Специальные Стали

1. Основные определения и понятия

Специальные стали — это сплавы на основе железа, отли­чающиеся от обычных сталей особыми свойствами, обу­словленными либо их химическим составом, либо особым способом производства, либо способом их обработки. (Э. Гудремон).

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 Мn, Si, Сr, Ni, Mo W, Со, Сu, Ti, V, Zr, Nb, Al, В. В не­которых сталях легирующими элементами могут быть также Р, S, N, Se, Те, Pb, Се, La и др. Перечисленные элементы, а также Н, О, Sn, Sb, As, Bi могут быть также приме­сями в стали. Содержание легирующих элементов в сталь может колебаться от тысячных долей процента до десят­ков процентов.

Примесями называют химические элементы, перешедшие в состав стали в процессе ее производства как техно­логические добавки или как составляющие шихтовых ма­териалов. Содержание примесей в стали обычно ограничи­вается следующими пределами: Мn<0,8 %, Si<0,4 %, Сr<0,3 %, Ni<0,3 %, Сu<0,3 %, Мо<0,10 %, W<0,2 %, Р < 0,025—0,040 %, S < 0,015—0,050 %.

Как видно, примесями и легирующими добавками могут 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 спосо­бах 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 — к цветным. 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 °C. 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 мишметалла, 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 карбидооб­разующие и некарбидообразующие легирующие элементы. Карбидообразующие легирующие элементы (Ti, Zr, V, Nb, Та, Сr, Mo, W, Мn), а также железо могут образовывать в стали карбиды. Некарбидообразующие элементы (Сu, Ni, Со, Si, Al) карбидов в стали не образуют. Склонность к карбидообразованию у легирующих элементов тем силь­нее, чем менее достроена d-оболочка у металлического ато­мa.

Легирующие элементы изменяют температуру поли­морфных превращений в железе, т. е. точки А₃ и А₄, тем самым влияя на вид диаграммы 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. I приведена схема по Ф. Веферу, иллюстрирующая класси­фикацию легирующих элементов по их влиянию на поли­морфизм железа.

К первой группе относятся легирующие элементы, рас­ширяющие γ-область (рис. 1, а, б). Расширение γ-области будет происходить в том случае, если легирующий элемент повышает точку А₄ и понижает точку А₃. При этом воз­можно существование γ-фазы во всем интервале концентра­ций (открытая – γ -область) и ограничение области существо­вания – γ -фазы вследствие появления новых фаз и образо­вания гетерогенных областей (расширенная – γ -область).

Таким образом, легирующие элементы первой группы можно еще разделить на элементы, образующие с железом сплавы со структурой неограниченного гомогенного твердого раствора (рис. 1, а), к ним относятся никель, марганец, кобальт, палладий, платина, и на элементы, образую­щие сплавы, в которых гомогенная область ограничивается гетерогенной вследствие образования новых фаз (рис. 1, б). К таким элементам относятся углерод, азот, медь, цинк.

Ко второй группе относятся элементы, сужающие γ -область (рис. 1, в, г). Сужение
γ-области будет происходить в том случае, если легирующий элемент понижает точку А₄ и повышает точку А₃. При определенной концентрации ле­гирующего элемента может происходить полное замыкание γ -области. В этой группе различают также двойные систе­мы с замкнутой γ -областью и гомогенной α-областью (за­крытая γ-область, рис. 1, в) и системы, в которых γ -область ограничена областью гетерогенных
структур (суженная γ-область, рис. 1, г).

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

Отметим, что приведенная схема не охватывает всего многообразия возможных вариантов влияния легирующих элементов на критические точки железа, следовательно, на вид диаграммы железо — легирую­щий элемент. Так, хром, молибден, алюминий, ванадий, относящиеся к элементам, замыкающим у-область, вначале понижают критические точки А₄ и А₃ и только начиная с определенной концентрации начинают повышать точку Аз. Кобальт, способствующий получению открытой у-области, вначале повышает критическую точку Аз.

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 (γ или а), различием атомных радиусов железа и легирующего элемента, характером и энергией межатомного взаимодействия, электронным строением атомов железа и легирующего элемента.

При легировании железа несколькими элементами одновременно их влияние на получение γ- и α-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 γ-, а не α-фазы, как в двой­ных сплавах Fe—Сг.

Легирующие элементы по-разному влияют на расшире­ние или сужение γ -области на диаграмме железо — легиру­ющий элемент. Если для углерода и азота, образующих с железом твердый раствор внедрения, расширение области γ -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 γ -области может быть изменение скрытой теплоты превращения при перестройке  г.ц.к. решетки в о.ц.к. Если поглощенное тепло, приходящееся на единицу концентрации растворенного элемента в α- и γ -железе, выразить через Н_α и Н_γ, а ΔН= Н_α — Н_γ, то в случае, когда ΔН положи­тельно, термодинамически будет невыгодно существование
γ-фазы и диа­грамма будет иметь открытую (рис. 2, а) или расширенную γ-область. В этом случае две ветви кри­вой растворимости можно рассматри­вать как часть сплош­ной кривой. Если ΔН отрицательно, полу­чим диаграмму с закрытой γ-областью (рис. 2).

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