В большинстве случаев специальные стали содержат легирующие элементы.

Легирующими элементами называют химические элементы, специально введенные в сталь для получения требуемых строения, структуры, физико-химических и механических свойств.

Основными легирующими элементами в сталях являются Мп, Si, Сг, Ni, Mo W, Со, Си, Ti, V, Zr, Nb, Al, В. В некоторых сталях легирующими элементами могут быть также Р, S, N, Se, Те, РЬ, Се, La и др. Перечисленные элeмeн- ты, а также Н, О, Sn, Sb, As, Bi могут быть также примесями в стали. Содержание легирующих элементов в стал может колебаться от тысячных долей процента до десятков процентов.

Примесями называют химические элементы, перешед- шие в состав стали в процессе ее производства как технологические добавки или как составляющие шихтовых материалов. Содержание примесей в стали обычно ограничивается следующими пределами: Мп0,8 %, Si<0,4 % СгО.З %, Ni0,3 %, Cu<0,3 %, Мо0,10 %, W0,2 Р < 0,025-0,040 %, S 0,015-0,050 %.

Как видно, примесями и легирующими добавками мо- гут быть одни и те же химические элементы. Отнесение их к тому или иному признаку зависит от количества и роли стали.

Легированные стали - это сплавы на основе железа, в-химический состав которых специально введены легирующие элементы, обеспечивающие при определенных спосо- бах производства и обработки требуемую структуру и-свойства.

в легированных сталях содержание отдельных элементов больше, чем содержание этих же -элементов в виде примесей.

Некоторые легирующие элементы (V, Nb, Ti, Zr, В) могут оказывать существенное влияние на структуру и свойства стали при содержании их в сотых долях процента (В - в тысячных долях процента). Такие стали иногда называют микролегированными.

Из приведенных определений видно, что понятие специальные стали более широкое, чем понятие легированные стали, так как к специальным сталям, кроме легированных, могут относиться и углеродистые стали, если им приданы специальные свойства посредством определенных способов производства и обработки. Так, к специальным сталям относятся следующие углеродистые стали определенного назначения и качества: качественные конструкционные, инструментальные, термически упрочненные, для холодной штамповки и др.

2. Классификация легирующих элементов

Согласно общепринятой классификации железо и сплавы на его основе относятся к черным металлам, а все остальные металлы и сплавы на их основе - кцветным. Легирующие элементы-металлы можно условно разделить на следующие группы:

Металлы железной группы. К ним относятся металлы кобальт, никель, а также близкий к ним по свойствам марганец.

Тугоплавкие металлы. К ним относятся металлы,-имеющие температуру плавления выше, чем у железа, т. е. выше 1539°С. Из тугоплавких металлов, наиболее часто используемых в качестве легирующих элементов в стали, можно отметить вольфрам, молибден, ниобий, а также ванадий и хром.

Легкие металлы. Из этой группы легирующих элементов наиболее часто применяют титан и алюминий.

Редкоземельные металлы (РЗМ). К этой группе относятся лантан, церий, неодим, а также близкие к ним по свойствам иттрий и скандий. Редкоземельные металлы часто используют в виде так называемого миитеталла, содержащего 40-45 % церия и 45-50 % всех других редкоземельных металлов.

В сплавах железо - углерод классификацию легирующих элементов можно проводить по степени сродства легирующих элементов к углероду по сравнению со сродством к нему железа. По этому признаку различают карбидооб-разующие и некарбидообразующие легирующие элементы. Карбидообразующие легирующие элементы (Ti, Zr, V, Nb Та, Сг, Mo, W, Мп), а также железо могут образовывать в стали карбиды. Некарбидообразующие элементы (Си, Ni Со, Si, А1) карбидов в стали не образуют. Склонность к карбидообразованию у легирующих элементов тем сильнее, чем менее достроена d-оболочка у металлического атома (см. гл. V).

Рис. 1. Влияние легирующих элементов иа вид 7-области диаграммы железо - легирующий элемент по Ф. Веферу

а -открытая; б - расширенная; в -закрытая; г -суженная

Легирующие элементы изменяют температуру полиморфных превращений в железе, т. е. точки Лз и Л4, тем самым влияя на вид диаграмм железо - элемент.

По влиянию легирующих элементов на диаграмму состояния их можно разделить на две группы, каждая из которых в свою очередь делится на две подгруппы. На рис. 1 приведена схема по Ф. Веферу, иллюстрирующая классификацию легирующих элементов по их влиянию на полиморфизм железа.

К первой группе относятся легирующие элементы, расширяющие у-область (рис. 1,а, б). Расширение -у-областв будет происходить в том случае, если легирующий элемент повышает точку А4 и понижает точку A3. При этом возможно существование 7-фазы во всем интервале концентраций (открытая 7-область) и ограничение области существования 7-фазы вследствие появления новых фаз и образования гетерогенных областей (расширенная 7-область).

Таким образом, легирующие элементы первой группы можно еще разделить на элементы, образующие с железом сплавы со структурой неограниченного гомогенного твер дого раствора (рис. 1,а), к ним относятся никель, марга-

ft-.

нец, кобальт палладий, платина, и на элементы, образующие сплавы, в которых гомогенная область ограничивается гетерогенной вследствие образования новых фаз (рис. 1,6). К таким элементам относятся углерод, азот, медь, цинк.

Ко второй группе относятся элементы, сужающие у-об-ласть (рис. 1,в,г). Сужение 7-области будет происходить в том случае, если легирующий элемент понижает точку Л4 и повышает точку Л3. При определенной концентрации легирующего элемента может происходить полное замыкание у-области. В этой группе различают также двойные системы с замкнутой 7-областью и гомогенной а-областью (закрытая 7-область, рис. 1,в) и системы, в которых 7-область ограничена областью гетерогенных структур (суженная у-область, рис. 1,г).

Таким образом, легирующие элементы второй группы разделяют на элемейты, образующие с железом сплавы с лолностью замкнутой -областью и образованием гомогенной а-области (бериллий, алюминий, кремний, ванадий, хром, молибден, вольфрам, титан, мышьяк, олово, сурьма), и элементы, образующие с железом сплав с суженной 7-06-ластью, ограниченной гетерогенной областью (рений).

Отметим, что приведеииая схема ие охватывает всего многообразия возможных вариантов влияния легирующих элементов на критические точки железа я, следовательно, на вид диаграммы железо - легирующий элемент. Так, хром, молибден, алюминий, ванадий, относящиеся ж элементам, замыкающим у-область, вначале понижают критические -1чзчки Л4 и Лз и только начиная с определенной концентрации начинают яовышать точку A3. Кобальт, способствующий получению открытой .у-области, вначале повышает критическую точку A3.

Столь различное влияние легирующих элементов на полиморфизм железа и на вид диаграмм железо - легирующий элемент обусловлено влиянием различных факторов: изоморфностью легирующего элемента одной из модификаций железа (у или а), различием атомных радиусов железа и легирующего элемента, характером и энергией межатомного юзанмодействия, электронным строением атомов железа и легирующего элемента.

При легировании железа несколькими элементами одновременно их влияние на получение у- и а-фаз не суммируется. Более того, в ряде случаев их влияние может быть даже противоположно действию этого элемента в двойном сплаве. Например, хром в тройном твердом растворе Fe-Сг-Ni способствует получению у-, а не а-фазы, как в двойных сплавах Fe-Сг.

Легирующие элементы по-разному влияют на расширение или сужение Y-области на диаграмме железо - легиру-10щий элемент..Если для углерода и азота, образующих с железом твердый раствор внедрения, расширение области у-фазы связано с наличием больших позиций внедрения !(октаэдрических пор) в гранецентрированной кубической

решетке (г. ц. к.), то для легирующих элементов, дающих с железом твердый раствор замещения, одной из причин расширения или сужения --области может быть изменение скрытой теплоты превращения при перестройке г. ц. к. ре- щетки в о. ц. к.. Если поглощенное тепло, приходящееся на единицу концентрации растворенного элемента в а- и 7-же- 1,оо -г r. o и и лиг гг товслучае

лезе, выразить через Нач Ну, а АН=На когда АН положительно, термодинамически выгодным будет существование Y-фазы и диаграмма будет иметь открытую (рис. 2, а) или расширенную 7-область. В этом случае две ветви кривой растворимости можно рассматривать как часть сплошной кривой. Если АН ----------............

теплоты превращения по К.

отрицательно, полу- i- р

чим диаграмму с закрытой 7-областью (рис. 2).

Примеры реальных диаграмм железо - легирующий элемент приведены на рис. 3.

Легирующий элемент, %

Рис. 2. Влияние легирования превращение в зависимости от

------------ 3!и

на а->-7-скрытой ?идрюсу

а*б 6 6+ос

1000

V Fe

т*тв

Се Fe

v! cr.Mn coHNf состояния железо-легирующий, ялемент для Tl,