Влияние вводимых легирующих элементов на свойства стали

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

УДК 629.113.004.67

Д.Н. Макеев

ВЛИЯНИЕ ВВОДИМЫХ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СВОЙСТВА СТАЛИ

Приводится описание влияния легирующих элементов на свойства стали.

Введение в сталь в определенных количествах различных химических элементов, позволяет устранить недостатки углеродистой стали, улучшить ее механические свойства, а также получить те или иные особые физико-химические свойства, которыми углеродистая сталь не обладает, поэтому, добавляя их в определенных количествах и сочетаниях, можно получать стали с различными свойствами.

Легирование сталей, интерметаллические соединения, микротвердость интерметаллических фаз

D.N. Makeev INFLUENCE OF ALLOYING ELEMENTS ON THE STEEL PROPERTIES

The article provides evidence of the influence of alloying elements on the steel properties. Introducing a certain amount of various chemical elements into the steel substance allows eliminating deficiencies in the carbonaceous steel, improves its mechanical properties, and results in the particular physical and chemical properties devoid in the carbonaceous steel. Therefore adding certain quantities and combinations of these elements can ensure variety for steel properties.

Steel alloying, intermetallic connections, microhardness of intermetallic phases

В настоящее время ведется создание новых конструкционных материалов, которые могут выдерживать действие низких и высоких температур, высокого давления и обладать определенным комплексом физических и механических свойств.

В связи с этим актуальное значение приобретает повышение прочности металлов и сплавов и надежности деталей, изготовленных из них, работающих в условиях высоких скоростей, давлений и температур.

Независимо от назначения и использования металлов и сплавов их производство должно осуществляться по совершенной и рациональной технологии, гарантирующей заданные качественные показатели и необходимую структуру материалов.

В последние годы все большее распространение получают биметаллические конструкции и узлы (железо с различными элементами), в том числе с металлической (диффузионной) связью между разнородными металлами [4]. Этому способствует быстрое развитие в различных отраслях промышленности, где преимущественно используют эти детали и узлы.

Введение в сталь в определенных количествах элементов, называемых легирующими, позволяет устранить недостатки углеродистой стали, улучшить ее механические свойства, а также получить те или иные особые физико-химические свойства, которыми углеродистая сталь не обладает. Влияние легирующих элементов на свойства стали разнообразно, поэтому, добавляя их в определенных количествах и сочетаниях, можно получать стали с различными свойствами: высокой прочностью и вязкостью при обычных и высоких температурах, хорошей стойкостью против действия агрессивных сред, особыми электротехническими и другими свойствами.

Железоалюминиевые изделия сочетают высокую жаропрочность, твердость, износостойкость сталей и малую плотность, а также высокую теплопроводность алюминиевых сплавов. Все эти свойства получаются при осуществлении алитирования стали, т.е. покрытия стали слоем алюминия определенной толщины. Образующийся в этом случае диффузионный слой определяет технологическую и эксплуатационную прочность, коррозионную стойкость и другие свойства биметаллического соединения.

Известно [4], что интерметаллические соединения обладают рядом ценных свойств, например имеют высокую точку плавления, значительную прочность, некоторые из них отличаются исключительной кислотостойкостью.

Литературные сведения о механических свойствах интерметаллических соединений немногочисленны, что, вероятно, объясняется значительными экспериментальными трудностями их получения и испытания, особенно в связи с высокой хрупкостью. Тем не менее механические свойства соединений в настоящее время имеют первостепенное значение. Знание свойств таких соединений важно не только в связи с упрочняющим эффектом, например в высокопрочных алюминиевых сплавах, но также и для получения материалов, обладающих новыми свойствами.

Известно [4], что сплавы на основе железа особенно склонны к образованию интерметаллических соединений из твердых или жидких растворов, поскольку их электронная структура с незаполненной ^-электронной оболочкой благоприятна для возникновения соединений с металлическим типом связи. В частности, хорошо известно образование соединений типа Fen Alm из твердого раствора двойной системы железо - алюминий. Такие соединения обнаруживаются на диаграммах состав-свойство (в том числе на диаграммах состав - механические свойства) благодаря характерным изменениям свойств. Однако сведения о механических свойствах интерметаллических соединений системы алюминий - железо крайне ограниченны, а прочность их при комнатной температуре не установлена. В некоторых случаях известна кристаллическая структура, но сведения о ней противоречивы. Изучение механических свойств, как правило, ограничивается измерением микротвердости этих соединений в алюминиевой матрице.

Легирование твердых растворов на основе интерметаллических соединений позволило бы значительно изменять их механические и другие свойства.

8 200 400 600 80S

_________________________________t"C

а б

Рис. 1. Температурная зависимость твердости (а) и теплопроводности (б) интерметаллических фаз (АВ соответствует стальной части образца, ВС - соединению РвЛ^, 00 - алюминиевой части образца) [4]

В образующемся при таком легировании многофазном сплаве определяющее влияние второй фазы сводится к повышению механических свойств сплава за счет ее собственной прочности, особенно при повышенных температурах. При этом зависимость прочности (твердости) интерметаллической фазы от температуры выражается прямой линией, имеющей перегиб (рис. 1а). Точка перегиба для этих соединений не равна половинному значению температуры плавления (тя), как для чистых

металлов, и расположена обычно в области 0,5-0,75 ґпл, что для соединений ГеАЇ3 и Ге2АЇ5 составляет соответственно 460 и 450 °С. На основании этого высказана гипотеза о различных механизмах деформаций интерметаллических фаз, действующих по обе стороны от температурной точки перегиба (ґк): ниже точки ґк преобладает процесс скольжения, и можно предположить, что атомы их соединены сильными локализованными связями. Скольжение или перемещение атомов относительно друг друга происходят гораздо легче при повышенных температурах вследствие ослабления межатомных связей в области выше температурной точки ґк.

Сравнение микроструктур на различных участках образца в зоне контакта алюминия со сталью с кривой изменения теплопроводности позволило обнаружить небольшой участок с низким значением коэффициента теплопроводности - 7,94 ккал(м-ч-град) (рис. 1б).

Данные о микротвердости интерметаллических соединений в течение долгого времени были единственной информацией об их механических свойствах. Часто твердость при низких температурах служит более надежным показателем уровня прочности, чем обычные характеристики (пределы прочности и текучести), из-за чрезвычайной хрупкости этих материалов. Только при высоких температурах, когда наблюдается некоторая пластичность, имеется хорошая корреляция между прочностью и твердостью.

Результаты измерения твердости интерметаллических сплавов литого состояния приведены на рис. 2 (даны средние значения из 20-30 измерений).

Результаты измерения твердости интерметаллических сплавов состояния после отжига приведены на рис. 3 (даны средние значения из 20-30 измерений).

Микротвердость сплавов независимо от их фазового состава значительно выше микротвердости исходных компонентов - алюминия и железа. Для фаз Ге2АЇ5, Ге2АЇ7, ГеАЇ3 и ГеАЇ2 Нц колеблется в интервале 9600 - 11500 МПа, с увеличением содержания железа она падает до 6600 МПа для фазы БеЛІ и до 2700 МПа для фазы ГеАЇ.

Микротвердость железоалюминиевых сплавов измеряли при комнатной температуре и далее при нагреве от 50 до 650 °С через каждые 50 град. Результаты измерений приведены на рис. 4.

Каждая точка - усредненный результат пяти-шести измерений.

Наибольшей твердостью при комнатной температуре обладает соединение Ре2ЛІ5 (11500 МПа).

Твердость всех интерметаллических фаз при низких температурах уменьшается с ростом содержания железа, что согласуется с известными данными [2]. С увеличением температуры микротвердость соединений падает. Точка перегиба в значениях микротвердости лежит в пределах 0,3-0,5 ґпл. Для фаз ГеАЇ3 и ГеАЇ2 разупрочнение наступает при 0,5 ґпл; фаза Ге2АЇ5 разупрочняется при 0,45 ґпл, фаза ГеАЇ - при 0,33 ґпл. Наконец, для соединения Ге3АЇ видимого перегиба кривой на графике не наблюдается - происходит постепенное снижение твердости.

Рис. 2. Свойства интерметаллических фаз системы железо - алюминий [4]: 1 - АІ; 2 - АІ + РвАІз; 3 - Рв2АІ/,

4 - РвАІз, 5 - Рв2АІ5; 6 - РвА2; 7 - РвАІ; 8 - РвзАІ; 9 - Рв

Рис. 3. Свойства интерметаллических фаз системы железо - алюминий [4]: 1 — А1; 2 — А1 + РеА1з; 3 — Ре2А1/; 4 — РеА1з; 5 — Ре2А15; 6 — РеА12;

7 — РеА1; 8 — РезА1; 9 — Ре

Рис. 4. Зависимость микротвердости интерметаллических фаз системы железо — алюминий от температуры [5]:

X — РеА1з, 600-550 °С; • — Ре2А15, 550-500 °С; Л — РеА2 600-550 °С; 0 — РеА1, 450-400 °С; + — РезА1

Приведенные данные представляют практический интерес, так как объясняют хорошую деформируемость алитированных листов при их пластической обработке при повышенных температурах и могут служить обоснованием выбора температуры обработки.

Прочность соединения алюминия с железом можно достигнуть различными методами. Одним из наиболее простых методов является введение в ванну методом прямого сплавления с применением дугового разряда, легирующих добавок в виде как индивидуальных металлов, так и их комбинации или интерметаллических соединений. Первостепенное значение для рационального выбора легирующих добавок имеет знание фазовых равновесий, а также составов и структур железоалюминиевых систем (тройных или с большим числом компонентов).

Рассмотрим влияние различных легирующих элементов на свойства стали.

Кремний как легирующий элемент в сталях содержится в количестве 0,5-0,6 % и более [1]. Сталь, легированная кремнием, обладает более высокими значениями предела текучести, упругости, ударного сопротивления, небольшим остаточным магнетизмом, хорошей прокаливаемостью, жароупорностью, способностью в закаленном состоянии сохранять твердость при относительно высоких температурах и другими полезными свойствами. Кремнием легируют стали различного назначения:

конструкционные (0,8-1,5% Бг), инструментальные (1,2-1,6% Si); пружинно-рессорные (1,3-2,0% Бг), жаро- и окалиностойкие (2,0-3,0% Бг), динамно-трансформаторные (2,5-4,5 % Бг) и др. Обычно сталь легируют кремнием в сочетании с другими примесями, чаще всего в сочетании с хромом и марганцем.

Кремний, содержащийся в металлической шихте, хотя во время плавки окисляется и теряется практически полностью, но на ход процесса, как правило, влияет положительно. Это выражается в улучшении теплового баланса плавки, поскольку среди обычных примесей металлической шихты кремний окисляется с выделением наибольшего количества тепла.

Марганец как легирующий элемент является одним из самых дешевых и наиболее распространенных в РФ. Это связано с тем, что, во-первых, РФ располагает значительными запасами марганцевых руд; во-вторых, относительно просто извлечение (восстановление) марганца из руд.

Марганец расширяет область у-Гв, т.е. повышает устойчивость аустенита и увеличивает степень его переохлаждения. Благодаря этому марганец резко уменьшает критическую скорость закалки, поэтому марганцовистая сталь прокаливается значительно глубже, чем простая углеродистая. Растворяясь в феррите, марганец повышает прочность стали (пределы прочности и текучести), особенно в области содержаний 0,1-0,5 % углерода (С), но несколько снижает пластичность стали (относительное удлинение и ударную вязкость). Марганец также повышает износостойкость, и упругость стали, широко применяется для легирования конструкционных, пружинно-рессорных, износостойких и других сталей.

Чаще всего применяют стали низко- (0,8-1,8 % Мп) и высоколегированные (10-15% Мп), в которых в качестве легирующих элементов могут быть также хром, никель и др. Марганец в легированных сталях часто является заменителем более дорогого и дефицитного никеля.

Марганец вследствие образования прочных карбидов несколько снижает пластичность стали, особенно при обычной температуре, поэтому в низкоуглеродистой стали, используемой для глубокой штамповки без нагрева (автомобильные кузова и др.), желательно низкое содержание (0,2-0,3%) марганца. Примерно такими же пределами ограничивается его содержание в углеродистой инструментальной стали, так как при более высоких содержаниях ухудшаются режущие свойства стали. Но при легировании инструментальной стали марганцем (1,0-1,5% Мп) ее качество повышается благодаря улучшению прокаливаемости.

Повышение технологических и эксплуатационных свойств стали в результате легирования ее марганцем, так же как и многими другими элементами, оказывается существенным обычно лишь тогда, когда сталь подвергается соответствующей термической обработке. Применение легированной стали без термической обработки часто не дает желаемого эффекта: затраты, связанные с легированием стали не в полной мере компенсируются улучшением качества стали.

Хром широко используется в качестве легирующей примеси, особенно в сочетании с никелем и некоторыми другими элементами: более 80 % марок легированных сталей в том или ином количестве (от 1-2 % в низколегированных до 25-30 % в высоколегированных) содержат хром. Однако в некоторых сталях хром является нежелательной примесью, и его содержание обычно ограничивают пределами 0,15-0,2%. В канатной стали содержание хрома должно быть не более 0,05-0,1 %, так как при более высоких содержаниях наблюдается ухудшение пластичности стали, что приводит к уменьшению срока службы канатов.

Хром, обладая сравнительно высоким химическим сродством к кислороду, в сталеплавильных ваннах окисляется довольно интенсивно, особенно при умеренно низких температурах начала плавки. Оксиды хрома и их соединения имеют высокую температуру плавления (1800-2000 °С) и ограниченную растворимость в сталеплавильных шлаках. Поэтому при значительном содержании хрома в исходной металлической шихте (чугуне или ломе) получаются гетерогенные, малоподвижные, склонные к пенообразованию шлаки, резко ухудшающие условия ведения плавки, особенно в мартеновских печах, где нагрев металла осуществляется через слой шлака. В связи с этим имеются пределы допустимого содержания хрома в исходной шихте не только в случае производства стали, в которой хром является нежелательной примесью, но и при производстве легированной хромом стали. Эти пределы зависят от конкретных условий ведения плавки.

Ванадий в стали является одной из ценнейших и полезных примесей и широко используется для раскисления и легирования при выплавке конструкционной, рессорно-пружинной, инструментальной и других сталей. По химическому сродству к кислороду ванадий занимает промежуточное положение между марганцем и кремнием, т. е. является не очень сильным раскислителем. Но образуя прочный нитрид, даже при содержаниях 0,07-0,10% ванадий существенно снижает вредное влияние азота, например делает сталь нестареющей.

Положительное влияние ванадия как легирующего элемента сказывается при содержаниях

0,15-0,25% и более. Образуя тугоплавкие нитриды и карбиды, ванадий способствует измельчению

первичного и вторичного зерна, повышает твердость и износостойкость стали, а растворяясь в феррите, повышает предел текучести и улучшает пластичность (ударную вязкость). Только в нестареющей кипящей стали ванадий является единственной легирующей примесью. В сталях других марок ванадий, как правило, используется в сочетании с другими легирующими элементами: никелем, хромом, молибденом, вольфрамом и др.

Характер взаимодействия алюминия с различными элементами исключает возможность образования непрерывных твердых растворов трех компонентов с участием алюминия. Этот вывод можно сделать на основании того, что ни с одним из элементов алюминий не образует непрерывных твердых растворов. Добавление третьего компонента может привести к уменьшению количества интерметаллических фаз и ограничению области их существования.

Система алюминий - железо - ванадий [4, 5]. В этой системе до последнего времени был исследован один сплав для проверки существования в нем тройного соединения со структурой типа фазы Гейслера и получены при этом отрицательные результаты (такое соединение в системе не образуется).

В исследованной области системы алюминий - железо - ванадий тройные интерметаллические соединения не образуются. После приготовления целого ряда сплавов и их исследования выяснилось, что в области ГвА13гУ5А18—УА13 тройное соединение не появляется и что все три фазы находятся в тройном равновесии друг с другом. Существование равновесия ГвА13+ГвА1 подавляет растворимость ванадия в соединениях Гв2А15 и ГвА12. Поэтому на рентгенограммах тройных сплавов линии этих двойных соединений (Гв2А15 и ГвА12) не обнаруживаются (за исключением сплавов с небольшим количеством ванадия). Соединения Гв2А15 и ГвА12 находятся в равновесии с твердым раствором ванадия в двойном соединении ГвА1. Границы областей твердых растворов ванадия в двойных соединениях ГвА1, Гв2А15 и ГвА13, а также железа в соединении У5А18 подробно не исследовались и на изотермическом сечении нанесены приблизительно.

Следует отметить, что фазовый состав сплавов в литом состоянии мало отличается от фазового состава сплавов, гомогенизированных при 800 °С. В литом состоянии несколько расширена область твердого раствора железа в соединении УАЬ-

Тройная система алюминий - железо - хром частично изучалась [3]. Было установлено, что в богатой алюминием области системы тройные соединения не образуются и что соединения СгА17 и Сг2А17 растворяют значительные количества железа, а соединение ГвА13 растворяет хром. Более подробных сведений о системе алюминий - железо - хром в литературе нет.

Система алюминий - железо - марганец. Установлено, что в богатых алюминием сплавах системы алюминий - железо - марганец тройные соединения отсутствуют. В алюминиевом углу существует тройное эвтектическое равновесие А1 + ГвА13 + МпА16. Тройная эвтектика образуется при содержании железа 1,75% (по массе) и марганца 0,75% (по массе). Двойное соединение МпА16 растворяет значительные количества железа - до 14% (по массе), соединение ГвА13 растворяет марганец в меньшей степени. Известно, что даже небольшие количества железа уменьшают растворимость марганца в алюминии.

Установлено, что при содержании алюминия около 10% и марганца около 35% а- и у-фазы сосуществуют с фазой, имеющей структуру типа Р-Мп. Определено также, что добавка 1-3% Мп значительно повышает твердость ГвА1.

Система алюминий - железо - медь. Исследованию двойной системы алюминий - медь посвящено много работ [2], однако эту систему нельзя еще назвать полностью изученной, и в литературных данных имеется много расхождений. Система алюминий - медь является одной из самых сложных двойных систем. Согласно двойной диаграмме, в системе алюминий - медь существуют 10 соединений.

В области, богатой медью, образуется высокотемпературная Р-фаза. Температурный интервал ее существования находится между 1048 и 545 °С. Согласно данным, полученным с помощью электронного микроскопа, в области Р-фазы в зависимости от содержания алюминия происходит структурное упорядочение: фаза Р переходит в Р'-фазу, обладающую гранецентрированной решеткой типа Гв3А1 (ВгГ3), которая при дальнейшем увеличении содержания алюминия образует Р', - и у-фазы, структуры которых представляют собой многослойные плотнейшие упаковки.

Изучив влияние различных химических элементов на свойства стали можно эти данные использовать при восстановлении изношенных деталей для изменения физико-механических параметров рабочих поверхностей с целью повышения их ресурса.

Таким образом, сплавы железа с ванадием, медью, алюминием, марганцем и ряд других соединений успешно могут быть получены методом прямого сплавления с применением дугового разряда. Влияние различных химических элементов на свойства стали можно использовать при наплавке под слоем флюса с получением заданных физико-механических параметров поверхностного слоя. Тем самым можно будет по-

лучить различные сплавы в зависимости от того, какой элемент и в каком количестве будет подаваться в наплавочную ванну. Этот способ наплавки позволит получать такие физико-механические параметры поверхностного слоя, которые будут отличаться от исходного материала восстанавливаемой детали, т.е. свойства (твердость, износостойкость и д.р.) рабочей поверхности будут выше исходной.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бигеев А.М. Металлургия стали / А.М. Бигеев. М.: Металлургия, 1977. 440 с.

2. Вестбрук Д.Х. Механические свойства металлических соединений / Д.Х. Вестбрук. М.: Ме-таллургиздат, 1962. 247 с.

3. Интерметаллические соединения / под ред. И.И. Корнилова. М.: Металлургия, 1970. 320 с.

4. Рябов В.Р. Алитирование стали / В.Р. Рябов // М.: Металлургия, 1973. 240 с.

5. Синельникова В.С. Алюминиды / В.С. Синельникова, В.А. Подергин, В.А. Речкин. Киев: Наук. думка, 1965. 255 с.

Макеев Дмитрий Николаевич - Dmitry N. Makeev -

аспирант кафедры Postgraduate

«Автомобили и автомобильное хозяйство» Department of Automobiles

Саратовского государственного технического and Automobile Economy

университета имени Гагарина Ю.А. Gagarin Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 24.04.12, принята к опубликованию 06.09.12