Взаимодействие легирующих элементов с углеродом и азотом в стали. Карбиды и нитриды в стали

МеС, Ме₂С, Ме ₇С₃, Ме₂₃С₆, Ме₆С.

Добавленные в сталь легирующие элементы могут образовывать твердые растворы или химические соединения с железом и между собой. В большинстве случаев для сталей важную роль имеет взаимодействие ЛЭ с углеродом и азотом. Способность ЛЭ к образованию карбидов или нитридов в стали, где основу составляет железо, определяется их сродством к С и N. Если сродство ЛЭ к С и N больше, чем у железа, то будет образовываться карбид на основе ЛЭ, а не цементит.

Так как закономерности образования карбидов и нитридов в стали имеют одинаковый характер и углерод чаще применяется при легировании, чем азот, обычно рассматривают закономерности карбидообразования.

Все легирующие элементы можно разделить на две группы: карбидообразующие и не образующие карбидов в стали.

Карбиды и нитриды относятся к фазам внедрения, которые и образуются между d -переходными металлами и соответственно углеродом и азотом. Активность карбидообразующих элементов тем больше и устойчивость карбидных фаз тем выше, чем менее достроена d -электронная оболочка у данного металла. На рис. 77 приведен фрагмент таблицы Д. И. Менделеева, где расположены карбидо- и нитридообразующие элементы.

Co и Ni, представленные на рис. 77, не образуют карбиды и нитриды в стали, так как они имеют более совершенное электронное строение, чем железо.

В периодах сродство к углероду возрастает справа налево (Fe Ti), а в группах – сверху вниз (Cr W). Таким образом, самым активным из представленных в таблице элементов будет Hf. С увеличением содержания легирующего элемента в стали образуется карбид более высокого класса (с бóльшим содержанием ЛЭ). Например, для хрома: (Cr,Fe)₃C Cr₇C ₃Cr₂₃C₆.

Рис. 77. Структуры d–переходных металлов, карбидов и нитридов, образуемых в стали

В некоторых карбидах легирующих элементов может растворяться железо. Так, например, в карбидах Cr₃c и Мn₃С железо растворяется неограниченно. Карбиды Cr₇C₃ и Mn₂₃C₆ образуют ограниченные твердые растворы с железом.

Прочность связи между атомами металла и неметалла в карбидах и нитридах характеризуются теплотой образова­ния _298К, кДж/(г-атом) и свободной энергией образова­ния фаз ( _298к, кДж/(г-атом), температурой их плавле­ния и структурно-нечувствительными упругими свойства­ми. Наиболее высокие значения из указанных свойств имеют карбиды и нитриды элементов IV и V групп. По мере увеличения номера группы свойства изменяются в сторону уменьшения прочности связи атомов в карбиде и нитриде или, как говорят, прочности или стойкости карбидов и нитридов.

Следовательно, переходные металлы по их сродству к углероду и азоту, прочности и стойкости карбидов и нит­ридов, их устойчивости к распаду можно расположить в следующий убывающий ряд: Hf, Zr, Тi, Та, Nb, V, Мо, Сr, Мn, Fе.

Карбид Сr₇С₃ образуется чаще всего в конструкцион­ных сталях с относительно невысоким содержанием хро­ма (до 3 – 4%). Этот карбид имеет сложную гексагональную решетку с 80 атомами на одну элементарную ячейку (56 атомов металла и 24 атома углерода).

В сталях этот карбид может содержать от 30 до 50 % Сr, т. е. его формула должна быть в пределах Fе₄Сr₃С₃ и Fе₂Сr₅С₃. Обычно такой карбид обозначают (Сr, Fе) ₇С₃ или Me₇C₃.

Карбид Сr₂₃С₆ образуется в высоколегированных хро­мистых сталях при большом содержании хрома (выше 5 – 8 %). Он имеет сложную г. ц. к. решетку, элементарная ячейка которой содержит 116 атомов, в том числе металла 92 атома и углерода – 24. В сталях карбид Сr₂₃С₆ в чистом виде не встречается, часть атомов хрома в нем замещается карбидообразующими элементами, входящими в состав стали (Fе, Мо, W).

В зависимости от характера легирования атомы ме­талла могут содержать два или несколько элементов. Так, в высокохромистых сталях содержание железа в кар­биде может повышаться до 35 %, т. е. часть атомов хрома замещается железом, при этом формула карбида имеет, например, вид Fе₈Сr₁₅С₆. При меньшем содержании хрома возможно об­разование карбида Fе₁₂Сr₁₁С₆. В общем виде такой карбид в сталях принято обозначать формулой (Сr, Fе) ₂₃С₆ или Me₂₃C₆. В сталях с молибденом формула карбида будет Fе₂₀Мо₂С₆, а в сталях с несколькими легирующими элемен­тами (Сr, Мо, W и др.) все они могут входить в состав карбида.

Железо широко замещает в этом карбиде хром, но так как размер атомов железа несколько меньше раз­мера атомов хрома, то начиная с определенного момента (после замещения ~30% Сr) эти узлы становятся слиш­ком “просторными”, и для устойчивости решетки необходи­мо присутствие крупных атомов W (или Мо). Атомы W (Мо) занимают также определенные позиции в решетке карби­да Ме₂₃С₆, поэтому их максимальное число в элементар­ной ячейке составляет 8 из 92 атомов металла. Дальней­шее увеличение в стали концентрации вольфрама и молибдена в выделяющейся фазе сверх этого предела приводит к переходу Ме₂₃С₆ Þ Ме₆С, как к следующему карбиду, который может вместить большее количество W и Mo.

Этот карбид образуется только при сложном легировании, поэтому он является комплексным карбидом. Его преимущество перед другими карбидами на основе Mo, W и других тугоплавких элементов заключается в том, что он имеет более низкую температуру диссоциации, что позволяет переводить Мо и W при нагреве при закалке в твердый раствор (аустенит).

Однако этот карбид метастабильный и при высокой температуре и длительных выдержках он превращается в стабильные карбиды типа МеС или Ме₂С. По этой причине высоколегированные стали, содержащие в больших количествах Cr, W, Mo и V не подвергают смягчающему отжигу с нагревом и длительной выдержкой при температурах 1100...1200 ^о С. При закалке из этой области температур длительность выдержки строго регламентирована.

Л 5.2. Влияние легирующих элементов на С–образные кривые.

Влияние легирующих элементов на критические точки и свойства стали

Легирующие элементы значительно влияют на температурное положение критиче­ских точек в сталях. В частности, они могут интенсивно смещать точку А_с1. Подобное влияние легирующих элементов связано с двумя факторами.

Рис. 78. Влияние легирующих элементов на положение критической точки Ас1 (а) и содержание углерода в эвтектоиде (б)

Как известно, критическая температура А_с1 в углеро­дистой стали отвечает превращению эвтектоидной смеси перлита + Fе₃С в аустенит путем фазового перехода a®g, диссоциации карбида и растворению углерода в g -же­лезе. С одной стороны, легирующие элементы изменяют температуру – прeвращения для феррита, входящего в состав эвтектоида (перлита), и, с другой стороны, влияют на температуру диссоциации эвтектоидных карбидов и по­следующее растворение углерода и легирующих элемен­тов в g -железе. Как правило, карбидообразующие элементы повышают температуру диссоциации карбидов, и, если при этом они также повышают температуру -превращения, то влия­ние их на точку А_с1 сказывается особенно сильно (рис. 78).

Некарбидообразующие элементы, растворяясь в цемен­тите, несколько понижают температуру диссоциации кар­бида. При этом никель и марганец понижают температуру -перехода и, следователь­но, снижают точку А_с1. Свое­образно влияние хрома на точку А_с1. Он до 12–13 % сравнительно слабо повышает точку А_с1, а при содержа­нии его более 14 % наблюдается резкое повышение темпе­ратуры А_с1. Подобное влияние объясняется тем, что при со­держании хрома до 12 – 13 % он понижает температуру - перехода, а наблюдаемое при этих содержаниях хрома по­вышение точки А_с1 обусловлено более сильным влиянием диссоциации эвтектоидных карбидов при этих температурах. Закономерности влияния элементов на критические точ­ки в основном сохраняются и в сталях, содержащих одно­временно несколько легирующих элементов.

Легирующие элементы значительно влияют и на поло­жение эвтектоидной точки S (рис. 79), и на предельную концентрацию углерода в аустените (точку Е). Некарбидообразующие элементы (никель, кобальт, кремний), растворяясь в фер­рите и замещая часть атомов железа в его решетке, тем самым уменьшают содержание железа в эвтектоиде и сме­щают точку S в сторону меньших концентраций углерода. Аналогично влияют и карбидообразующие эле­менты, которые в большом количестве растворяются в фер­рите. Их карбиды участвуют в образовании эвтектоида (например, Мп и Сr). Такие элементы, как Мо и W, сначала уменьшают, а затем увеличивают содержание уг­лерода в эвтектоиде.

Имеются сведения, что сильные карбидообразующие элементы Тi, Nb и V, незначительно раст­воряющиеся в феррите и образующие стойкие карбиды, ко­торые не участвуют в образовании эвтектоида, уменьшают количество эвтектоида в стали и увеличивают содержание углерода в эвтектоиде, т. е. смещают точку S в сторону больших концентраций углерода. В то же время, если Тi, Nb и V растворены в аустените, то они снижают содержа­ние углерода в эвтектоиде.

Большинство легирующих элементов понижает предел растворимости углерода в - железе и, следовательно, сме­щает точку Е на диаграмме Fе – Fе₃С в сторону меньших концентраций углерода.

Рис. 79. Изменение содержания углерода в эвтектоиде и эвтектике при легировании

Легирующие элементы смещают не только критические точки равновесных систем, но и изменяют кинетику распада аустенита. Кинетика распада аустенита опре­деляет поведение стали при термической обработке. Влияние же легирующих элементов на кинетику превращения аустенита очень велико.

Элементы, которые только растворяются в феррите или цементите, не образуя специальных карбидов, оказывают лишь количественное влияние на процессы превращения (изменяют длительность инкубационного периода). Они или ускоряют превращение (к таким элементам относится только кобальт), или замедляют его (большинство элементов, в том числе марганец, никель, медь и др.).

Рис. 80. Диаграммы изотермического превращения аустенита: доэвтектоидной (а), эвтектоидной (б) и заэвтектоидной (с) углеродистой стали

Карбидообразующие элементы вносят не только количе­ственные, но и качественные изменения в кинетику изотермиче­ского превращения. Так, легирующие элементы, образующие растворимые в аустените карбиды, при разных температурах по-разному влияют на скорость распада аустенита: при 700 – 500 ^о С (образование перлита) – замедляют превращение, а при 500 – 400 ^о С – весьма значительно замедляют превращение; при 400 – 300 ^оС (об­разование бейнита) – ускоряет превращение при малых концентрациях и замедляют при больших.

Таким образом, в сталях, легированных карбидообразующими элементами (хром, молибден, вольфрам), наблюдаются два максимума скорости изотермического распада аустенита, раз­делен­ных областью высокой устойчивости пе­ре­охлажденного аустенита. Изотермический распад аустенита имеет два явно выраженных интервала превращений – превращение в пластинчатые кристаллиты (перлитное превращение) и превращение в игольчатые кристаллиты (бейнитные превращения).

Диаграммы изотермичес­кого распада представлены на рис. 80 и 81. Видно, что увеличение содержания углерода понижает температуры начала и конца мартенситного превращения; форма кривых начала и конца перлитного превращения принципиально не изменяется.

При легировании карбидообразующими элементами диаграмма приобретает другой вид (рис. 81). Причины изменения формы диаграммы подробно изучаются в дисциплине “Теория термической обработки”. Следует обратить внимание на тот факт, что положение бейнитной области зависит от содержания углерода и ЛЭ-карбидо­обра­зователя.

В легированных сталях в зависимости от положения линий начала перлитного превращения и точки М_н можно получить стали перлитного, мартенситного, бейнитного или аустенитного классов. Увеличение инкубационного периода при легировании позволяет создавать стали с высокой прокаливаемостью.

Рис. 81. Схемы диаграмм изотермического распада аустенита, легированного карбидообразующими элементами: а – малоуглеродистая сталь; б – высокоуглеродистая сталь

Легирующие элементы не влияют на кинетику мартенситного превращения, которая, по-видимому, похожа во всех сталях. Их влияние сказывается исключительно на положении температурного интервала мартенситного превращения, а это в свою очередь отражается и на количестве остаточного аустенита, которое фиксируется в закаленной стали.

Рис. 82. Влияние ЛЭ на Мн и содержание остаточного аустенита в стали с 1 % углерода

Некоторые эле­менты повышают мартенситную точку и уменьшают количество остаточного аусте­нита (алюминий, кобальт), другие не влияют на нее (кремний), но большинство снижает мартенситную точку и увеличивает количество остаточного аустенита (рис. 82). Из диаграммы видно, что 5% Мn снижает мартенситную точку до 0 ^оС, следовательно, при таком (или большем) содержании это­го легирующего элемента можно зафиксировать аустенитное состояние посредством быстрого охлаждения..

Л 5.3. Влияние легирования на вязкость, прочность, Т_х, размер зерна.