зачем нужен хром в стали
Учебные материалы
Хром имеет кубическую объемноцентрированную ячейку с параметром 2,84 Å, близким к параметру α – железа (2,86 Å).
Все сплавы железа с хромом после кристаллизации имеют структуру α – твердого раствора. Хром сужает и дает закрытую область γ – твердых растворов (рисунок 46, б).
Предельное содержание хрома, при котором существует еще γ – твердый раствор, равно 13. С углеродом хром образует карбиды Cr7C3 и Cr23C6. Кроме этих карбидов существуют карбиды, в которых часть атомов хрома замещена атомами железа.
При медленном охлаждении сплавов из α – твердого раствора выделяется хрупкая немагнитная σ – фаза. Основой этой фазы является интерметаллид FeCr2. Хром, образуя соединения с железом и с углеродом, распределяется между твердым раствором и карбидами.
Хром повышает критические точки АС1 и АС3, что требует повышения температуры нагрева под закалку, отжиг и нормализацию, уменьшает критическую скорость охлаждения, способствует росту зерна при нагреве. Распределение хрома между карбидами и твердым раствором влияет на прокаливаемость. Если хром находится в твердом растворе, прокаливаемость стали увеличивается, если в карбидах – снижается.
Хром резко повышает коррозионную стойкость стали при достижении 12,5 %. Начиная с этой концентрации на поверхности стали образуется плотная защитная оксидная пленка Cr2O3.
Добавка хрома повышает твердость и прочность, не снижая пластичности стали. Увеличение хрома выше 1,0…1,5 % снижает ударную вязкость. Особенно резко хром повышает твердость и прочность мартенсита.
При содержании хрома 12…14 % теплопроводность стали в два раза меньше теплопроводности чистого железа, а электросопротивление возрастает в три раза.
Уважаемые студенты!
Специалисты нашего сайта готовы оказать помощь в учёбе по разным предметам:
✔ Решение задач
✔ Выполнение учебных работ
✔ Помощь на экзаменах
Влияние хрома на структуру и свойства стали
Влияние хрома на структуру и свойства стали
Однако чем больше содержание хрома, тем больше карбидов образуется хромом. На рисунке 63 показано распределение хрома между карбидом и твердым телом 1535 ′ ^ 1390 \ Семь 910 ′%1 Восемь＆ =-» (С） Двенадцать ’1′ Я Простите? _ 1510 ′ Икс м / 820 ′ Ноль шесть является Один —. Один б \ л * б ИГ ИУС это хорошая вещь. — \ \ В 70. В i860 ′ Y） / Сплав на основе Fe-Cr 135 Раствор 0,8% С стали. Здесь горизонтальная ось показывает общее
количество хрома в Стали, а вертикальная ось показывает содержание хрома в карбиде в процентах от общего количества. Людмила Фирмаль
Этот рисунок показывает, что чем больше содержание хрома в стали, тем сложнее она входит в состав карбидов. Например, при содержании 2% Cr стали около 15% ее общего объема составляет карбид, а в твердых растворах-около 2%. * Яв Установка. Диаграмма 62.Высокий хром х 10000 Сигма Вы также можете использовать его в качестве шаблона для вашего сайта. Cg X Диаграмма 63.Распределение hrosh между твердым раствором карбида и стали 0,8% C Если cr в 85% стали составляет 4%, то около 35%доступного хрома связывается с карбидами, а 65% — с твердым веществом solutions.
At 6.0% Cr в карбидах это уже более 50% (конечно, он содержит достаточное количество углерода), в твердых растворах менее 50% и т. д. В таблице. На рисунке показан примерный состав двойных карбидов хрома, образованных сплавом железо-хром. Карбиды Cr3C присутствуют в перлитных сталях с содержанием хрома до 5%.Такие карбиды более стабильны, чем цементит, и при нагревании они растворяются в Fe ^при гораздо более высокой температуре, чем точка Ast. Карбиды Cr7C3 и Cr2zC6 образуются из Мартенситных и карбидных сталей.
В диаграмме состояния системы Fe-Cr, под влиянием углерода, область гамма-твердого раствора значительно увеличивается, близкая с более высоким содержанием, а не 12,8 кг, как двойные железо-хромовые сплавы. Это объясняется тем, что углерод действует противоположно хрому, то есть увеличивает точку А4, понижая точку L3, и даже в присутствии углерода часть хрома связывается с карбидами. Хром был истощен. 図 фиг, это диаграмма влияния углерода на область FET железо－хромового сплава. Schematic схематическое изображение фиг. Из этого рисунка видно, что при 0.3% C область FeT закрывается на 18% Cg, а при 0.4% C она закрывается только на 25% Cg. Влияние хрома на критическую точку железоуглеродистого сплава показано на рисунке. 65.На рисунке показано, что при увеличении содержания хрома точка L4 резко уменьшается, при этом 12%
Cr почти сливается с точкой Az. Феррит, без фазы 700. Рисунок 64. Людмила Фирмаль
Правая сторона рисунка занята областью красного брикета или карбидной стали: в этом составе структура литой стали исчезает (ломается) после ковки, и в структуре кованой стали появляется большое количество избыточных карбидов. При изотермическом превращении аустенита хром значительно увеличивает инкубационный период и время полного разложения аустенита[71].
Кривая изотермического превращения аустенита хромистой стали, внешний вид которого составляет 1,0%Cg, на рисунке показаны 2 минимальных значения аустенитной стабильности: 138 градусов Цельсия в диапазоне температур около 600 градусов на хромистую сталь Сталь красного Брита (карбида) и Sautectoid/сталь В температурном диапазоне образования игольчатых ферм превращение твердых тел составляет приблизительно 350°(рис.67). Основываясь на диаграмме изотермического превращения аустенита, перлит хромистой стали во время изотермического отжига, чтобы уменьшить время разложения аустенита, чтобы сфероидизировать карбид, он должен поддерживаться на уровне около 600°, затем 720-740°, чтобы уменьшить твердость.
Поскольку аустенит обладает наибольшей стабильностью при этой температуре, то при ступенчатом упрочнении эту сталь следует поддерживать на уровне 450°. Когда хромистая сталь нагревается, карбид хрома входит в твердый раствор при температуре выше, чем цементит, который ингибирует рост зерен аустенита. Поэтому хромистая сталь менее подвержена перегреву, чем простая углеродистая сталь. Из диаграммы системы Fe-Cr известно, что в чистых (двойных) железохромистых сплавах с повышенным содержанием хрома 7% критическая точка A3 уменьшается. Однако наличие в сплаве определенного количества углерода, то есть тройного сплава Fe_Cr_C, увеличивает критическую точку Ar даже при 1-2°/ocrr.
При термической обработке хромистой стали класса перлита хромом в каждой пропорции температура нагрева повышается на 20-25°по сравнению с обычной углеродистой сталью. Хром-проектированная сталь клонит облегчить хрупкость. Коэффициент чувствительности к скорости охлаждения при высокотемпературном отпуске закаленной хромистой стали достигает 1,5-2,0, поэтому для увеличения вязкости хромистую сталь после высокотемпературного отпуска следует быстро охлаждать (в масле). Фазовая диаграмма системы Fe-Cr показывает, что область Fe замкнута под воздействием хрома.
То есть хром является «ферритообразующим» элементом. Однако, например, в присутствии сложных сплавов с высоким содержанием углерода или легирующих элементов, расширяющих область FeT, хром значительно снижает скорость перехода Fe- » — Fea и повышает стабильность аустенита. То есть она способствует приобретению аустенитной организации. 1.6 2.0 г, и Диаграмма 66.Чертеж структуры хромовой стали. Сплавы серии Fe-Cr 139 При цементировании стали хром практически не влияет на глубину цементного слоя, но на поверхности цементных изделий из хромистой стали концентрация увеличивается.
Так, например, в изделиях диаметром 25-30 мм из машиностроения и инструмента хромистую сталь с содержанием хрома более 1% можно закалить не водой, а маслом. Снижая критическую скорость закалки, хром повышает прокаливаемость стали. На рисунке 69 показан график образца baked™диаметром 50 мм, изготовленного из хромистой стали 30х. Ага. 15 10 S OS s / I расстояние от центра, мм 69. 50X (U) хромистая сталь и 50 (2) углеродистая сталь 140 закаливаемость хромистой стали Из углеродистой стали 50: образцы из хромистой стали получат сквозное упрочнение, образцы из углеродистой стали только затвердеют на глубину 8-10 мм.
При упрочнении хромированной конструкционной стали в перлитном классе 0,3-0,5% с хром оказывает слабое влияние на положение и остаточное количество точки мартенсита Пятнадцать с х х / Рисунок 70. Влияние хрома на количество точечного ми и остаточного аустенита при закалке стали при 1,0% С 200. Куо г Cg.％ Аустенит в структуре закаленной стали. Однако в хромистых инструментальных сталях, где Cr больше 1% 0,9-1,0% C, точка мартенсита уменьшается на 30-50°(в зависимости от температуры нагрева перед закалкой), уменьшая количество удерживаемого аустенита.
Образовательный сайт для студентов и школьников
Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.
© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института
Влияние химического состава на механические свойства стали
Каждый химический элемент, входящий в состав стали, по-своему влияет на ее механические свойства – улучшает или ухудшает.
Углерод (С), являющийся обязательным элементом и находящимся в стали обычно в виде химического соединения Fe3C (карбид железа), с увеличением его содержания до 1,2% повышает твердость, прочность и упругость стали и уменьшает вязкость и способность к свариваемости. При этом также ухудшаются обрабатываемость и свариваемость.
Кремний (Si) считается полезной примесью, и вводится в качестве активного раскислителя. Как правило, он содержится в стали в небольшом количестве (в пределах до 0,4%) и заметного влияния на ее свойства не оказывает. Но при содержании кремния более 2% сталь становится хрупкой и при ковке разрушается.
Марганец (Mn) содержится в обыкновенной углеродистой стали в небольшом количестве (0,3-0,8%) и серьезного влияния на ее свойства не оказывает. Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы, повышает твердость и прочность стали, ее режущие свойства, увеличивает прокаливаемость, но снижает стойкость к ударным нагрузкам.
Сера (S) и фосфор (Р) являются вредными примесями. Их содержание даже в незначительных количествах оказывает вредное влияние на механические свойства стали. Содержание в стали более 0,045% серы делает сталь красноломкой, т.е. такой, которая при ковке в нагретом состоянии дает трещины. От красноломкости сталь предохраняет марганец, который связывает серу в сульфиды (MnS). Содержание в стали более 0,045% фосфора, делает сталь хладноломкой, т.е. легко ломающейся в холодном состоянии. Обрабатываемость стали фосфор несколько улучшает, так как способствует отделению стружки.
Ниобий (Nb) улучшает кислостойкость стали и способствует уменьшению коррозии в сварных конструкциях.
Титан (Тi) повышает прочность, плотность и пластичность стали, улучшает обрабатываемость и сопротивление коррозии. Повышает прокаливаемость стали при малых содержаниях и понижает при больших.
Молибден (Mo) повышает прочностные характеристики стали, увеличивает твердость, красностойкость, антикоррозионные свойства. Делает ее теплоустойчивой, увеличивает несущую способность конструкций при ударных нагрузках и высоких температурах. Затрудняет сварку, так как активно окисляется и выгорает.
Никель (Ni) увеличивает вязкость, прочность и упругость, но несколько снижает теплопроводность стали. Никелевые стали хорошо куются. Значительное содержание никеля делает сталь немагнитной, коррозионностойкой и жаропрочной.
Вольфрам (W) образуя в стали твердые химические соединения – карбиды, резко увеличивает твердость и красностойкость. Увеличивает работоспособность стали при высоких температурах, ее прокаливаемость, повышает сопротивление стали к коррозии и истиранию, уменьшает свариваемость.
Ванадий (V) обеспечивает мелкозернистость стали, повышает твердость и прочность. Увеличивает плотность стали, так как является хорошим раскислителем. Снижает чувствительность стали к перегреву и улучшает свариваемость.
Кобальт (Co) повышает жаропрочность, магнитные свойства, увеличивает сопротивление удару.
Алюминий (Аl) является активным раскислителем. Делает сталь мелкозернистой, однородной по химическому составу, предотвращает старение, улучшает штампуемость, повышает твердость и прочность, увеличивает сопротивление окислению при высоких температурах.
Медь (Cu) влияет на повышение коррозионной стойкости, предела текучести и прокаливаемости. На свариваемость не влияет.
Для всестороннего понимания и анализа процессов, происходящих при легировании и деформировании сталей, важную роль играет знание зависимостей между химическим составом и механическими свойствами.
Целью настоящих исследований является изучение комплексного влияния химического состава на предел текучести σТ арматурной стали класса А500С.
В течение сентября и октября текущего года в Лаборатории испытаний строительных материалов и конструкций ГБУ «ЦЭИИС» проводились испытания образцов арматурных стержней диаметром от Ø16 до Ø36. Были выполнены более 30 параллельных испытаний. При этом для одной и той же пробы данного типоразмера арматурных стержней определяли фактическую массовую долю химических элементов с помощью оптико-эмиссионного спектрометра PMI-MASTER SORT (рис.1) и механические свойства стали при помощи испытательной машины ИР-1000М-авто (рис.2).
Для обеспечения достоверности статистических выводов и содержательной интерпретации результатов исследований сначала определили необходимый объем выборки, т.е. минимальное количество параллельных испытаний. Так как в данном случае испытания проводятся для оценки математического ожидания, то при нормальном распределении исследуемой величины минимально необходимый объем испытаний можно найти из соотношения:
где υ – выборочный коэффициент вариации,
tα,k – коэффициент Стьюдента,
k = n-1 – число степеней свободы,
Как правило, генеральный коэффициент вариации γ неизвестен, и его заменяют выборочным коэффициентом вариации υ, для определения которого нами была проведена серия из десяти предварительных испытаний.
По результатам проведенных испытаний и выполненных расчетов при доверительной вероятности Р=0,95 получен необходимый объем выборки, равной n=26. Фактическое количество испытаний, как было сказано выше, составило 36.
Массив данных, полученных по результатам проведенных параллельных испытаний, был обработан с помощью многофакторного корреляционного анализа.
Уравнение множественной регрессии может быть представлено в виде:
где X=(X1, X2,…, Xm) – вектор независимых (исходных) переменных; β – вектор параметров (подлежащих определению); ε – случайная ошибка (отклонение); Y – зависимая (расчетная) переменная.
Разработка множественной корреляционной модели всегда сопряжена с отбором существенных факторов, оказывающих наибольшее влияние на признак-результат. В нашем случае из дальнейшего рассмотрения были исключены три элемента (Аl, Тi, W) по причине их низкой массовой доли (
Если вы нашли ошибку: выделите текст и нажмите Ctrl+Enter
Хром против нержавеющей стали: в чем разница?
Хромирование Сталь и изделия из нержавеющей стали буквально наводнили рынки. Они используются для изготовления зданий, автомобильных деталей, посуды и многих других применений.
Что выбрать: хромированную сталь или нержавеющую сталь?
Это вопрос, который вы, вероятно, зададите. Хотя они могут казаться одним и тем же, между ними есть много различий.
Кроме того, для некоторых приложений может потребоваться использование хромированной стали, тогда как для других приложений подходит нержавеющая сталь.
Нельзя упускать из виду тот факт, что у каждого типа стали есть свои плюсы и минусы. В этой статье мы подчеркиваем ключевые различия между хромистой сталью и нержавеющей сталью.
Определение: хром против нержавеющей стали
Что такое хромированная сталь
Именно благодаря хромированию на поверхность стального металла наносится определенный процент хрома.
В результате получается блестящий стальной металл, который выглядит привлекательно для глаз. Помимо внешнего вида, хромирование играет некоторую защитную роль. Предотвращает ржавчину и коррозию стали.
Что такое нержавеющая сталь?
Нержавеющая сталь представляет собой тип металлического сплава, который включает сталь, смешанную с другими элементами, такими как хром, углерод, молибден, никель, кремний и алюминий.
Не следует ожидать, что две марки нержавеющей стали будут иметь одинаковые свойства.
Наличие никеля увеличивает прочность нержавеющей стали. Сталь не будет легко царапаться или подвергаться коррозии. Также нержавеющая сталь устойчива к ржавчине.
Как отличить нержавеющую сталь от хрома?
Хорошая новость в том, что есть способы отличить хромовую сталь от нержавеющей стали.
Хромированная сталь имеет яркий и блестящий вид, а нержавеющая сталь известна своим атласным внешним видом.
Однако использование визуального метода различения хромовой и нержавеющей стали также может ввести вас в заблуждение.
Это возможно, потому что некоторые виды металлической отделки могут сделать нержавеющую сталь яркой и блестящей. Вы можете предположить, что это хромированная сталь, но это не так.
Если вы не уверены, просто проконсультируйтесь со специалистами по металлу для получения четких и кратких разъяснений.
Прочность: хром против нержавеющей стали
Хром более долговечный, чем нержавеющая сталь? При правильном уходе хромированная сталь способна служить вам долгие годы. Он долговечен при правильном использовании и в правильных условиях.
После проникновения хромовой стали высока вероятность того, что она начнет ржаветь. Есть много вещей, которые могут проникнуть сквозь поверхность хромистой стали. К ним относятся зажимные приспособления, дверной проем и металлические инструменты.
Как только процесс ржавчины начался, она может быстро распространиться под слоем хрома.
Хромированная сталь не является полностью надежной с точки зрения долговечности.
С другой стороны, нержавеющая сталь, вне всяких сомнений, зарекомендовала себя как один из самых прочных металлов. Я прослужу вам долгие годы без повреждений от коррозии или ржавчины.
Изделия из нержавеющей стали имеют тенденцию быть дорогими, и это связано с прочностью этого металла. Эта особенность также делает его идеальным не только для широкого спектра приложений, но и для тяжелых и опасных приложений.
Хром дороже нержавеющей стали?
Что касается стоимости, вы заплатите меньше за хромистую сталь, чем за нержавеющую сталь. Это ожидаемо, поскольку нержавеющая сталь обладает множеством желаемых свойств, чем хромированная сталь.
Итак, если у вас ограниченный бюджет, предпочтительным металлом должна быть хромированная сталь. Однако это все равно будет зависеть от области применения металла.
Плюсы и минусы: хромирование стали по сравнению с нержавеющей сталью.
Давайте посмотрим на преимущества и недостатки использования хромированной или нержавеющей стали.
Плюсы хромированной стали
-Блестящая и привлекательная отделка
-Не дороже нержавеющей стали
— Имеет элементы современности
-Прочный при правильном использовании
Минусы хромистой стали
-Требует регулярного ухода, чтобы сохранить свой блестящий вид
-Можно легко поцарапать
-Не такой прочный, как нержавеющая сталь
-Показывает отпечатки пальцев и даже частицы пыли
Плюсы нержавеющей стали
-Обладает отличной коррозионной стойкостью
— требует меньшего обслуживания, чем хромированная сталь
-Доступен в разных классах
Минусы
-Не выглядит визуально менее привлекательно, чем хромированная сталь
-Он создает видимые отпечатки пальцев и пыль.
Заключение
Что выбрать между хромированной сталью или нержавеющей сталью? Выбор обязательно будет зависеть от приложения и ваших предпочтений.
Если вам нравится внешний вид предмета или изделий, то вам обязательно стоит выбрать хромированную сталь. Блестящий блеск оставит приятное впечатление.
Тем не менее, вы должны быть готовы приложить некоторые усилия, чтобы сохранить красивый внешний вид.
В противном случае мы в Roche Industry можем помочь вам настроить и обработать как хромовую, так и нержавеющую сталь.
Ссылки на связанные источники:
Как влияют примеси (марганец, кремний, сера, фосфор) на свойства стали?
Влияние углерода на свойства сталей
Углерод является главным упрочняющим элементом во всех сталях, кроме аустенитных нержавеющих сталей и некоторых других высоколегированных сталей. Упрочняющий эффект углерода состоит из упрочнения твердым раствором и упрочнения за счет дисперсного выделения карбидов. С увеличением содержания углерода в стали ее прочность увеличивается, но пластичность и свариваемость снижается.
Углерод имеет умеренную тенденцию к макросегрегации в ходе кристаллизации. Макросегрегация углерода обычно проявляется более значительно, чем у всех других легирующих элементов. Углерод имеет сильную тенденцию сегрегировать на дефектах в сталях, таких как границы зерен и дислокации. Карбидообразующие элементы могут взаимодействовать с углеродом и образовывать «легированные» карбиды.
Физические свойства и механические характеристики металла хром и его соединений
Хром – не конструкционный материал, но используется довольно широко за счет того, что обладает превосходными антикоррозийными свойствами. Хромирование защищает любой другой сплав от ржавчины. Кроме того, легирование сталей хромом придает им такую же стойкость к коррозии, которая свойственна и самому металлу.
Итак, давайте обсудим сегодня, каковы технические и окислительные характеристики материала хром, основные амфотерные, восстановительные свойства и получение металла также будут затронуты. А еще мы узнаем, каково влияние хрома на свойства стали.
Хром – металл 4 периода 6 группы побочной подгруппы. Атомный номер 24, атомная масса – 51, 996. Это твердый металл серебристо-голубоватого цвета. В чистом виде отличается ковкостью и вязкостью, но малейшие примеси азота или углерода придают ему хрупкость и твердость.
Хром часто относят к черным металлам за счет цвета его основного минерала – хромистого железняка. А вот свое название – от греческого «цвет», «краска», он получил благодаря своим соединениям: соли и оксиды металла с разной степенью окисления окрашены во все цвета радуги.
Для него характерна объемно-центрированная кубическая решетка. Фазовые переходы отсутствуют. При температуре в 1830 С возможен переход к гранецентрированной решетке.
Однако у хрома есть одна интересная аномалия.
При температуре в 37 С некоторые физические свойства металла резко меняются: изменяется электросопротивление, коэффициент линейного расширения, падает до минимума модуль упругости и повышается внутреннее трение.
Связано это с прохождением точки Нееля: при этой температуре вещество меняет свои антиферромагнитные свойства на парамагнитные, что представляет собой переход первого уровня и означает резкое увеличение объема.
Химические свойства хрома и его соединений описаны в этом видео:
Физические характеристики металла зависят от примесей до такой степени, что сложным оказалось установить даже температуру плавления.
Ниже будет дана общая характеристика физических и магнитных свойств металла хром.
Общие свойства и характеристики хрома
Физические особенности
Хром относится к наиболее устойчивым из всех тугоплавких металлов.
Благодаря строению – объемно-центрированная решетка, хром обладает такой характеристикой, как температура хрупко-вязкого периода.
На практике раскристаллизированный хром никакой пластичностью не обладает, но после мягкого отжига и формовки становится ковким.
Прочность металла также растет при холодной обработке. Легирующие добавки тоже заметно усиливают это качество.
Далее представлена краткая характеристика теплофизических свойств хрома.
Теплофизические характеристики
Как правило, тугоплавкие металлы имеют высокий уровень теплопроводности и, соответственно, низкий коэффициент теплового расширения. Однако хром заметно отличается по своим качествам.
В точке Нееля коэффициент теплового расширения совершает резкий скачок, а затем с увеличением температуры продолжает заметно расти. При 29 С (до скачка) величина коэффициента составляет 6.2 · 10-6 м/(м•K).
Теплопроводность подчиняется этой же закономерности: в точке Нееля она падает, хотя и не столь резко и уменьшается с возрастанием температуры.
Электрические свойства
Несмотря на нетипичное «поведение» теплопроводности хром является одним из лучших проводников тока, уступая по этому параметру только серебру, меди и золоту.
До точки Нееля – 38 С, вещество является антиферромагнетиком, то есть, под действием магнитного поля и при его отсутствии никаких магнитных свойств не проявляется. Выше 38 С хром становится парамагнетиком: проявляет магнитные свойства под действием внешнего магнитного поля.
В природе хром встречается только в связанном виде, поэтому попадание чистого хрома в организм человека исключено. Однако известно, что металлическая пыль раздражает ткани легких, через кожу не усваивается. Сам металл не токсичен, но о его соединениях этого сказать нельзя.
Такое же действие соединение производит и на дыхательную систему, но учитывая большую чувствительность слизистой, здесь картина более разрушительна.
Хром – обязательный легирующий элемент при получении нержавеющих и жаропрочных сталей. Его способность противостоять коррозии и передавать это качество сплавам остается самым востребованным качеством металла.
Химические свойства соединений хрома и его окислительно-восстановительные свойства рассмотрены в этом видео:
Влияние марганца на свойства сталей
Марганец присутствует практически во всех сталях в количестве от 0,30 % и более. Марганец применяют для удаления из стали кислорода и серы. Он имеет меньшую тенденцию к сегрегации, чем любой другой легирующий элемент. Марганец благоприятно влияет на качество поверхности во всем диапазоне содержания углерода, за исключением сталей с очень низким содержанием углерода, а также снижает риск красноломкости. Марганец благоприятно влияет на ковкость и свариваемость сталей.
Марганец не образует своего карбида, а только растворяется в цементите и образует в сталях легированный цементит. Марганец способствует образованию аустенита и поэтому расширяет аустенитную область диаграммы состояния. Большое содержание марганца (более 2 %) приводит к возрастанию тенденции к растрескиванию и короблению при закалке. Присутствие в сталях марганца поощряет такие примеси как фосфор, олово, сурьма и мышьяк сегрегировать к границам зерен с возникновением отпускной хрупкости.
Полезные и специальные примеси в стали
В стали встречаются вредные и полезные примеси. Сначала остановимся на полезных, к которым относят марганец и кремний:
Влияние кремния на свойства сталей
Кремний является одним из основных раскислителей, которые применяют при выплавке сталей. Поэтому содержание кремния задает тип произведенной стали. Спокойные углеродистые стали могут содержать кремния до максимум 0,60 %. Полуспокойные стали могут содержать умеренные количества кремния, например, 0,10 %.
Кремний полностью растворяется в феррите при содержании кремния до 0,30 %. Он увеличивает прочность феррита, почти не снижая его пластичности. При содержании кремния выше 0,40 % в углеродистой стали общего назначения происходит существенное снижение пластичности.
В комбинации с марганцем или молибденом кремний обеспечивает более высокую закаливаемость стали. Добавление кремния в хромоникелевые аустенитные стали повышает их стойкость к коррозии под напряжением. В термически упрочняемых сталях кремний является важным легирующим элементом, повышает способность сталей к термическому упрочнению и их износостойкость, увеличивает предел упругости и предел текучести. Кремний не образует карбидов и не содержит цементита или других карбидов. Он растворяется в мартенсите и замедляет распад легированного мартенсита до 300 °С.
Источник: Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies, ed. G. E. Totten, 2006
Кремнистые стали
Кремний принадлежит к числу элементов, сужающих v-область на диаграмме Fe-Si (рис. 5).
Железокремнистые сплавы, содержащие более 2,15 % Si, являются ферритными, не имеют критических точек и до расплавления находятся в состоянии a-фазы. Кремний и железо образуют три химических соединения — силициды железа, которые начинают появляться в сплаве при концентрации кремния выше 16 %, первое — Fе3Si2 (25,1), второе — FeSi (33,4 %) и третье — Fе2Si3 (55,6 %). Коэффициент диффузии кремния в a-железе зависит от его содержания и при максимальной концентрации увеличивается примерно в двадцать раз. Кремний сильно упрочняет феррит.
Сплавы железо — кремний — углерод могут быть перлитными, ферритными и полуферритными. Кремний снижает растворимость и диффузию углерода в v-железе. Точка эвтектоидного превращения под влиянием кремния сдвигается влево и вверх. Кремний незначительно изменяет характер превращений железоуглеродистых сплавов.
Кремний не оказывает влияния на температуру начала мартенситного превращения. Количество остаточного аустенита под влиянием кремния не увеличивается. Критические точки A3 и A1 при нагреве и при охлаждении с увеличением количества кремния смещаются в область более высоких температур. Кремний повышает прокаливаемость стали и увеличивает устойчивость против отпуска.
Кремний — дешевый легирующий элемент, который (как и медь) является графитизирующим. В литых сталях менее 0,2-0,3 % Si считается постоянной примесью, свыше 0,3-0,4 % Si рассматривают уже как легирующий элемент, специально вводимый в сталь для повышения прочности или получения каких-либо особых физико-химических свойств.
Кремний получил широкое применение для получения специальной графитизированной стали, в структуре которой после отжига образуются включения сажистого углерода отжига (графита). Графитизированную сталь применяют для изготовления изделий, работающих на износ. В порошковые материалы на железной основе кремний вводят для получения магнитно-мягких материалов, конструкционных и графитизируемых сталей. Кремний относится, к числу элементов, медленно растворяющихся в железной основе, поэтому получение гомогенного твердого раствора в порошковых железокремнистых материалах возможно лишь при применении повышенных температур и длительных выдержек, например 1300 °С в течение 20 ч.
Структура материала, спеченного при более низких температурах и при меньших выдержках, также представляет собой кремнистый феррит, но меньшей однородности. Кроме того, в структуре железокремнистых материалов содержатся включения различного вида, располагающиеся по границам зерен в виде сплошной или разорванной сетки, которые представляют собой дисилициды железа.
Механизм растворения кремния в железной основе можно представить следующим образом. До температуры 1150 °С кремний лишь частично растворяется в железной основе. Heрастворившиеся частицы кремния полностью сохраняют форму, которую они имели после прессования. На месте растворившихся частиц появляются области с повышенным содержанием кремния. Спекание при температурах 1150-1200 °С в течение 2 ч хотя и достаточно для растворения кристаллов кремния в железе, но не обеспечивает завершения процесса гомогенизации твердого раствора. Неоднократность твердого раствора по кремнию подтверждается результатами микрорентгеноспектрального анализа (рис. 6). Содержание кремния внутри контура растворившейся частицы в среднем в 5-10 раз больше его содержания за пределом контура, а на некотором удалении от областей, окружающих контуры, присутствие кремния вообще не улавливается.
В работах исследовано влияние исходного состава и режимов графитизации на механические и антифрикционные свойства порошковых сталей, которые для интенсификации процесса выделения свободного углерода легировали кремнием, кремнием и медью, кремнием и хромом. В качестве основы использовали отожженные порошки карбонильного и технического железа марок 6-2 и ПЖЗМ2. Режимы технологических обработок, механические и антифрикционные свойства сталей приведены в табл. 2-5.
Из табл. 2 и 3 видно, что легирование порошковой стали ЖГр1С2 на основе карбонильного и технического железа медью приводит к повышению прочности при растяжении, твердости и ударной вязкости, практически не влияет на предел прочности при изгибе и несколько уменьшает прочность при сжатии. Введение 10 % Cr в ту же сталь способствует снижению механических свойств.
Графитизация порошковых сталей независимо от марки железного порошка одновременно понижает механические (табл. 3,4) и положительно влияет на антифрикционные свойства (табл. 5,6), в частности на коэффициент трения, уменьшая его в 2-2,5 раза по сравнению со сталями, спеченными без структурно-свободного углерода. Исключение составляет хромокремнистая сталь ЖГр1,5С2Х10, у которой структура металлической основы и механические свойства не зависят от скорости охлаждения после спекания. Оптимальным комплексом механических свойств среди графитизированных сталей обладает кремниевомедистая сталь. Наименьший коэффициент трения и более высокое давление до схватывания у хромокремнистой стали.
Закалка и низкий отпуск графитизированных сталей, повышая прочность и твердость металлической матрицы, способствуют значительному увеличению допустимых рабочих нагрузок и дальнейшему снижению коэффициентов трения. Значения коэффициентов трения сталей на основе технического железа сопоставимы с таковыми для аналогичных порошковых сталей на основе карбонильного железа, а нагрузки до схватывания ниже в результате меньшей их прочности и твердости.
Высокие антифрикционные свойства и достаточная механическая прочность кремнистых сталей позволили рекомендовать их для изготовления деталей, работающих в условиях трения и износа. На ПО «Машзавод им. Ф.Э.Дзержинского» (г. Пермь) проведены стендовые испытания порошковых колец к мотопиле «Урал-2», изготовленных из спеченных заготовок, которые были получены на участке порошковой металлургии ПО «Машзавод им. Октябрьской революции» (г. Пермь) из порошковой стали ЖГр1, 5С2Д2. Порошковые кольца были установлены на двигатель мотопилы «Урал-2» для ресурсных испытаний согласно ГОСТ 18516-73 при 4-мин режиме: 2 мин работы под нагрузкой и 2 мин на холостом ходу.
Условия испытания были следующими:
Для работы двигателя использовали топливную смесь из бензина Б-70 и масла АС-8 в пропорции 20:1.
Порошковые поршневые кольца, изготовленные из материала ЖГр1,5С2Д2, выдержали ресурсные стендовые испытания и остались в работоспособном состоянии. Из материала ЖГр1С2 на основе технического железа был изготовлен поршень амортизатора автомобиля «Москвич-412». Деталь прессовали при давлении 490 МПа и спекали в водороде при 1150 °С в течение трех часрв. Режим работы поршня амортизатора на износном стенде в течение 200000 циклов с частотой 1,8 дикла/с и величиной хода 60 мм соответствует скорости перемещения поршня 0,345 м/с и приравнивается условно к пробегу автомобилем 20000 км. Испытания показали, что износ порошковой стали ЖГр1С2 был в пределах допуска и не превышал износ поршней из ковкого чугуна.
Детали автомобиля ГАЗ-52, изготовленные из закаленной графитизированной порошковой стали ЖГр1С2Д2, показали высокую износостойкость материала и надежность его в работе. Износ подшипников карданной муфты составил 0,02-0,04 мм после 20000 км пробега автомобиля, а износ подшипников сцепления — 0,05 мм после 70000 км пробега. Срок службы подшипников из порошковой стали ЖГр1С2Д2 в два раза больше по сравнению со сроком службы деталей серийного производства из стали ШХ15 в условиях сухого трения. Испытания сухарей шаровой опоры рулевого управления автомобиля «Москвич-412», изготовленных из закаленной графитизированной порошковой стали ЖГр1С2Д2, показали, что радиальный износ деталей составил 0,07-0,11 мм после 60000 км пробега автомобиля. Срок службы данного узла автомобиля увеличился в два раза при одновременном снижении затрат на его обслуживание.
Сравнительные испытания закаленных графитизированных порошковых сталей ЖГр1С2Д2, ЖГр1С2Х5, ЖГр1С2М5 и ЖЧ25Х3 проводили в режиме граничного трения в среде турбинного масла 22 при нагрузке P = 320 Н, скорости скольжения Vc = 0,5 м/с, времени т = 2 ч. В качестве образцов испытывали ролик и ползун с диаметрами соответственно 40 и 3 мм. Износ определяли по величине изношенного слоя цилиндрического штифта ползуна.
Проведены исследования порошковых материалов для изготовления втулок коробки перемены передач трактора Т-130. Определяли механические, антифрикционные свойства и износостойкость сталей ЖГр1С2Д2, ЖГр1С2Д2Х2, ЖГр1С2Д2Х5, ЖГр1С2Д2Х10. Антифрикционные испытания проводили на машине трения СМЦ-2 при различных нагрузках и скорости скольжения 7 м/с. Испытания проводили по схеме диск — колодка в масле с использованием в качестве контртела стали 20ХГНР (HRCэ 57 — 58). Одновременно испытывали чугун СЧ 21-40, из которого в настоящее время изготавливают втулки КПП (табл. 6).
Если у чугуна схватывание происходит при нагрузке 3,67 МПа, то у порошковых сталей этого не наблюдается даже при нагрузке 5,15 МПа. Введение хрома несколько ухудшает антифрикционные свойства, образцы разогреваются тем интенсивнее, чем больше хрома содержится в стали.