Легирование машиностроительной стали

Винокур Б.Б. и др.

Металлургия, 1977 г.

Особенности карбидообризования в  сложнолегированных  сталях.

Одновременное легирование стали хромом, марганцем и одним или несколькими сильными карбидообразующими элементами приводит к увеличению степени легирования карбидов и изменению условий образования карбидов. Углерод, закрепляясь на дислокациях, является одной из причин, тормозящих образование карбидов. Замещение в карбиде М₃С части атомов железа легирующими элементами приводит к дестабилизации этого карбида и увеличению возможности образования специального карбида легирующего элемента (например, тригонального карбида типа М7С3). Процесс дестабилизации сложен и имеет экстремальный характер. Так, при небольшой степени легировании цементита температура образования карбида хрома выше, чем в чистом железохромуглеродистом сплаве. Увеличение степени легирования цементита облегчает образование карбида хрома и вновь понижает температуру его выделения. Но эта температура все же выше, чем у чистого сплава. При достаточной степени легирования дестабилизация цементита настолько велика, что становится невозможным существование легированного цементита, и при отпуске образуются очень бедный легирующими элементами цементит и специальным карбид.

В сложнолегированных сталях отношение М/С не может быть характеристикой, определяющей возможность образования специального карбида (под индексом М подразумевается содержание элемента, образующего специальный карбид). Так, в стали 30ХГВТ отношение Сг/С равно около 12% (ат), что в 2 раза меньше чем требуется для образования карбида М₇С₃. При 575° С в цементите растворено лишь 12,5% (по массе) хрома. Однако цементит легирован также 11% (по массе) марганца и 2,5% (по массе) вольфрама. Марганец и вольфрам наряду с хромом способствуют деста билизации цементита и приводят к образованию три тонального карбида.

Увеличение содержания хрома в стали вызывает повышение содержания хрома и уменьшение содержа ния марганца в цементите. Так как основным элементен тригонального карбида является хром, повышенное со держание его в цементите облегчает образование кар бида хрома.

Дестабилизация цементита зависит от характера легирования стали. Вольфрам более сильный карбидообразующий элемент, чем молибден, поэтому образование тригональиого карбида в вольфрамсодержащей стали более вероятно, чем в молибденсодержащей. В вольфрамсодержащей стали дестабилизация цементита происходит при меньшем содержании хрома, чем в молибденсодержащей стали. Легирование стали обоими элементами усиливает дестабилизацию цементита. При таком легировании в карбидах содержится меньшее количество молибдена и вольфрама, чем при дополнительном легировании стали одним из этих элементов. Это означает, что для создания условий, необходимых для карбидного превращения М₃О-М₇Сз, можно одновременно легировать сталь молибденом и вольфрамом в меньшем количестве, чем одним молибденом либо одним вольфрамом. Влияние такого сложного легирования на свойства стали отмечалось в работе [33].

Дополнительное легирование стали ванадием приводит к понижению температуры образования цементита и ускоряет образование тригонального карбида. Это связано с ослаблением сил связи в решетке феррита, содержащего ванадий [91]. Карбид ванадия растворяет некоторое количество железа, хрома, марганца, молибдена, вследствие чего температура его растворения понижается. Аустенитизация при 920° С позволяет частично растворить некоторое количество карбида ванадия. Ванадий, находящийся в твердом растворе, ускоряет распад мартенсита, облегчает перераспределение элементов между фазами. Легирование цементита хромом и молибденом в ванадийсодержащей стали происходит при более низкой температуре, чем в такой же стали без ванадия.

Марганец замедляет диффузию углерода; он является карбидообразующим элементом. Никель — некарбидообразующий элемент; скорость диффузии углерода в никельсодержащих сталях увеличивается. Поэтому Легирование стали марганцем и никелем по-разному влияет на условия карбидообразования. В хромомарганцевых сталях цементит выделяется медленнее, легирование, цементита происходит при более высоких температурах, чем в хромоникелевых. Увеличение содержания Никеля понижает температуру выделения цементита, однако карбид М₃С в никельсодержащих сталях менее легирован, чем карбид марганецсодержащих сталей. Поэтому для протекания карбидного  превращения МзС-М₇Сз хромоникелевая сталь должна быть более легирована хромом, чем хромомарганцевая.

Характер легирования стали влияет на механизм карбидного превращения М₃С-М₇С₃. Как отмечалось, образование тригонального карбида возможно при невысоком содержании хрома в цементите, но при легировании его марганцем, молибденом, вольфрамом. На дестабилизацию цементита основное влияние оказывает не только хром, но и остальные элементы, легирующие цементит, т. е. хром не является ведущим в образовании карбида М₇С₃. Вероятно, этим можно предположить, что сложное легирование цементита приводит к постепенной перестройке его решетки в решетку тригонального карбида. Образующийся карбид М₇С₃ содержит большое количество железа, марганца, молибдена (вольфрама) но меньше хрома, чем карбид М₇Сз в чистом железохромуглеродистом сплаве. Такой тип карбидного превращения наблюдается в хромомарганцевовольфрамовых сталях с 1% Сr. При увеличении содержания хрома в стали цементит содержит большее количество хрома и меньшее марганца. При этом решетка карбида М₇С₃ оказывается менее стабильной, чем у стали с небольшим содержанием хрома. При достаточном насыщении карбида М₃С легирующими элементами орторомбическая решетка искажается настолько, что становится нестабильной. Карбид МзС диссоциирует, а легирующие элементы и углерод оказываются вновь растворенными в феррите. Однако при данной температуре отпуска пересыщенный твердый раствор не может существовать, степень легирования феррита оказывается достаточной для образования тригонального карбида, вследствие чего выделяется карбид М₇С₅ и обедненный легирующими элементами цементит. Такой тип превращения наблюдается уже в 2%-ной хре мистой стали, легированной 1% Мn и 0,5% Мо.