Легирующие элементы используются для изменения механических и химических свойств стали, чтобы придать им преимущества по сравнению со стандартной углеродистой сталью. Хотя существует множество легирующих элементов, используемых для достижения различных улучшенных свойств, некоторые элементы встречаются гораздо чаще, чем другие. Поговорим о каждом из них.
Все коммерческие стали содержат 0,3-0,8% марганца для уменьшения окислов и противодействия вредному воздействию сульфида железа.
В настоящее время существует тенденция увеличивать содержание марганца и снижать содержание углерода, чтобы получить сталь с равной прочностью на разрыв, но улучшенной пластичностью
Если содержание марганца увеличивается выше 1,8%, сталь имеет тенденцию к упрочнению на воздухе, что приводит к ухудшению пластичности. Однако до этого количества марганец оказывает благотворное влияние на механические свойства закаленной в масле и отпущенной 0,4% углеродистой стали.
Содержание марганца также увеличивается в некоторых легированных сталях с уменьшением или устранением дорогостоящего никеля, чтобы снизить затраты. Стали с содержанием углерода 0,3-0,4%, марганца 1,3-1,6% и молибдена 0,3% заменили 3% никелевую сталь для некоторых целей.
Инструментальная сталь без усадки содержит до 2% марганца и 0,8-0,9% углерода. Стали с содержанием марганца от 5 до 12% после медленного охлаждения становятся мартенситными и не имеют большого коммерческого значения.
Никель и марганец очень похожи по поведению и оба снижают эвтектоидную температуру. Эта точка изменения при нагревании постепенно снижается с увеличением содержания никеля (примерно на 10 ° C для 1% никеля), но снижение изменения при охлаждении больше и неравномерно. Сталь с 12% никеля начинает трансформироваться при температуре ниже 300°C при охлаждении, но при повторном нагревании обратное изменение не происходит примерно до 650 °C.
Добавление никеля действует аналогично увеличению скорости охлаждения углеродистой стали. Таким образом, при постоянной скорости охлаждения 5-8% никелевых сталей становятся трооститными; при 8-10% никеля, где появляется резкое падение, структура становится мартенситной, в то время как при содержании выше 24% никеля критическая точка опускается ниже комнатной температуры, и остается аустенит.
Стали с содержанием 0,5% никеля похожи на углеродистую сталь, но прочнее из-за более мелкого образующегося перлита и присутствия никеля в растворе в феррите. При превышении содержания никеля в 10% стали обладают высокой прочностью на разрыв, большой твердостью, но являются хрупкими, как показывают кривые изода и удлинения. Когда никеля достаточно для получения аустенита, стали становятся немагнитными, пластичными, жесткими и обрабатываемыми, с понижением прочности и предела упругости.
ХромХром может растворяться либо в альфа-, либо в гамма-железе, но в присутствии углерода образуются карбиды цементита (FeCr)3C, в котором содержание хрома может превышать 15%; карбиды хрома (CrFe) 3C2 (CrFe) 7C3 (CrFe) 4C, в которых хром может быть заменено на несколько процентов, максимум на 55% и на 25% соответственно. Нержавеющие стали содержат Cr4C. Перлитно-хромистые стали, содержащие, допустим, 2% хрома, чрезвычайно чувствительны к скорости охлаждения и температуре нагрева перед закалкой.
Причина в том, что карбиды хрома нелегко растворяются в аустените, но их количество увеличивается с повышением температуры. Эффект растворенного хрома заключается в повышении критических значений при нагреве, а также при охлаждении, когда скорость низкая. Более высокие скорости охлаждения быстро снижают температуру нагрева с последующим упрочнением стали. Хром придает характерную форму верхней части кривой изотермического превращения.
Хромистые стали легче поддаются механической обработке, чем никелевые стали с аналогичной прочностью на растяжение. Стали с более высоким содержанием хрома подвержены хрупкости при отпуске при медленном охлаждении от температуры отпуска до диапазона 550/450 °C. Эти стали также могут образовывать поверхностные отметины, обычно называемые "хромированными линиями".
Хромовые стали используются везде, где требуется высокая твердость, например, в штампах, шарикоподшипниках, пластинах для сейфов, роликах, напильниках и инструментах. Высокое содержание хрома также содержится в некоторых постоянных магнитах.
Молибден растворяется как в альфа-, так и в гамма-железе и в присутствии углерода образует сложные карбиды (FeMo)6C, Fe21Mo2C6, Mo2C.
Молибден похож на хром по своему влиянию, но до 0,5%. ОН более эффективен для замедления образования перлита и увеличения образования бейнита. Добавки 0,5% молибдена были внесены в обычные углеродистые стали для придания повышенной прочности при температурах котла 400 ° C, но этот элемент в основном используется в сочетании с другими легирующими элементами.
Стали Ni-Cr-Mo широко используются для изготовления боеприпасов, роторов турбин и других крупных изделий, поскольку молибден имеет тенденцию минимизировать хрупкость при отпуске и уменьшает массовый эффект. Молибден также входит в состав некоторых быстрорежущих сталей, магнитных сплавов, жаропрочных и коррозионностойких сталей.
Ванадий действует как поглотитель оксидов, образует карбид V, C и оказывает благоприятное влияние на механические свойства термообработанных сталей, особенно в присутствии других элементов. Замедляет отпуск в диапазоне 500-600 °C и может вызвать вторичное упрочнение.
Хромованадиевые (0,15%) стали используются для ковки локомотивов, автомобильных осей, спиральных пружин, торсионных стержней и сопротивления ползучести.
Вольфрам растворяется в гамма-железе и альфа-железе. С углеродом образует WC и W2C, но в присутствии железа образует Fe3W3C или Fe4W2C. Соединение с железом - Fe3W2 - обеспечивает систему упрочнения от старения.
Вольфрам повышает критические точки в стали, и карбиды медленно растворяются в диапазоне температур. При полном растворении вольфрам замедляет превращение, особенно при отпуске, и его используют в большинстве инструментальных (высокоскоростных) и штамповых сталей для горячей обработки. Вольфрам улучшает размер зерна и снижает склонность к обезуглероживанию во время обработки. Вольфрам также используется в магнитных, коррозионно- и жаропрочных сталях.
Кремний растворяется в феррите, из которого он является довольно эффективным отвердителем, и повышает точки изменения переменного тока и точки Ar при медленном охлаждении, а также уменьшает изменение объема гамма-альфа.
Широко используются только три типа кремниевой стали: один в сочетании с марганцем для пружин; второй для электрических целей, используется в листовой форме для изготовления сердечников трансформаторов, полюсов динамо-машин и двигателей, требующих высокой магнитной проницаемости и электрического сопротивления; и третий используется для автомобильных клапанов.
