» » Роль легирующих элементов в повышении качества специальных сталей
16.01.2015

В настоящей работе при усовершенствовании процессов получения легирующих материалов тугоплавких элементов и утилизации дорогостоящих компонентов из техногенных отходов в исследованиях использовали рудные материалы и металлооксидные техногенные отходы различных источников образования, содержащие молибден, вольфрам, хром, ванадий, кобальт и ниобий. Поэтому практический интерес представляет их роль в повышении качества стали в сталеплавильном производстве. Наибольшее развитие в исследованиях физико-химических закономерностей восстановления и объемов внедрения получили решения с молибденом, подробно описанные в работе.
Согласно данным около 75 % молибдена используют в чёрной металлургии для легирования сталей и чугунов. Существенно меньшее количество, в среднем по 5...10%, применяется в производстве катализаторов при очистке нефти и дизельного топлива, добавок к смазкам, плоского и круглого проката для электротехники, электроники, военной техники и других производств в виде оксида MoO3, дисульфида M0S2, и металлического молибдена. В ближайшие годы спрос в этих сферах будет расти. Есть еще одна отрасль техники, которая гарантирует рост потребления молибдена в долгосрочной перспективе - ядерная энергетика. Согласно прогнозам, в ближайшие 30 лет масштабы этой индустрии вырастут вдвое.
Молибден входит в состав многих марок инструментальных сталей (для штампов, быстрорежущих и других). В сталях для штампов его содержание колеблется от 1 до 1,5 %, а в быстрорежущих сталях от 5 до 7,5...8,5 % (в случаях, когда молибден заменяет вольфрам). Молибден повышает красностойкость инструментальных сталей, их твёрдость и прочность, сопротивление образованию закалочных трещин, износу.
Особый класс сталей с исследуемыми элементами представляют быстрорежущие стали. Применение быстрорежущих сталей для режущего инструмента позволяет повысить скорости резания в несколько раз, а стойкость инструмента в десятки раз. Главной отличительно особенностью быстрорежущих сталей является их высокая теплостойкость или красностойкость (600...700°С) при наличии высокой твёрдости (63...70HRC) и износостойкости инструмента. Уникальные свойства быстрорежущих сталей достигаются посредством специального легирования и сложной термической обработкой. Основными легирующими элементами являются вольфрам, молибден, ванадий. Кроме них все стали легируют хромом, а некоторые - кобальтом и ниобием. Важным компонентом является углерод. В зависимости от степени раскисленности металла и полноты скачивания ишака, а также от степени раскисленности шлака перед выпуском плавки W усваивается на 86,5...93%; Mo на 87...95%; V на 61...65 и Cr на 83...85%.
Карбидообразующие элементы образуют в стали специальные карбиды: Me6C на основе вольфрама и молибдена, MeC на основе ванадия и Ме23С6 на основе хрома. Часть атомов Me в указанных карбидах составляют железо и другие элементы.
Наиболее широко использовали стали без молибдена (марки P12, Р9 и другие), а «эталоном», хотя в ряде случаев и значительно превзойдённым является сталь P18. Однако острая дефицитность вольфрама привела к частичной его замене молибденом. Замену вольфрама молибденом проводят исходя из соотношения Mo:W=1:1,5, однако общее содержание молибдена в стали не должно быть более 5 %. Считается, что наиболее оптимальные свойства и рациональная стоимость инструмента достигается при соблюдении условия Σ(W+1,5 Мо)=12...13 %. По этому принципу построена сталь Р6М5, которая в последние годы в нашла широкое применение. Выпуск этой стали составляет примерно 70% от общего выпуска быстрорежущих сталей. Сильное влияние главных легирующих элементов на фазовый состав быстрорежущей стали определяется тем, что они образуют стойкие карбиды.
Примерно 60 % вольфрама применяется в производстве режущих и износостойких материалов на основе карбида вольфрама (твердые сплавы), а также тяжелых сплавов для военной техники, радиационной зашиты, приборов, где используется высокая плотность вольфрама. В странах Европы в последнее время рост потребления вольфрама связывают именно с тяжелыми сплавами в качестве экологически чистого материала для бронебойных снарядов (взамен урана). Как легирующая добавка вольфрам входит во многие стали и суперсплавы на никелевой основе, куда его вводят соответственно в виде ферровольфрама и металлических штабиков (15...20 %). Прокат из вольфрама (прутки, проволока, сварочные электроды, полосы) находит применение в электротехнике, электронике, военной технике (8...10 %). Кроме того, соли вольфрама и WO3 используются в катализаторах и пигментах (5..,8 %).
Ванадий широко используется во многих отраслях промышленности. Более 80 % всего его количества применяется в черной металлургии как высокоэффективная, а в ряде случаев незаменимая легирующая добавка при производстве высококачественных сталей. Высокая значимость ванадия как легирующего элемента определяется также тем, что в ряде случаев он служит эффективным заменителем дефицитных вольфрама, молибдена, никеля и ниобия. Ванадий образует в стали наиболее твёрдый карбид VC (MeC) (HV 2700-2800). Максимальный эффект от введения в сталь ванадия достигается при условии, что содержание углерода в стали будет повышенным для образования большого количества карбидов и для насыщения твёрдого раствора. Ванадий, кроме частичного растворения в карбиде М6С, в быстрорежущей стали образует самостоятельный карбид VC или V4C3. С увеличением содержания ванадия или уменьшением содержания вольфрама (от ~ 1 %) относительное количество карбидов ванадия в стали, содержащей около 5 % V при 9...12% W, составляет по некоторым данным 30...40% от общего количества карбидов.
Хром в отожжённой стали в основном распределяется между ферритом и карбидом M6C. Он образует также карбид типа Me23C6, состав которого (Cr, Fe, W)23C6 может изменяться за счёт замещения хрома вольфрамом до состава Fe2jW2C6. Хром во всех быстрорежущих сталях содержится в количестве около 4 %. Роль хрома в быстрорежущих сталях состоит в придании стали высокой прокаливаемости. Он оказывает влияние и на процессы карбидообразования при отпуске.
Кобальт применяют для дополнительного легирования быстрорежущей стали с целью повышения красностойкости. Находясь в твёрдом растворе и частично в составе карбида Me6C кобальт может при отпуске образовывать и ингерметаллиды типа (Co, Fe)7(W, Мо)6. Кобальт увеличивает устойчивость против отпуска и твёрдость быстрорежущих сталей (до HRC 67...70). Главной причиной сдерживающей широкое применение кобальтовых сталей, является дефицитность и высокая стоимость кобальта.
Ниобий является сильным карбидообразуюшим элементом и в быстрорежущей проявляется в виде карбида NbC, практически не растворимого в аустените и не повышающего теплостойкости. Карбиды ниобия имеют повышенную стойкость и сохраняют совою твердость при повышенных температурах. Положительное влияние карбидов ниобия в основном заключается в том, что они задерживает рост зерна при нагреве для закалки.
Резкое увеличение износоустойчивости быстрорежущих сталей достигается путём порошковой металлургии и последующего изостатического прессования.