Легирование стали представляет собой один из ключевых инструментов управления её структурой и эксплуатационными характеристиками. За счёт введения различных химических элементов удаётся существенно изменить температурные границы фазовых превращений, устойчивость к износу, жаропрочность, свариваемость и другие важные свойства сплавов. Особенно значимым является взаимодействие легирующих компонентов с углеродом, что влияет как на формирование карбидных фаз, так и на растворимость углерода в металлической матрице.
История легирования стали уходит корнями в конец XIX — начало XX века, когда впервые было осознано влияние элементов, таких как хром, вольфрам и никель, на прочность и жаростойкость сталей. Одним из первых применений легированной стали стала броня для военных кораблей. В дальнейшем развитие физики металлов и металлографии позволило углублённо исследовать фазовые превращения и роль углерода в структуре сталей. Особенно важными оказались работы в области диаграмм состояния железо-углерод, которые стали фундаментом для понимания фазовых равновесий и разработки сталей с предсказуемыми свойствами.
В качестве основных легирующих компонентов в металлургической промышленности преимущественно применяются следующие химические элементы: Cr, Ni, Mn, Si, Mo, W, V, Ti, Co, Nb. Менее часто, но всё же находят своё применение в определённых сплавах такие элементы, как Al, Cu, B, а также ряд других, менее распространённых.
Почти каждый из этих легирующих компонентов оказывает определённое воздействие на структуру и свойства стали, в частности, изменяя:
- границы температур, в которых происходят полиморфные превращения железа;
- положение температур эвтектоидных и эвтектических фазовых переходов;
- уровень растворимости углерода в аустенитной фазе;
- взаимодействуя с углеродом, образуют карбидные соединения различной природы;
- вступают в реакцию с железом либо друг с другом, формируя интерметаллические соединения.
Если рассматривать влияние легирующих добавок на критические температуры А3 и А4, то их можно классифицировать на две функциональные группы:
- первая включает те элементы, которые способствуют понижению температуры А3 и одновременно повышению А4. К этой группе относятся, в частности, Ni, Mn, C, N и другие. Стали, полученные с использованием этих элементов, известны как аустенитные (см. рис. 1);
- вторая же группа объединяет элементы, повышающие значение А3 и понижающие А4. Среди них: Cr, Mo, W, V, Si, Ti и др. Такие сплавы классифицируются как ферритные стали (см. рис. 2).
Рис. 1. Стали легированные первой группой элементов (стали аустенитного класса)
Рис. 2. Стали легированные второй группой элементов (стали ферритного класса)
Легирующие вещества условно делятся на две категории по способности к образованию карбидов. Одна из них — это элементы, не склонные к формированию карбидных фаз, а другая — те, что активно участвуют в карбидообразовании, создавая в том числе и специальные карбидные соединения. Кроме того, карбидообразующие элементы способны взаимодействовать с цементитом, формируя так называемый легированный цементит.
Первая группа:
Элементы, не образующие карбидов: Al, Si, Ni, Co, Cu.
Вторая группа:
Карбидообразующие: Fe, Mn, Cr, Mo, W, V, Nb, Zr, Ti. Эти элементы можно выстроить в ряд по увеличению их способности к карбидообразованию.
Такие элементы, как Mn, Cr, Mo, W, находясь в составе цементита, способствуют формированию легированного карбида, который обозначается как (Fe, M)3C или M3C.
К числу специальных карбидов относятся:
- карбиды, формируемые хромом: Cr₂₃C₆, Cr₇C₃, а также их аналоги M₂₃C₆ и M₇C₃;
- карбиды на основе молибдена и вольфрама: MoC, WC, Mo₂C, W₂C, а также типы MC, M₂C;
- карбиды, получаемые из ванадия, ниобия и титана: VC, NbC, TiC либо MC.
Легированный цементит традиционно обозначается следующими формулами: (Fe, Cr)3 C, (Fe, Mn)3 C или в обобщённой записи Me3C.
Наиболее сильные карбидообразователи, такие как Mo, W, V, Ti, формируют с углеродом соединения внедрения, преимущественно имеющие химические формулы MC или M2C. Эти тугоплавкие карбидные фазы практически нерастворимы в аустените. Чтобы они распались или растворились, сталь следует нагревать до температуры порядка ~1300оС. По этой причине в легированных сталях, содержащих такие фазы, наблюдается значительное снижение концентрации углерода в аустените.
Легирующие элементы также изменяют критические температуры фазовых превращений и влияют на конфигурацию точек S и E на диаграмме состояния сплава (см. рис. 3).
Рис. 3. Влияние легирующих элементов на критические точки стали
Введение легирующих компонентов приводит к сдвигу узловых точек диаграммы Fe – C. В большинстве случаев растворимость углерода в аустените снижается по всем температурным диапазонам. Это сопровождается смещением линии SE влево, в область с меньшими углеродными концентрациями.
Особенно сильное снижение максимальной растворимости углерода (точка Е) наблюдается при использовании таких элементов, как Cr, Si, W, V, Ti, замыкающих γ-область в безуглеродистых системах. Это означает, что при легировании такими элементами ледебуритная эвтектика появляется при меньших концентрациях углерода, чем в нелегированных аналогах.
Пример: в сплаве, содержащем 10–11% Cr, ледебурит начинает формироваться уже при ~1% углерода. Примечательно, что при такой структуре даже небольшое количество эвтектики не ухудшает возможности горячей деформации. В то же время, нелегированные чугуны с содержанием углерода > 2,14% быстро теряют обрабатываемость даже при незначительном количестве эвтектических фаз.
Именно по этой причине легированные стали, в структуре которых присутствует ледебуритная фаза, относят к сталям, а не к белым чугуном. Такие материалы принято классифицировать как ледебуритные стали.
Интересные факты:
-
Никель, будучи аустенитостабилизатором, способен сохранять аустенитную структуру стали даже при комнатной температуре.
-
Молибден и вольфрам — одни из самых мощных карбидообразователей, применяются в сталях для работы при температурах свыше 1000°C.
-
Некоторые высоколегированные стали при содержании 12–14% хрома становятся не только устойчивыми к коррозии, но и способными к самозатачиванию, как, например, инструментальные стали.
-
Титановый карбид (TiC) используется в сверхтвёрдых покрытиях режущего инструмента, превосходя по твёрдости большинство природных минералов.
-
В сталях с высоким содержанием хрома (>11%) ледебурит появляется при содержании углерода всего около 1%, в отличие от традиционных чугунов, где для этого требуется >2,14% C.
Легирование углеродистых сталей — это не просто добавление элементов в металл, а тонкое управление внутренней структурой и фазовыми превращениями. Влияние каждого элемента, его взаимодействие с углеродом, способность образовывать карбиды или интерметаллиды, определяют конечные свойства материала. Понимание механизмов влияния легирующих компонентов на критические температуры, карбидные фазы и растворимость углерода позволяет создавать сплавы с заданными свойствами и обеспечивает основу для разработки новых высокоэффективных материалов в машиностроении, энергетике и авиастроении.
