легирования этими элементами достигает 20—30 мин, что отрицательно влияет на стой­кость футеровки печи и технико-экономические показа­тели мартеновской плавки. Поэтому все шире находят применение экзотермические сплавы, которые в виде брикетов загружают на дно ковша до выпуска плавки. При термичности брикетов больше 1750 кДж/кг (420 ккал/кг) имеется возможность ввести в сталь мар­ганец или хром в количестве 1,5% без заметного влияния на тепловой баланс этого периода плавки. Одновремен­но возрастает усвояемость легирующего элемента, сокра­щается длительность плавки.

metallurgy.zp.ua

Раскисление, дегазация и легирование стали :: Книги по металлургии

ЛЕГИРОВАНИЕ СТАЛИ

ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ПРИМЕСЕЙ НА СВОЙСТВА СТАЛИ

 

По химическому составу стали можно разделить на углеродистые и легированные. Сталь называют легированной, если в ней заданным составом обусловлено содержание элементов, от­сутствующих в обычной углеродистой стали в значительных ко­личествах, или имеется повышенное против допускаемого в уг­леродистой стали содержание кремния и марганца.

В состав обычной углеродистой стали входят следующие элементы: С, Si, Μn, Al, S, Ρ, О, Η и N. Содержание углерода обусловливает марку и свойства углеродистой стали. Кремний, марганец и алюминий вводят в эту сталь в незначительных ко­личествах, главным образом для ее раскисления. Марганец и кремний обеспечивают также заданные механические свойства стали. Остальные перечисленные элементы попадают в готовую сталь из шихтовых материалов или печных газов и являются вредными примесями. Кроме указанных элементов, в углероди­стой стали всегда содержатся незначительные количества хрома, никеля, меди и молибдена, вносимых шихтой. В углеродистой стали, выплавленной на машиностроительных заводах или заво­дах, производящих в большом количестве легированные стали, содержание этих элементов выше.

Наиболее распространенными легирующими элементами яв­ляются: Сr, Mn, Ni, Si, W, Mo, V, Ti, Cu, Co, Al, B, Nb, Zr, N, As, S, P.

В современной практике особенно часто сталь легируют пер­выми восемью элементами.

 

Ниже кратко излагается влияние различных элементов на свойства стали.

 

Углерод содержится в стали всех марок в количестве от 0,02 до 1,5%. С увеличением содержания углерода повышаются твердость и прочность и понижается пластичность стали. Уве­личение количества углерода на каждую 0,1% в пределах до 0,85% повышает предел текучести на 2,8 кг/мм², предел прочно­сти— на 6,5 кг/мм², снижает удлинение на 4,3% и сжатие по­перечного сечения — на 7,3%. При увеличении содержания уг­лерода более 0,85% его влияние на механические свойства ста­ли проявляются в меньшей степени. Углерод увеличивает режу­щую способность -стали, повышает электросопротивление, коэр­цитивную силу, несколько уменьшает плотность стали; снижает температуру плавления стали примерно на 90° С на каждый процент углерода. В условиях сталеплавильного процесса он яв­ляется раскислителем и определяет содержание кислорода, растворенного в жидкой стали. В твердой стали углерод образу­ет с железом различные структурные составляющие, что опре­деляет свойства стали и является основой для ее последующей термической обработки.

 

Марганец содержится во всех сортах стали и является раскислителем или легирующим элементом. Марганец в виде фер­ромарганца широко используют в сталеплавильных процессах. Он облегчает горячую обработку стали давлением, образуя ту­гоплавкие соединения с серой и кислородом. Остаточное количе­ство марганца (0,25—1,0%), растворяясь в феррите и частично образуя карбид, положительно влияет на механические свой­ства стали. В этих пределах марганец улучшает прокаливаемость стали, повышает предел текучести металла и почти не влияет на удлинение. В конструкционные легированные стали вводят до 1,8% Μη. Марганец является аустенитообразующим элементом. Высокоуглеродистая сталь с 13% Μη имеет в зака­ленном состоянии аустенитную структуру и хорошо сопро­тивляется истиранию при ударной нагрузке. В комплексе с вольфрамом и молибденом марганец служит заменителем ни­келя в конструкционных сталях, а с азотом—в нержавеющих сталях.

 

Кремний, являющийся более сильным раскислителем, чем марганец, вводят в сталь для раскисления в небольших коли­чествах (0,2—0,4%). При содержании более 0,8% кремний яв­ляется легирующим элементом. В количестве около 1% кремний повышает предел прочности и предел текучести стали, не снижая вязкости металла, поэтому углеродистую сталь с указанным со­держанием кремния применяют для изготовления рессор и пру­жин. Кремнемарганцовистые стали, содержащие кремний и мар­ганец в пределах 1 —1,3%, имеют хорошие пластические и проч­ностные свойства и служат заменителями хромоникелевой ста­ли. Кремний повышает магнитную проницаемость и электросо­противление, понижает потери на гистерезис, поэтому электро­технические стали содержат кремний (1,5—2% в динамной ста­ли, до 4%—в трансформаторной). Кремний, являясь феррито-образующим элементом, повышает кислотостойкость металла. Сплав, содержащий до 14% кремния (термосилид), применяют для кислотоупорного литья.

 

Алюминий—энергичный раскислитель. Для раскисления и регулирования размера первичного зерна аустенита  в сталь обычно вводят не более 0,2% А1. Алюминий предотвращает ста­рение стали и повышает ее пластические свойства. В хромомо-либденовые и хромистые стали, предназначенные для азотирова­ния, вводят 0,7—1,2% А1.

Сера в обычных сортах стали содержится в количестве 0,01 — 0,05% и почти полностью находится в виде неметаллических включений. Она вызывает красноломкость стали, снижает меха­нические свойства, увеличивает склонность стали к ржавлению и истиранию, уменьшает способность стали к глубокой вытяжке (штамповке). При более высоком содержании сера облегчает обрабатываемость стали на станках, поэтому в специальные сор­та стали (автоматную) вводят 0,1—-0,3% S.

 

Фосфор в стали обычно присутствует в количестве 0,02— 0,1%· Он Вызывает хладноломкость стали. В средне- и высо­коуглеродистых сталях это проявляется при меньших содержа­ниях фосфора, чем в низкоуглеродистых. В сталях, работающих только при повышенных температурах, допускается более вы­сокое содержание фосфора. В гаечную и болтовую сталь для улучшения обрабатываемости вводят около 0,1% Р. Фосфор по­вышает коррозионную стойкость стали и препятствует слипанию тонких листов при прокатке листового железа.

 

Хром является одним из наиболее распространенных леги­рующих элементов, его используют как самостоятельно, так и в комплексе с другими элементами. Содержание хрома в легиро­ванной стали колеблется от 0,5 до 30%. Хром является феррито-образующим элементом; его присадка ведет к расширению тем­пературного интервала затвердевания металла. При содержании 1.5% хром увеличивает твердость и прочность стали, не снижая ее пластичности. Для улучшения механических свойств стали вводят около 1% Сг. Хром повышает прочность стали при высо­ких температурах и увеличивает сопротивление окислению. Сталь, содержащая около 5% Сг, является теплостойкой. В кис­лотоупорной стали содержание хрома составляет 17—20%, в жаропрочных — 23—28%. Хром увеличивает прокаливаемость стали и несколько уменьшает склонность <к перегреву, увеличи­вает сопротивление стали истиранию; в количестве 0,15—0,3% предотвращает слипание тонких листов кипящей стали при про­катке пакетами.

Никель применяют для легирования стали в концентрации от 1 до 25%. Он повышает прочность, особенно ударную вязкость стали и сопротивление окислению, увеличивает прокаливае­мость, мало влияет на прочность стали при высоких температу­рах. Никель является аустенитообразующим элементом. В кис­лотоупорную сталь вводят 8—12% Ni, в окалиностойкую — 18—20%; служит стабилизатором аустенитного состояния при высоких и при низких температурах. В больших количествах никель применяют для производства сплавов (нихромов), пред­назначенных для изготовления нагревательных элементов. Ни­кель— дорогой и дефицитный металл, поэтому постоянно ведут работы по созданию сталей и сплавов, в которых никель был бы заменен другими элементами.

 

Молибден для легирования стали вводят в количестве от 0,2 до 5%. Молибден до 0,6% повышает прочность и твердость ста­ли, улучшает пластические свойства. Молибден сильно увеличи­вает прокаливаемость стали и обладает свойством ликвидиро­вать отпускную хрупкость. В конструкционной стали содержится 0,2—0,4% Мо. Молибден повышает прочность стали при высоких температурах и поэтому его вводят в теплостойкие (0,4—0,6%) и жаропрочные (2—5%) стали. Некоторые жаропрочные сплавы содержат более 5% Мо. Молибден — очень дорогой и дефицит­ный металл, поэтому проводят большое число исследований с целью замены молибдена в стали другими элементами.

Вольфрам применяют в сталях, работающих при высоких температурах и больших ударных нагрузках. В быстрорежущую инструментальную сталь вводят 8,5 и 18% W, в штамповые и инструментальные— 1—8%, в жароупорные — 2—3%. Воль­фрам— карбидообразующий элемент, поэтому сталь, содержа­щая вольфрам, обладает большой прочностью и твердостью. Сто­имость вольфрама очень высока, поэтому его применяют только для некоторых сталей.

 

Ванадий—карбидообразующий элемент, сильно измельчает зерно аустенита, повышает прочность и увеличивает вязкость ме­талла. Сталь, содержащая ванадий, хорошо сопротивляется ударным нагрузкам. Конструкционная сталь содержит 0,15— 0,4% V, а быстрорежущая инструментальная — 1—2% V. Ва­надий— дефицитный металл. При переработке железных руд, содержащих ванадий, он окисляется и переходит в шлак, ко­торый специально перерабатывают с целью извлечения вана­дия.

 

Титан образует прочные карбиды и нитриды, сильно измель­чает зерно аустенита. 0,4—0,7% Ti вводят в кислотоупорную сталь для связывания углерода в прочные .карбиды, в результа­те чего уменьшается склонность этой стали к межкристаллической коррозии. Конструкционные стали содержат 0,1—0,15% Ti. Титан вводят в сталь, предназначенную для электросварки, с целью уменьшения самозакаливаемости. В ферритной высоко­хромистой стали титан измельчает зерно и препятствует образо­ванию аустенита.

 

Ниобий — сильно карбидообразующий элемент. Повышает прочность и твердость низколегированной стали, а также замет­но увеличивает сопротивление стали окислению при высокой температуре. Присаживается в нержавеющую сталь для устра­нения склонности к межкристаллитной коррозии, а в углероди­стую (0,1%) и марганцовистую конструкционную (0,25%) — для ликвидации отпускной хрупкости.

 

Медь повышает прочность феррита. В количестве до 0,5% увеличивает пластичность стали в холодном состоянии, в количе­стве 0,2% —сопротивляемость углеродистой стали атмосферной коррозии. 3—4% Си вводят в хромоникелевую нержавеющую сталь для повышения ее коррозионной стойкости, 0,2% Си вво­дят в сталь, предназначенную для изготовления корпусов кораб­лей, так как медь препятствует прилипанию водорослей и ‘раку­шек на подводную часть судна; кроме того, медь повышает пре­дел текучести этих сталей. При содержании меди выше 0,3% в стали образуются участки эвтектического сплава, богатого медью и обладающего низкой температурой плавления. Этот сплав отлагается по границам зерен и вызывает красноломкость, металла при ковке и прокатке.

 

Бор в количестве 0,002—0,004% вводят в конструкционную сталь, предназначенную для термической обработки, с целью увеличения прокаливаемости. Влияние 0,002% В на увеличение прокаливаемости эквивалентно влиянию 0,2% Мо или 1% Ni, поэтому бор вводят вместо дефицитных элементов в высокопроч­ные, конструкционные стали. Количество марок стали, содержа­щей бор, с каждым годом возрастает.

Кобальт — дорогой металл. Быстрорежущая сталь, содержа­щая кобальт, остается очень твердой при высокой температуре (режущая кромка сохраняет свои свойства даже при температу­ре красного каления). Магнитотвердые сплавы (алнико) содер­жат до 24% Со. Кобальт повышает стойкость стали против окисления при высокой температуре, поэтому входит в состав сталей, ‘из которых изготовляют лопатки турбин, выхлопные клапаны двигателей внутреннего сгорания и др. Содержание кобальта в изготовляемых сплавах доходит до 55%.

 

Цирконий вводят в углеродистые и конструкционные стали в. количестве 0,1—0,25%. Цирконий аналогично алюминию измель­чает зерно стали, повышает температурный порог начала роста зерна и прокаливаемость стали. Увеличивает предел выносли­вости стали на воздухе и в коррозионной среде и прочностные характеристики, ударную вязкость при температурах ниже нуля и улучшает свариваемость стали. Цирконий повышает тепло­устойчивость стали в пределах температур до 500° С. Комплекс­ное легирование цирконием и другими элементами (ванадием, титаном) сказывается на свойствах стали сильнее, чем легиро­вание одним цирконием. Вследствие высокой стоимости и боль­шого угара (~50%) цирконий не нашел широкого распростра­нения в металлургии, хотя в настоящее время разработано не­сколько марок стали, рекомендованных промышленности.

 

Кальций в количестве 0,2—0,5% вводят в углеродистые и конструкционные стали для раскисления. В высоколегированных сталях кальций выполняет роль модификатора. Вводится в сталь обычно в виде силикокальция, реже — в виде металличе­ского кальция. В присутствии алюминия или редкоземельных металлов кальций способствует образованию глобулярных не­металлических включений.

 

Свинец (до 0,25%) вводят в некоторые стали для облегчения обработки резанием. На механические свойства стали влияет очень мало. Свинец совершенно не растворяется в жидкой ста­ли, образует эмульсию; часть его при взаимодействии со сталью испаряется. Присаживают свинец в изложницы. Пары окислов свинца ядовиты, поэтому необходимо принимать меры к их улавливанию.

 

Цинк применяют как покрытие тонколистовой стали и труб для защиты от ржавления. В жидкую сталь его вводить нельзя, так как он испаряется при температурах сталеварения.

 

Олово не применяют в качестве легирующего элемента, а ис­пользуют как покрытие очень тонкой (белой) жести. В сталь олово попадает из шихты. Олово в количестве 0,06% вызывает хрупкость стали при температурах ковки и прокатки (красно­ломкость), в количестве до 0,1% не влияет на механические свойства стали, однако в стали, предназначенной для глубокой вытяжки, содержание олова не должно превышать 0,02—0,03%.

 

Мышьяк попадает в сталь из железных руд. Особенно много мышьяка содержится в стали, выплавляемой из чугуна, полу­ченного из руд Керченского месторождения. Мышьяк в стали не является вредной примесью, и его действие похоже на действие меди. При содержании до 0,1% мышьяк повышает предел проч­ности и предел упругости стали (на каждую 0,01 % увеличения содержания мышьяка 0,4 кг/мм²). При этом пластичность и ударная вязкость снижаются незначительно. До 0,25% мышьяк не изменяет свариваемость стали. Мышьяк при затвердевании ликвирует подобно сере и фосфору. Присадка мышьяка несколь­ко повышает сопротивляемость стали атмосферной коррозии.

 

Редкоземельные металлы (церий, лантан и др.), введенные в сталь в виде мишметалла или ферроцерия , заметно влияют на механические и технологические свойства сталей. Церий и лан­тан применяют в качестве модификаторов различных сталей; одновременно они являются десульфураторами и дегазаторами стали. Количество мишметалла или ферроцерия, вводимых в ковш, колеблется в ‘пределах 1—3 кг на тонну жидкой стали. При введении такого количества редкоземельных металлов в слитках л отливках углеродистой, конструкционной и высоколе­гированной сталей исчезает дендритная структура. Жидкотеку-честь стали при этом повышается, что способствует быстрому удалению сульфидов церия и лантана, образующихся при взаи­модействии с жидким металлом. Наиболее полная десульфура-ция кислой стали (примерно на 50%) достигается при введении церия (0,2—0,3%) и силикокальция (0,2—0,3%) непосредствен­но в струю металла во время выпуска в ковш. Присутствие ред­поземельных металлов в стали улучшает ее свариваемость и де­формируемость в горячем состоянии. Присадка в сталь Х23Н18 0,1—0,2% ферроцерия способствует измельчению литой структуры металла и улучшению ковкости и прокатываемость слит­ков. Введение 0,05—0,1% мишметалла в сталь 40Н ослабляет внеосевую зональную неоднородность слитков и отливок, при­садка 0,15—0,2% сплава практически предотвращает образо­вание усов в слитках. Церий способствует повышению свойств литой стали до уровня кованой. Чем больше загрязнений в жид­кой стали, тем эффективнее влияние обработки ее церием. Чем более легирована сталь, тем меньше оптимальная величина до­бавок: церия. Для ответственных отливок из углеродистой стали эта величина составляет 0,2—0,3%, для стали, легированной ни­келем, хромом, кремнием,—0,1—0,15%.

 

Другие элементы периодической системы в виде примесей также могут присутствовать в стали, однако их содержание настолько ничтожно, что они не оказывают какого-либо замет­ного влияния на свойства металла. Интересно отметить, что даже в состав технически чистого железа входит около двадцати различных элементов, хотя их общее содержание не превыша­ет 0,25%. 

markmet.ru

..   90  91  92  93  94  95  96  97  98  99   ..      14.9. ЛЕГИРОВАНИЕ СТАЛИ Легированной называют такую сталь, в составе которой помимо обычных примесей содержатся легирующие примеси либо содержание кремния и марганца в которой повышено против обычного количества. Легированные стали могут выплавляться и без искус­ственного введения в них легирующих элементов, например, если в качестве шихтовых материалов используют чу­гун, полученный из руд, содержащих легирующие примеси. Такие чугуны называют природнолегированными. Так, в составе железных руд Орско-Халиловского месторождения содержатся значительные количества хрома и ни­келя. При переплаве этих руд в домен­ных печах получается чугун, содержа­щий < 3 % Сг и 0,7—0,9 №. Известно также Кремиковское месторождение железных руд в Болгарии. В составе этих руд много оксидов марганца, и выплавляемый из них чугун содержит до 4 % Мп. 1 Легировать (от нем. legieren, лат. ligare — связывать, соединять) — вводить в металл или металлический сплав другой (легирую­щий) элемент (Сг, W, V, Мо) для улучшения физических свойств металла. Однако в большинстве случаев ле­гирующие элементы вводят в металл в виде разных добавок. Легирующими могут быть как элементы, не встреча­ющиеся в обычной стали, так и эле­менты, которые в каких-то количе­ствах содержатся во всякой стали (С, Mn, Si, S, Р). По степени растворимо­сти в железе легирующие добавки можно разделить на группы: 1.  Металлы, полностью раствори­мые в железе, — А1, Се, Mn, Cr, Ni, V, Си, Со, Si, Ti, Sb, Be. 2.  Металлы, частично растворимые в железе, — W, Mo, Zr. 3.  Металлы, практически не раст­воримые в железе, — Pb, Ag, Bi. 4.   Металлы,  растворимость кото­рых  при  температурах  сталеварения точно не установлена, так как они при высоких температурах испаряются, — Са, Cd, Li, Mg, Na, Hg, Zn. 5.  Неметаллы, частично раствори­мые в железе, — С, S, P, N, As, Se, В. Ряд легирующих элементов образу­ет в железе растворы, близкие к иде­альным. Это Mn, Co, Ni, Cr, Mo, A1, из которых только кобальт и марганец действительно образуют практически идеальные растворы; при образовании остальных растворов приходится учи­тывать теплоту смешения. Однако ча­сто легирующие добавки вводят в ме­талл в небольших количествах; они образуют с железом растворы, кото­рые можно считать бесконечно разбав­ленными, т. е. растворами, подчиняю­щимися закону Генри. На производстве сталь часто леги­руют не одним элементом, а не­сколькими. При этом необходимо учитывать влияние всех компонентов сплава. При определении технологии леги­рования принимается во внимание прежде всего химическое сродство того или иного легирующего элемента к кислороду. Химическое сродство к кислороду таких элементов, как Мо, Ni, Си, Со, меньшее, чем у Fe. Во вре­мя плавки данные элементы не окис­ляются и поэтому обычно вводятся в металл вместе с шихтовыми материа­лами или по ходу плавки без опасения получить значительный их угар. Дру­гая группа легирующих элементов (Ti, V, Cr, Si, Mn, A1) имеет химическое сродство к кислороду более высокое, чем Fe. Эти элементы под воздействи­ем кислорода газовой фазы, оксидов железа шлака и кислорода, растворен­ного в металле, окисляются, поэтому их вводят в металл обычно в конце плавки (часто в ковш) в предваритель­но раскисленную ванну. Кроме того, принимают специальные меры по предотвращению окисления металла при разливке (закрытие струи, защита струи подачей инертного газа и др.). При определении технологии легиро­вания принимают во внимание также массу материалов, которые необходи­мо ввести в металл для получения в нем заданных концентраций легирую­щих элементов. Обычно легированные стали по со­держанию легирующих примесей де­лят на три группы: 1) низколегирован­ные; 2) сред нелегированные; 3) высо­колегированные. При производстве низколегированной стали количество вводимых в металл добавок сравни­тельно невелико и введение их особых затруднений не вызывает. Для произ­водства низколегированной стали ши­роко используют сталеплавильные аг­регаты всех типов: мартеновские и ду­говые печи, конвертеры. При произ­водстве средне- и высоколегированных сталей масса вводимых при легирова­нии материалов значительно больше и появляется опасность чрезмерного ох­лаждения плавки. В связи с этим стали этих групп выплавляют или в обычных агрегатах, но при условии расплавле­ния и нагрева легирующих добавок в специальном вспомогательном агрега­те, или в дуговых, или в плазменных печах с введением легирующих доба­вок в печь и последующим подогре­вом металла либо с использованием специальных агрегатов: подогревае­мых ковшей или конвертеров с аргоно-кислородной или кислородно-ва­куумной продувкой. В данном случае при проведении расчетов, связанных с введением легирующих добавок, необ­ходимо учитывать количество тепла, которое выделяется или поглощается при образовании раствора. Обычно легирующие добавки вво­дят в металл или в виде чистых мате­риалов (бруски никеля, меди, алюми­ния, куски серы, графитовый порошок и т.д.), или в виде сплавов с же­лезом (ферромарганец, ферросили­ций, феррофосфор, феррованадий и т. п.). Усвоение легирующего элемен­та, введенного в виде сплава с желе­зом, несколько выше, однако необхо­димо учитывать, что при этом возрас­тает масса вводимых в металл холод­ных материалов. Кроме указанных выше способов для легирования используют ввод до­бавок в виде соединений (оксидов, карбидов, нитридов и т. д.). Так, на­пример, при производстве никельсо-держащей коррозионностойкой стали широко используют способ вдувания в струе газа в металл порошка оксида никеля NiO; при производстве стали, содержащей ванадий, для легирования используют дешевый шлак, содержа­щий оксиды ванадия, и т. д. Легирую­щие добавки — дорогостоящие приме­си, поэтому стоимость легированной стали высока. Однако производство легированной стали экономически оправдано из-за получения особых свойств стали и обеспечения возмож­ности уменьшить массу металличес­ких конструкций, повысить их долго­вечность и надежность. Учитывая вы­сокую стоимость легированной стали, все мероприятия, приводящие к сни­жению расхода легирующих добавок или к использованию более дешевых материалов, экономически эффектив­ны. К таким мероприятиям прежде всего можно отнести использование легированных отходов (т. е. отходов легированной стали). Содержащиеся в стальных отходах алюминий, титан, кремний при переплаве почти не со­храняются, однако такие легирующие примеси, как никель, кобальт, медь, молибден, удается при переплаве ис­пользовать полностью. Такие приме­си, как марганец, хром, вольфрам, ва­надий, при переплаве можно исполь­зовать, если вести плавку без окисле­ния.                    ..   90  91  92  93  94  95  96  97  98  99   ..

sinref.ru

Легирование стали

Согласно диаграмме состояния железо-углерод все бинарные железоуглеродистые сплавы, которые содержат менее, чем примерно 2,11 % классифицируются как стали. (Вместо 2,11 % иногда применяют 2,06 %, а термодинамически вычисленная величина, говорят, составляет 2,14 %. Чтобы не было споров лучше, может быть, применять округленное число 2,1 %, которое, может устроить всех). Железоуглеродистые сплавы, которые содержат более 2,11 % углерода, называют чугунами. Когда для получения желаемых свойств в сталь в дополнение к углероду добавляют другие легирующие элементы, «пограничное» содержание углерода между сталями и чугунами может стать отличным от 2,11 %.

Влияние легирующих элементов на свойства стали

Стали обычно содержат легирующие элементы и примеси. Легирующие элементы (в меньшей степени – примеси) влияют на диаграмму состояния стали, аллотропические превращения и формирование новых фаз. Комбинированное влияние легирующих элементов и термической обработки дает огромное разнообразие микроструктуры и свойств сталей. Необходимо заметить, что на влияние отдельного легирующего элемента на свойства или структуру стали накладывается влияние других элементов. Поэтому всегда нужно учитывать взаимодействие легирующих элементов.

Влияние легирующих элементов на атомную решетку железа

По влиянию на матрицу – железную атомную решетку – легирующие элементы делятся на две категории:

• Стабилизаторы аустенита. Эти легирующие элементы расширяют аустенитную область на диаграмме состояния и способствуют образованию аустенита. Это – никель, кобальт, марганец, медь, углерод и азот.
• Стабилизаторы феррита. Эти легирующие элементы сокращают аустенитную область диаграммы состояния и способствуют образованию феррита. К этим легирующим элементам относятся: кремний, хром, вольфрам, молибден, фосфор, алюминий, олово, сурьма, мышьяк, цирконий, ниобий, бор, сера и селен.

Взаимодействие легирующих элементов с углеродом

По взаимодействию с углеродом в стали легирующие элементы делят на следующие две категории:

•  Легирующие элементы, образующие карбиды: марганец, хром, молибден, ванадий, вольфрам, ниобий, титан и цирконий. При небольших концентрациях они  образуют твердый раствор в цементите, а при высоких концентрациях – образуют стабильные карбиды. В отличие от других легирующих элементов марганец только растворяется в цементите.
•  Легирующие элементы, не образующие карбиды: никель, кобальт, медь, кремний, фосфор и алюминий. Эти легирующие элементы не взаимодействуют с карбидами в стали и обычно находятся в матрице сплава – железной атомной решетке.

Источник: Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies, ed. G. E. Totten, 2006

steel-guide.ru