Углерод (С).
Весьма тугоплавкий элемент Τ=3 770° абс. для графита). Расширяет область γ -фазы в стали, задерживая в ее доэвтектоидных модификациях распад аустенита. Определитель стали, активный ее упрочнитель, повышающий предел прочности, текучести и т. д., но понижает ее пластичность. При расплавлении в стали может образовывать твердые растворы внедрения и цементит. При нагреве стали углерод диффундирует из твердого раствора, активно связывая в карбидах почти все легирующие элементы и в первую очередь молибден. Чем больше углерода в стали, тем активнее происходят его диффузия и образование карбидов. Излишний углерод, не будучи связанным в карбиды, коагулирует в графит, что придает ему функции активного графитизатора. Углерод существенно снижает технологичность стали при сварке. Указанные соображения ограничивают допускаемое содержание углерода в сваривающихся и работающих при длительном нагреве трубопроводных сталях пределами:
для углеродистых сталей С<0,20%
» перлитных легированных сталей С <0,15%
» аустенитных сталей С<0,10%
Молибден (Мо).
Весьма тугоплавкий металл ( Тпл=2 890° абс.). Суживает область γ-фазы в стали, способствуя распаду аустенита. При расплавлении стали входит в твердый раствор, усиливая энергию внутри кристаллических связей и обладая высокой температурой рекристаллизации (1170° абс.), повышает ее для всего сплава в целом. Молибден является самым активным упрочителем трубопроводных сталей и наилучшим образом влияет на их жаропрочность, находясь в твердом растворе. Повышает пластичность стали при длительном нагреве и снижает ее склонность к тепловой хрупкости. При нагреве стали молибден диффундирует из твердого раствора и образует вне последнего менее ценную структуру карбида молибдена Мо2С, что приводит к разупрочнению молибденовых сталей при длительном нагреве. Эти карбиды коагулируют затем в крупные образования, которые могут распасться впоследствии на составные части (в том числе графит). Последнее обстоятельство заставляет считать чистый молибден графитизатором стали. С целью не допустить образования карбидов, помимо молибдена, в сплав вводят другие, более активные карбидообразователи (вольфрам, бор, ниобий и др.), которые, связав высвободившийся углерод стали в свои собственные карбиды, не оставляют последнего для образования карбида молибдена, чем заставляют последний войти в твердый раствор. Наивысшие свойства стали обеспечиваются при содержании молибдена 0,5—1%, однако упрочняющее действие его усиливается при одновременном введении в сталь других легирующих элементов. При содержании молибдена до 0,5% свариваемость стали несколько повышается, а при 0,5-1% Мо для сварки стали приходится применять сопутствующий (и предварительный) подогрев. Молибден — неокалиностоек.
Ванадий (V)
Тугоплавкий металл (Тпл=2 170° абс.). Суживает область γ-фазы в стали, способствуя при охлаждении распаду в ней аустенита. При вхождении в твердый раствор ослабляет внутрикристаллические связи, приводя тем самым к разупрочнению стали. Однако будучи весьма активным карбидообразователем, ванадий связывает в стали практически весь свободный углерод, вытесняя из карбидной фазы другие менее активные карбидообразователи (в том числе, молибден) Термическая обработка способствует выделению в ванадиевых сталях мелкозернистых карбидов ванадия, которые в качестве дополнительной упрочняющей фазы создают условия дисперсного твердения при длительной работе при температурах 500-600° С и выше. Являясь активным стабилизатором жаропрочных свойств стали, ванадий ограничивает гранитизацию. Высокие механические свойства стали обеспечиваются при содержании ванадия 0,25— 0,35%; при таком содержании ванадий повышает также свариваемость стали. Окалиностойкость чистого ванадия чрезвычайно низка.
Хром (Сr).
Тугоплавкий металл (Тпл =2 100° абс.). Суживает область фазы стали, способствуя распаду в ней аустенита. Обладая высокой температурой рекристаллизации, повышает таковую для всего плава в целом, что (при содержании хрома до 1,5%) несколько повышает жаропрочность сталей. Образует ряд карбидов, однако последние склонны к растворению в феррите, поле чего упрочняющее действие упомянутых карбидов хрома использовано быть не может являясь чрезвычайно активным раскислителем хром связывает в окись практически весь свободный кислород, обеспечивая высокие антикоррозионные свойства стали как при низких, так и при высоких температурах, а также жаростойкость стали (окалиностойкость), содержащей хром. При содержании Сr>1—8% сталь становится нержавеющей. Образу на поверхности металла прочную оксидную пленку, защищающую сталь от дальнейшего окисления (ржавления), хром затрудняет сварку стали, что заставляет применять предварительный и сопутствующий подогревы и особо тщательную термическую обработку сварных стыков. В больших количествах (и в присутствии молибдена) хром является также антиграфитизатором.
Никель (Ni).
Металл невысокой тугоплавкости (Τ пл =1730° абс.). Будучи сильным расширителем γ-фазы в стали, никель является активным стабилизатором аустенита в чем и заключается его основное назначение как легирующего элемента), сохранят в ней аустенит до самых низких температур, Πри легировании аустенитная структура в стали обеспечивается при содержании Ni=25%; при одновременном легировании другими элементами (например, хромом) расход никеля может сократиться в 2 раза. На жаропрочность никель влияет лишь косвенно, создавая в стали структуру наиболее жаропрочного аустенита.
Никель является также графитизатором; повышает вязкость стали и улучшает ее свариваемость. Склонен к окислению, а в комбинации с хромом способствует развитию в стали тепловой хрупкости. Температура рескристаллизации никеля около 690° абс.
Титан (Ti).
Тугоплавкий металл (Тпл=2 000° абс.). Сильный ограничитель γ-фазы стали и мощный карбидизатор, образующий высокостабильный карбид TiC, сохраняющий устойчивость практически при всех рабочих температурах трубопроводов. Образуя в стали также ряд мелкокристаллических интерметаллидов (титанидов), титан создает в перлитных сталях условия дисперсионного затвердевания. В аустенитных сталях титан связывает в карбиде свободный углерод сплава, чем понижает склонность стали к интеркристаллитной коррозии. Стабилизируя хромоникелевые стали против указанного дефекта, титан также несколько повышает жаропрочность сталей всех классов. Улучшает свариваемость стали.
Кобальт (Со).
Металл с невысокой тугоплавкостью (Тпл=1 760° абс.). Безразличен к γ-фазе в стали; не образует карбидов. При сплавлении в стали с железом образует твердый раствор, однако при этом у перлитных сталей повышается скорость диффузии углерода, а у аустенитных она понижается, за счет чего у последних увеличивается энергия внутри кристаллических связей. Кобальт является активным упрочнителем аустенитных сталей, особенно при наличии в них других легирующих элементов, вызывающих дисперсионное затвердевание. На жаропрочность перлитных сталей (без совместного действия с другими элементами) не влияет. К графитизации последних безразличен. Повышает окалиностойкость стали и, несколько затрудняя процесс сварки, вызывает значительное разупрочнение ее в зоне термического влияния. Наиболее дефицитный элемент из применяемых для легирования трубопроводных сталей.
Бор (В).
Весьма тугоплавкий металл (Τ пл =2670° абс.). Расширяет область γ- фазы в стали, предохраняя от распада аустенит. Образует в стали (вместе с другими элементами) твердый раствор, а в аустенитных сталях еще ряд интерметаллических соединений (боридов), способствующих развитию в них процессов дисперсионного затвердевания. Имея высокую температуру рекристаллизации (около 1070° абс.), является активным упрочнителем всех видов стали, однако лишь при введении в нее других элементов. Вместе с тем бор затрудняет свариваемость стали, а при введении в количестве более 0,006-0,1% образует в ней легкоплавкую эвтектику, затрудняющую горячую обработку такой стали давлением; предельное содержание бора в трубопроводных сталях обычно не превышает 0,005%.
Вольфрам (W).
Самый тугоплавкий в природе металл (Тпл=3660° абс.). Суживает область γ-фазы в стали, способствуя распаду в ней аустенита. Является активным карбидообразователем, образуя в стали тугоплавкий карбид W2C с температурой плавления 2 870° абс., а также ряд интерметаллидов (вольфрамидов железа Fe3W2, Fe3W и др.), что способствует развитию в вольфрамовых сталях процессов дисперсионного затвердевания. Вольфрам способствует вытеснению из карбидной фазы молибдена; так, например, в сталях, легированных молибденом и вольфрамом, наличие последнего переводит большую часть молибдена в твердый раствор в железе, Имея высокую температуру рекристаллизации (около 1 450° С), вольфрам является активным упрочнителем стали при высоких температурах. Благодаря описанному действию на сталь вольфрам способствует повышению жаропрочности перлитных сталей. В аустенитных сплавах на хромоникелевой основе вольфрам повышает жаропрочность путем стабилизации структуры и повышения их сопротивления развитию интеркристаллитной коррозии. Вольфрам неокалиностоек, и его легкая окисляемость требует при сварке защиты зоны расплавления металла от контакта с кислородом воздуха (например, путем сварки в среде защитных газов).
Ниобий (Nb).
Весьма тугоплавкий металл (Тпл=2 770° абс.). Сильно суживает область γ-фазы в стали, способствуя распаду в ней аустенита. Образует тугоплавкие карбиды с температурой плавления 3 870° абс. и интерметаллические соединения, что обусловливает в сталях, легированных ниобием, повышение жаропрочности путем карбидного и интерметаллидного дисперсионного затвердевания. Однако подобный характер упрочнения сталей, содержащих ниобий, приводит к хрупкости зон термического влияния в металле при сварке, что в свою очередь усложняет сварку и предъявляет повышенные требования к термической обработке сварных стыков. Ниобий повышает пластичность стали после ее термической обработки, однако при этом несколько снижается ее прочность. Ниобий является активным стабилизатором хромоникелевых аустенитных сталей и сложнолегированных перлитных сплавов. Благодаря высокой температуре рекристаллизации (около 1 100° абс.) ниобий является активным упрочнителем сталей при высокой температуре.
Алюминий (А1).
Металл с невысокой температурой плавления (Тпл=930° абс.). Сильно суживает область γ -фазы, способствуя распаду аустенита. Карбидов не образует. Активный раскислитель стали при выплавке, так как, обладая большим сродством с кислородом, легко с ним соединяется и связывает в нерастворимом шлаке кислород, попадающий в расплавленную сталь. Графитизатор, тормозит окалинообразование в стали. Сильнее, чем хром, повышает ее жаростойкость. Однако вследствие весьма низкой температуры рекристаллизации (около 360° абс.) введение в сталь алюминия приводит у углеродистых и низколегированных сталей к снижению сопротивления ползучести. Поэтому даже в качестве раскислителя трубопроводных сталей алюминием пользуются весьма осторожно.
Кремний (Si).
Минерал с невысокой тугоплавкостью (Тпл=1680° абс). Суживает область γ -фазы в стали, способствуя распаду аустенита. Карбидов с углеродом не образует. Жаропрочности стали не повышает, однако благоприятно влияет на окалиностойкость, не уступая влиянию в этом отношении хрома и алюминия. Кремний — весьма эффективный раскислитель стали при выплавке, а также активный стабилизатор свойств против окалинообразования В количествах др 0,3% кремний не влияет на качество сварки стали; в больших количествах способствует образованию в сварном стыке тугоплавкого вязкого окисла, загрязняющего металл шва неметаллическими включениями и снижающего прочность сварки. Температура рекристаллизации кремния составляет около 60° абс.
Марганец (Мn).
Металл с невысокой тугоплавкостью (Тпл=1 520° абс.). Расширяет область γ-фазы в стали, особенно в присутствии хрома (обеспечивая аустенитную структуру стали при низких температурах при 15% Мn и 15% Сr). При расплавлении в стали входит в твердый раствор, усиливая энергию внутри кристаллических связей, однако вследствие невысокой температуры рекристаллизации на жаропрочность стали почти не влияет. Более ценным является влияние марганца на сталь при сравнительно невысоких температурах (около ЗЮ°С), при которых марганец существенно повышает ее предел прочности и текучести. Марганец, однако, способствует развитию у сали тепловой хрупкости, вследствие чего для легирования перлитных сталей при работе с высокими температурами, равно как и для получения аустенитных трубопроводных сталей, не применяется. Марганец является активным раскислителем стали и благодаря своей способности образовывать с серой легко удаляемые из стали соединения — ее десульфаторов. Окалиностойкость марганца весьма невелика.
Кислород (О2), Водород (Н2), СО, СО2, СН4 и др.
Газы, попадающие в сталь при выплави из воздуха или водяного пара, являются вреднейшими примесями, вызывающими ряд эффектов (подкорковые пузыри, оксидные пленки, флокены и др.) и способствующими развитию в стали различных коррозионных провесов и т. д.
Азот (N2).
Инертный газ, попадающий в стал при выплавке из воздуха, вдуваемого в печь. Расширяет область γ-фазы в стали, чем может заменить в ней при выплавке аустенитные сталей некоторое количество никеля. Упрочняющая фаза, создаваемая азотом — мелкодисперсные нитриды. Ввиду склонности азота к развитию в стали поверхностной твердости, а также способности его образовывать дефекты азот для легирования трубопроводных сталей не применяется и является вредной примесью.
Cepа (S), фосфор (Р).
Сера (Тпл=386° абс.) и фосфор (Тпл=390° абс.) попадают в сталь из руды и являются чрезвычайно вредными примесями для трубопроводных сталей, обусловливающими их хладноломкость (фосфор) и красноломкость (сера) и затрудняющими их литье и механическую обработку.
Хром + молибден + ванадий.
Будучи более активным карбидообразователем, чем молибден, ванадий связывает своим карбидом VC свободный углерод стали и, вытесняя тем самым молибден в твердый раствор железа, обеспечивает ей высокий уровень жаропрочных свойств. Хром нейтрализует склонность молибдена и ванадия к коррозии, чем обеспечивает стали высокую жаростойкость. Связанность в карбиде ванадия практически всего свободного углерода стали обеспечивает ей высокую сопротивляемость графитизации. Требуемый уровень рабочих свойств хромомолибден о ванадиевых сталей перлитного класса обеспечивается надлежащей термической обработкой.
Хром-никель.
Никель закрепляет от распада аустенитную структуру стали, а хром (частично заменяя никель) нейтрализует высокую окисляемость никеля. Трубопроводные аустенитные стали на хромоникелевой основе обычно содержат примерно по 12-18% хрома и никеля. Высокое содержание в этих сталях хрома и однофазность структуры обеспечивают высокую жаропрочность и жаростойкость аустенитных трубопроводных сталей (практически эти стали являются нержавеющими). Для улучшения ряда специальных свойств хромоникелевых трубопроводных сталей аустенитного класса (стойкость против интеркристаллитной коррозии, растрескивания и др.) современные модификации этих сталей подвергают дополнительному легированию титаном, ниобием, вольфрамом, бором и др. Окончательно требуемый уровень рабочих свойств хромоникелевых сталей аустенитного класса обеспечивается их надлежащей термической обработкой.
