Влияние технологических факторов на свойства металлов и сплавов

Райков С.В., Ващук Е.С.

СГИУ — Новокузнецк, 2014 г.

ЛЕГИРОВАНИЕ  КАК  СПОСОБ  УПРАВЛЕНИЯ  СВОЙСТВАМИ  СПЛАВОВ

Исходя из представлений о микронеоднородности жидких и твердых сплавов одним из важных вопросов теории и практики легирования является распределение легирующих элементов между отдельными структурными составляющими в литом, деформированном и термообработанном состоянии. При этом повышение однородности распределения легирующих элементов в расплаве, например с увеличением температуры легирования, проводит к росту механических свойств отливок. Одной из основных причин высокого качества стали, получаемой при электрошлаковом переплаве (ЭШП), является тот факт, что металл при переплаве нагревается до более высоких температур, чем в обычных методах плавки, например в дуговой печи.

При выборе легирующего элемента необходимым условием является его растворимость в твердом металле-основе. Для достижения состояния расплава, характеризуемого однородным и равномерным распределением легирующего компонента, количество присадки не должно превышать предела ее растворимости в кластерах. Поскольку структура кластеров сходна со структурой твердого металла, то предел растворимости можно оценить исходя из диаграммы состояния в системе легирующий элемент - основной металл.

Концентрация легирующих элементов в стали не должна превышать предела растворимости его в твердом железе (сплаве). В случае введения легирующего компонента сверх предела растворимости в твердом металле-основе (при температуре, близкой к температуре солидуса) увеличивается микронеоднородность расплава, за счет появления кластеров, образованных легирующим элементом.

Таким образом, одной из основных задач, решаемых легированием, является расширения потенциальных возможностей металлов или сплавов, например углеродистой стали требуемые свойства (прочность, пластичность, жаропрочность, жидкотекучесть и другие). Однако не следует рассматривать связь основных механических, служебных и технологических свойств только с присутствием легирующих элементов без учета относительного содержания легирующей присадки и элементов внедрения (углерод, азот, водород и кислород) последующей тепловой (термической) обработки или пластической деформации. Следует отметить, что влияние легирования на комплекс свойств сплавов осуществляется через их воздействие на структуру сплавов в состоянии поставки (литое, деформированное или термообработанное).

Рассматривая легирование как способ управления свойствами сплавов можно в общем случае привести перечень механических, физических и химических свойств металлопродукции, регулируемых введением легирующих присадок.

а)       Механические свойства:

• Увеличение прочности;
• Увеличение вязкости и пластичности при регламентируемой минимальной прочности;
• Увеличение прокаливаемости;
• Уменьшение склонности (способности) к термической обработке (например, закалки);
• Повышение твердости при наклепе;
• Уменьшение пластичности при заданной твердости для улучшения обрабатываемости материала и обработке резанием;
• Увеличение сопротивления износу;
• Уменьшение коробления и склонности к трещинообразованию при литье и последующей тепловой обработки;
• Увеличение жаропрочности;
• Увеличение конструкционной прочности .

б)        Физические свойства:

• Повышение магнитной проницаемости, магнитной индукции, насыщения;
• Уменьшение коэрцитивной силы, потерь на перемагничивание (гистерезис) в магнитомягких материалах;
• Увеличение коэрцитивной силы и остаточной индукции в магнитотвердых материалах;
• Уменьшение теплопроводности;
• Уменьшение коэффициента термического расширения.

в)          Химические свойства:

• Увеличение коррозионной стойкости во влажной среде или при воздействии химических реагентов;
• Увеличение жаростойкости (коррозионной стойкости при повышенных температурах).

Влияние легирующих элементов на свойства стали, как и других сплавов следует рассматривать с позиций изменения ее фазового состава и распределения их между отдельными фазами. Тенденция распределения основных легирующих элементов между отдельными структурными составляющими стали отражена в таблице 9. Как видно из таблицы 9 легирующие элементы растворимы в феррите, а также образуют карбиды, нитриды, оксиды, сульфиды или интерметалл иды (промежуточные фазы переменного состава). При этом элементы, образующие в стали оксиды, частично используются для раскисления стали.

Следует отметить, что полное растворение в соответствии с диаграммой состояния того или иного элемента в основной фазе (феррите) определяется содержанием углерода, азота и кислорода в стали. Например, кремний может полностью растворяться в феррите при низком содержании кислорода (после раскисления стали алюминием), что важно при производстве тонколистовой стали (электротехнической).

Распределение карбидообразующих элементов определяется содержанием углерода и присутствием активных карбидообразующих элементов (Ti,Nb). Так вольфрам, вводимый в малых количествах в высокоуглеродистую сталь почти целиком находится в карбидной фазе, а при высоком его содержании в малоуглеродистой стали преимущественно растворяется в феррите. Влияние более сильного карбидообразующего элемента сводится к связыванию углерода в карбиды, что равносильно уменьшению содержания углерода в металле-основе.

Таблица 9 - Качественное распределение легирующих элементов между отдельными структурными составляющими стали

Примечание - обозначено предпочтительное распределение легирующего элемента.

Экспериментально установлено, что наибольшее влияние на физические и механические свойства сплава, легирующие элементы оказывают в том случае, когда они присутствуют в структуре твердого раствора. Теоретическое объяснение такого экспериментального факта сводится к тому, что при растворении легирующего элемента в решетке основного металла происходит искажение кристаллической решетки (наибольшее при образовании твердых растворов внедрения), появлению внутренних напряжений, точечных дефектов и т.п. Как известно, дефекты кристаллической решетки являются препятствиями для движения дислокаций, т.е. увеличивается сопротивление пластической деформации (предел текучести) и разрушению (предел прочности) и соответственно уменьшается пластичность.

При рассмотрении влияния легирования на такие физические свойства как тепло- и электропроводность связанных с переносом электронов, отмечается роль химического взаимодействия и нарушения симметрии кристаллической решетки.

Например, для повышения прочности медного проводника электрического тока медь легируют Cd,Sn,Al,P,Cr и Be, но при этом снижается электропроводность сплава. Наиболее предпочтительным оказывается легирование Cd (не более 1.0 %), поскольку сплав Au-Cd обладает проводимостью до 90 % от проводимости чистой меди, а условный предел прочности при растяжении  сплава в 2-2.5 раза больше  меди. Присутствие Zn,Al,Be и Р в меди с точки зрения электрических свойств нежелательно. Если стоит задача повышения удельного сопротивления металла (для элементов сопротивления) стремятся получать сплавы со структурой твердого раствора, содержащего максимально возможное количество легирующего компонента.

Применение алюминиевых сплавов как конструкционных материалов взамен сплавов на основе железа обусловлено следующим:

• Относительно низкая температура приготовления;
• Малый удельный вес, что определяет их высокую удельную прочность;
• Высокая коррозионная стойкость во влажной атмосфере, морской воде, растворов щелочей и кислот (алюминиевомагниевые сплавы).

Основными легирующими элементами при приготовлении сплавов на основе алюминия являются: кремний, медь, цинк и магний.  Известно, что увеличение содержания магния увеличивает параметр решетки (а), удельное электрическое сопротивление, предел прочности (сгв) и относительное удлинение (δ). Повышение прочности сплава Al-Mg с увеличением содержания магния объясняют увеличением искажения решетки вследствие большой величины критерия (Кр), определяемого как Кр = NxAQ, где AQ = (Q легир. элемента - Q растворителя )/ Q растворителя - удельная разность атомных объемов легирующего элемента и растворителя (основы), N - атомная доля растворенного элемента.

Недостатком алюминиевомагниевых сплавов с высоким содержанием магния является склонность к межкристаллитной коррозии под напряжением после термической обработки, поэтому для повышения коррозионных и механических свойств сплавов Al-Mg легируют Be, Ti, Zr и Μη. В таблице 10 показано влияние легирования на механические свойства алюминиево-магниевых сплавов.

Таблица 10 - Влияние легирования на механические свойства алюминиево-магниевых сплавов

Для приготовления коррозионностойких алюминиевомагниевых сплавов с высокими и стабильными механическими свойствами из всех легирующих элементов наиболее предпочтительным является цинк. Оптимального сочетания механических свойств (σΒ,σοζ,δ) в тройных Al-Mg-Zn сплавах можно добиться только при определенном соотношении концентраций магния и цинка. При этом учитывают следующее: максимальное ограничение суммарного содержания магния и цинка для стабилизации структуры, механических свойств и коррозии под напряжением: оптимальное соотношение концентрации магния и цинка для обеспечения максимального предела текучести в процессе искусственного старения. Такие рекомендации еще раз подтверждают тот факт, что разработка новых сплавов осуществляется экспериментально, т.е. методом проб и ошибок. Легированные стали как и углеродистые стали поступают потребителю с металлургических заводов в виде металлопроката или в литом состоянии после термической обработки (как правило в отожженном состоянии).

При этом значительное количество малоуглеродистой легированной высокопрочной стали находит применение в пластически деформированном состоянии и такие преднамеренно делают нечувствительными к тепловой обработки, что особенно важно для повышения жаропрочности. Нечувствительность к тепловой (термической обработке) способствует стабилизации механических свойств в широком температурном интервале температур эксплуатации, атак же во времени (при эксплуатации в обычных условиях) поскольку естественное старение не имеет места.

Как отмечалось выше (таблица 9) влияние легирующих элементов на свойства стали состоит в образовании твердого раствора (при растворении в феррите), а также карбидов, оксидов, нитридов и сульфидов. Механические свойства сплава, как известно, определяются не столько свойствами матрицы (феррита), но и прочностью, размерами, формой и характером распределения других (в первую очередь хрупких) фаз. Рассмотрим влияние легирования на свойства феррита, поскольку другие отмеченные факторы определяются не столько легированием (имеется ввиду как обработка сплава в жидком состоянии), а последующей пластической деформацией и тепловой обработкой.

В соответствии с данными, представленными на рисунке 74, легирующие элементы по эффективности воздействия на свойства феррита можно расположить в ряд: Cr, W, V, Mo, Ni, Μη и Р.

В малоуглеродистой стали (0.1 % С) качественный характер влияния легирования на твердость сохраняется.