В качестве легирующих химических элементов используют. Влияние легирующих элементов на свойства стали

Легирующие элементы – химические элементы, специально вводимые в сталь для получения заданных свойств. Улучшают , физические и химические свойства основного материала.

Основным легирующим элементом является хром (0,8…1,2)%. Он повышает прокаливаемость, способствует получению высокой и равномерной стали. хромистых сталей — (0…-100) o С.

Дополнительные легирующие элементы:

• Бор — 0.003%. Увеличивает прокаливаемость, а такхе повышает порог хладоломкости (+20…-60 o С .
• Марганец – увеличивает прокаливаемость, однако содействует росту зерна, и повышает порог хладоломкости до (+40…-60) o С.
• Титан (см. ) (~0,1%) вводят для измельчения зерна в хромомарганцевой стали.
• Введение молибдена (0,15…0,46%) в хромистые стали увеличивает прокаливаемость, снижает до –20…-120 o С . Молибден увеличивает статическую, динамическую и усталостную прочность стали, устраняет склонность к внутреннему окислению. Кроме того, молибден снижает склонность к сталей, содержащих никель.
• Ванадий в количестве (0.1…0.3) % в хромистых сталях измельчает зерно и повышает и .
• Введение в хромистые стали никеля , значительно повышает прочность и прокаливаемость, понижает порог хладоломкости, но при этом повышает склонность к отпускной хрупкости (этот недостаток компенсируется введением в сталь молибдена). Хромоникелевые стали, обладают наилучшим комплексом свойств. Однако никель является дефицитным, и применение таких сталей ограничено.Значительное количество никеля можно заменить медью, это не приводит к снижению вязкости.

При легировании хромомарганцевых сталей кремнием получают, стали – хромансиль (20ХГС, 30ХГСА) . Стали обладают хорошим сочетанием прочности и , хорошо свариваются, штампуются и обрабатываются резанием.Кремний повышает ударную вязкость и температурный запас вязкости.

Добавка свинца, кальция – улучшает обрабатываемость резанием. Применение упрочнения улучшает комплекс .

Распределение легирующих элементов в стали.

Легирующие элементы растворяются в основных железоуглеродистых сплавов (феррит, аустенит, цементит), или образуют специальные карбиды. Растворение легирующих элементов в Fe α происходит в результате замещения атомов железа атомами этих элементов. Эти атомы создают в решетке напряжения, которые вызывают изменение ее периода. Изменение размеров решетки вызывает изменение свойств феррита – прочность повышается, пластичность уменьшается. Хром, молибден и вольфрам упрочняют меньше, чем никель, кремний и марганец. Молибден и вольфрам, а также кремний и марганец в определенных количествах, снижают вязкость.

В сталях карбиды образуются металлами, расположенными в таблице Менделеева левее железа (хром, ванадий, ), которые имеют менее достроенную d – электронную полосу.

В процессе карбидообразования углерод отдает свои валентные электроны на заполнение d – электронной полосы атома металла, тогда как у металла валентные электроны образуют металлическую связь, обуславливающую металлические свойства карбидов.

При соотношении атомных радиусов углерода и металла более 0,59 образуются типичные химические соединения: Fe 3 C, Mn 3 C, Cr 23 C 6 , Cr 7 C 3 , Fe 3 W 3 C – которые имеют сложную кристаллическую решетку и при нагреве растворяются в аустените.

При соотношении атомных радиусов углерода и металла менее 0,59 образуются фазы внедрения: Mo 2 C, WC, VC, TiC, TaC, W 2 C – которые имеют простую и трудно растворяются в аустените.

Сталь - один из самых востребованных материалов в мире сегодня. Без нее сложно представить любую существующую строительную площадку, машиностроительные предприятия, да и много других мест и вещей, которые нас окружают в повседневной жизни. Вместе с тем, этот сплав железа с углеродом бывает достаточно различным, потому в данной статье будет рассмотрено влияние легирующих элементов на свойства стали, а также ее виды, марки и предназначение.

Общая информация

Сегодня многие широко применяются практически в любой сфере жизнедеятельности человека. Это во многом объясняется тем, что в этом сплаве оптимально сочетается целый комплекс механических, физико-химических и технологических свойств, которые не имеют какие-либо другие материалы. Процесс непрерывно совершенствуется и потому ее свойства и качество позволяют получить требуемые показатели работы получаемых в итоге механизмов, деталей и машин.

Классификация по назначению

Каждая сталь в зависимости от того, для чего она создана, в обязательном порядке может быть причислена в одну из следующих категорий:

Самый многочисленный класс - это конструкционные стали, разработанные для создания разнообразных строительных конструкций, приборов, машин. Конструкционные марки разделяются на улучшаемые, цементуемые, пружинно-рессорные, высокопрочные.

Инструментальные стали дифференцируют в зависимости от того, для какого инструмента они производятся: режущего, измерительного и т. д. Само собой, что влияние легирующих элементов на свойства стали этой группы также велико.

Специальные стали имеют свое разделение, которое предусматривает следующие группы:

• Нержавеющие (они же коррозионностойкие).
• Жаропрочные.
• Жаростойкие.
• Электротехнические.

Группы сталей по химическому составу

Классификацией озвучиваются стали в зависимости от образующих их химических элементов:

• Углеродистые марки стали.
• Легированные.

При этом обе эти группы дополнительно разделяются еще и по количеству содержащегося в них углерода на:

Что такое легированная сталь?

Под этим определением следует понимать стали, в которых содержатся, параллельно с постоянными примесями, еще и добавки, внедряемые в структуру сплава, с целью увеличения механических свойств полученного в конечном счете материла.

Несколько слов о качестве стали

Этот параметр данного сплава подразумевает под собой совокупность свойств, которые, в свою очередь, обуславливаются непосредственно процессом его производства. К подобным характеристикам, которым подчиняются и легированные инструментальные стали, относятся:

• Химический состав.
• Однородность структуры.
• Технологичность.
• Механические свойства.

Качество любой стали напрямую зависит от того, сколько содержится в ней кислорода, водорода, азота, серы и фосфора. Также не последнюю роль играет и метод получения стали. Самым точным с точки зрения попадния в требуемый диапазон примесей является сопособ выплавки стали в электропечах.

Легированная сталь и изменение ее свойств

Легированная сталь, марки которой содержат в своей маркировке буквенные обозначения вводимых принудительно элементов, меняет свои свойства не только от этих сторонних веществ, но и также от их взаимного действия между собой.

Если рассматривать конкретно углерод, то по взаимодействию с ним легирующие элементы можно условно разделить на две большие группы:

• Элементы, которые формируют с углеродом химическое соединение (карбид) - молибден, хром, ванадий, вольфрам, марганец.
• Элементы, не создающие карбидов - кремний, алюминий, никель.

Стоит заметить, что стали, которые легируются карбидобразующими веществами, имеют очень высокую твёрдость и повышенное сопротивление износу.

Низколегированная сталь (марки: 20ХГС2, и другие). Особое место занимает сплав 13Х, который достаточно тверд для изготовления из него хирургического, гравировального, ювелирного оборудования, бритв.

Расшифровка

• Хром - Cr.
• Ванадий -V.
• Марганец -Mn.
• Ниобий - Nb.
• Вольфрам -W.
• Титан - Ti.

Иногда в начале индекса марки стали стоят буквы. Каждая из них несет особый смысл. В частности, буква "Р" означает, что сталь является быстрорежущей, "Ш" сигнализирует, что сталь шарикоподшипниковая, "А" - автоматная, "Э" - электротехническая и т. д. Высококачественные стали имеют в своем цифро-буквенном обозначении в конце литеру "А", а особо качественные содержат в самом конце маркировки букву "Ш".

Воздействие легирующих элементов

В первую очередь следует сказать, что основополагающее влияние на свойства стали оказывает углерод. Именно этот элемент обеспечивает с повышением своей концентрации увеличение прочности и твердости при снижении вязкости и пластичности. Кроме того, повышенная концентрация углерода гарантирует ухудшение обрабатываемости резанием.

Особого внимания заслуживает алюминий. Его применяют в процессе для удаления кислорода и азота после ее продувки, дабы поспособствовать уменьшению старения сплава. Кроме того, алюминий значительно повышает ударную вязкость и текучесть, нейтрализует крайне вредное влияние фосфора.

Ванадий - это особый легирующий элемент, благодаря которому легированные инструментальные стали получают высокую твёрдость и прочность. При этом в сплаве уменьшается зерно и повышается плотность.

Легированная сталь, марки которой содержат вольфрам, наделена высокой твёрдостью и красностойкостью. Вольфрам хорош также и тем, что он полностью устраняет хрупкость во время запланированного отпуска сплава.

Для увеличения жаропрочности, магнитных свойств и сопротивления значительным ударным нагрузкам сталь легируют кобальтом. А вот одним из тех элементов, который не оказывает какого-либо существенного влияния на сталь, является кремний. Однако в тех марках стали, которые предназначены для сварных металлоконструкций, концентрация кремния должна быть обязательно в пределах 0,12-0,25 %.

Значительно повышает механические свойства стали магний. Его также используют в качестве десульфуратора в случае использования внедоменной десульфурации чугуна.

Низколегированная сталь (марки ее содержат легирующих элементов менее 2,5%) очень часто содержит марганец, что обеспечивает ей непременное увеличение твердости, износоустойчивости при сохранении оптимальной пластичности. Но при этом концентрация этого элемента должна быть более 1%, иначе не получится достигнуть указанных свойств.

Выплавляемые для различных масштабных строительных конструкций, содержат в себе медь, которая обеспечивает максимальные антикоррозионные свойства.

Для увеличения красностойкости, упругости, предела прочности при растяжении и стойкости к коррозии в сталь обязательно вводят молибден, который также еще и повышает сопротивление окислению металла при нагреве до высоких температурных показателей. В свою очередь церий и неодим применяются для снижения пористости сплава.

Рассматривая влияние легирующих элементов на свойства стали, нельзя обойти вниманием и никель. Данный металл позволяет стали получить превосходную прокаливаемость и прочность, повысить пластичность и ударопрочность и понизить предел хладноломкости.

Очень широко используется в качестве легирующей добавки и ниобий. Его концентрация, в 6-10 раз превышающая количество обязательно присутсвтующего углерода в сплаве, позволяет устранить межкристаллитную коррозию нержавеющей марки стали и предохраняет сварные швы от крайне нежелательного разрушения.

Титан позволяет получить самые оптимальные показатели прочности и пластичности, а также улучшить коррозионную стойкость. Те стали, которые содержит эту добавку, очень хорошо подвергаются обработке различным инструментом специального назначения на современных металлорежущих станках.

Введение в стальной дает возможность получить требуемую зернистость и при необходимости оказывать влияние именно на рост зерна.

Случайные примеси

Крайне нежелательными элементами, которые очень негативно сказываются на качестве стали, являются мышьяк, олово, сурьма. Их появление в сплаве всегда приводит к тому, сталь становится очень хрупкой по границам своих зерен, что особенно заметно при смотке стальных лент и в процессе отжига низкоуглеродистых марок сталей.

Заключение

В наше время влияние легирующих элементов на свойства стали довольно хорошо изучено. Специалисты тщательно провели анализ воздействия каждой добавки в сплаве. Полученные теоретические знания позволяют металлургам уже на этапе оформления заказа сформировать принципиальную схему выплавки стали, определиться с технологией и количеством требуемых расходных материалов (руды, концентрата, окатышей, присадок и прочего). Наиболее часто сталеплавильщики использую хром, ванадий, кобальт и другие легирующие элементы, которые являются достаточно дорогостоящими.

Для изготовления некоторых инструментов и ножей применяются специальные стали с добавлением легирующих добавок. Легирование стали осуществляется на металлургических производствах. При этом некоторые добавки позволяют не только улучшить характеристики стали, но и существенно упростить процесс плавки. Технологический процесс легирования довольно сложен, требует особой точности и поэтому практически невозможен в домашних условиях.

1 Описание процесса, цели

Нужно различать легирование стали, которая применяется для изготовления инструментов, и той, которая применяется для изготовления полупроводников. Так, в первом случае требуется повышение именно механических характеристик, а во втором случае требуется повышение токопроводящих свойств. Для этого применяются различные легирующие добавки, а также существенно отличается технологический процесс. Для того, чтобы иметь понятие о процессах, в данном материале будут вкратце рассмотрены основы легирования металлов для различных технических нужд.

Под легированием понимают добавление в состав металла различных примесей (добавок), которые изменяют характеристики и свойства металла. При этом процессы легирования разделяют на:

1. Металлургическое легирование (по-другому - объемное).
2. Поверхностное. Оно может быть выполнено несколькими способами: диффузией, ионным "обстрелом" и т.д.

В зависимости от того, для какой отрасли производят легирование стали, могут применяться различные технологии. Так, на металлургических производствах для легирования стали в расплавленный металл в качестве добавки применяется металл для легирования.

Легирование хромом, молибденом, никелем, ниобием (ниобий применяется редко) и т.д. Такие добавки позволяют существенно улучшить физико-химические свойства материала. Чтобы стальная заготовка обладала определенными свойствами (например, сопротивляемость коррозии, увеличение твердости и уменьшение износа), применяется поверхностное легирование. Технологический процесс легирования может производиться на различных этапах плавки для получения различных характеристик готового проката.

Поверхностное легирование часто применяют для изготовления стекол и керамических изделий. Это гораздо лучше, чем напыление, потому что происходит диффузия легирующей добавки и основного материала.

Главной целью легирования полупроводников является изменение проводимости, а также концентрации носителей в заданном количестве материала, при этом получая необходимые свойства (например, плавность pn-перехода). Для этих целей наиболее часто применяются добавки фосфора или мышьяка, иногда добавляют бор.

На данный момент существует несколько технологических способов легирования. Подробнее о них рассказано в следующем разделе.

2 Различные способы

Первый способ - ионное легирование (ионная имплантация) Такой способ позволит осуществлять контроль приборов с максимальной точностью. Эта технология применяется в основном для легирования полупроводников. Ионное легирование условно можно разделить на 2 этапа: загонка легирующих атомов в материал и активация загнанной в материал добавки. Проконтролировать процесс можно дозировкой (кол-вом добавки), энергей (от нее зависит глубина вхождения добавки), температурой (от нее зависит распределение добавки в материале), а также временем протекания процесса.

Следующим идет нейтронно-трансмутационный процесс легирования. Он тоже применяется для легирования полупроводников. Принципы технологического процесса следующие: добавки не вводятся, а "мутируют" из исходного материала при протекании ядерных реакций, которые вызываются при облучении материала нейтронами. В результате выходит монокристаллический материал, в котором атомы распределены равномерно. Подобный способ впервые был применен на территории СССР в 1980 году. Отечественными учеными была доказана возможность легирования силиция в больших количествах на энергоблоках АЭС, при этом не снижалась выработка электроэнергии и не ухудшались параметры безопасности. С 1988 по 2004 года технология была внедрена почти на всех АЭС России и усовершенствована, что позволило увеличить диаметр слитков Si до 85 мм. На данный момент Россия лидирует в этой технологии.

Другим способом легирования полупроводников является термодиффузионный способ. Он условно разделяется на несколько этапов: осаждение добавки, отжиг (при котором происходит загонка добавки в материал), удаление добавки.

Электроискровое легирование происходит при обработке готовых изделий из металла при использовании дуговых разрядов, при которых происходит перенос добавки с электрода на поверхность изделия. Часто применяют для форм и других изделий, которые используются в цветной и черной металлургии (в процессе разливки), поскольку обработанные детали и конструкции устойчивы к высокой температуре. Электроискровое легирование применяется только для специальных изделий и механизмов.

А вот в металлургии специальное легирование начало использоваться не так давно - примерно с начала 20 века. Основными причинами этого являются технологические сложности, связанные с процессом и с тем, что частично происходило природное обогащение компонентами (так, используемое метеоритное железо имело в своем составе никель, а на рудниках - свои примеси серы, кремния и т.д.). Некоторые месторождения (например, на юге Японии) имели в составе руды и молибден, поэтому японское оружие считалось очень надежным и прочным. В Европе уделили особое внимание процессу легирования во второй половине 19 века, первый лабораторный образец легированной стали был получен в 1858 году, первая пробная партия получена в 1871-м, однако технологически не подготовленное оборудование не позволяло быстро внедрить эту технологию. Поэтому массово легировать сталь стали только к 1890-м годам.

Отдельно стоит рассказать о технологии взрывного насыщения. Взрывное легирование используется при насыщении углеродистой стали медью. Это один из подвидов ионного способа, основное назначение - защита металлических изделий от коррозии.

3 На что влияют добавки

Первое, что следует выделить - наиболее часто применяемые добавки к стали. Таковыми являются: хром, никель, марганец, молибден, титан, ванадий. Медь легируют кадмием, что существенно увеличивает ее износостойкость. Установка небольшого количества присадок кадмия позволяет повысить прочность, гибкость и износостойкость проводов и кабелей. В титан добавляют молибден, что позволяет существенно повысить температурный диапазон эксплуатации. При этом некоторые металлы могут легировать сразу несколькими добавками.

Легирующие добавки для стали вводят для повышения именно механических характеристик.

4 Расшифровка наименований

Часто возникает необходимость узнать состав металла. Маркировка материала осуществляется при помощи букв и цифр, согласно ГОСТу 4543-71. Первыми идут цифры, показывающие кол-во C в процентах (сотых), затем идут буквы, показывающие добавку. Возможные обозначения: Х - Cr, Н - Ni, К - Co, М - Mo, Т - Ti, В - W, А - N, Б - Nb, Д - Cu, Г - Mn, Р - B, Ю - Al, Ф - V, С - Si. В маркировке за буквой, обозначающей добавку, ставится цифровое обозначение, которое указывает кол-во добавки в %, при этом цифра может округляться согласно правилам округления (т.е. реальное содержание добавки 0,88% будет округлено до 1%). Если кол-во добавки около 1 %, то цифровое обозначение после добавки не ставится совсем. При этом необходимо обратить внимание, что важно расположение буквы в наименовании.

Так, обозначение, содержащее "А", находящееся не в конце наименования стали, является обозначением добавки N как легирующей добавки, в случае, когда она последняя в наименовании, обозначает сталь высокого качества.

Например, распишем сталь 65Х13Н2МА. Установка расшифровки такова: кол-во углерода - 0,65%, 13% хрома, 2% никеля, 1% молибдена, сталь высококачественная.

В заключении стоит отметить, что необходимо четко следить за соотношением компонентов в стали.

Легированная сталь представляет собой сталь, которая кроме обычных примесей оснащена еще и дополнительными добавочными веществами, которые необходимы для того, чтобы она соответствовала тем или иным химическим и физическим требованиям.

Обычная сталь состоит из железа, углерода и примесей, без которых невозможно себе представить данный материал. В легированную сталь добавляются дополнительные вещества, которые получили название легирующих. Они используются для того, чтобы сталь стала обладать такими свойствами, которые необходимы в тех или иных ситуациях.

В большинстве случаев в качестве легирующих элементов к железу, примесям и углероду добавляются: никель, ниобий, хром, марганец, кремний, ванадий, вольфрам, азот, медь, кобальт. Также не редко в таком материале отмечаются такие вещества, как молибден и алюминий. Для придания прочности материалу в большинстве случаев добавляется титан.

Такой вид стали имеет три основные категории. Отношение легированной стали к той или иной группе обусловлено тем, сколько в ней содержится стали и примесей, а также легированных добавок.

Виды легированной стали

Есть три основных вида стали с легирующими элементами:

• Низколегированная сталь.

Она характеризуется тем, что в ней содержится около двух с половиной процентов легирующих дополнительных элементов.

• Среднелегированная сталь.

Данный материал имеет в своем составе от 2.5 до 10 процентов легирующих дополнительных веществ.

• Высоколегированная сталь.

К данному виду относятся стальные материалы, количество легирующих добавок в которых превышает десяти процентов. Количество этих компонентов в такой стали может достигать пятидесяти процентов.

Назначение легированной стали

Легированную сталь широко применяют в современной промышленности. Она обладает высоким уровнем прочности, что позволяет изготовлять из нее оборудование для резки и рубки металлического проката самых разных видов.

По своему назначению стали легированного типа могут быть представлены большим количеством групп.

Основными из них являются:

• конструкционная легированная сталь,
• инструментальная легированная сталь,
• легированная сталь с особыми химическими и физическими свойствами.

Характеристики легированных сталей могут быть разнообразными. Они их приобретают благодаря соотношению основных элементов. Стали такого типа являются в любом случае более прочными и устойчивыми к образованию коррозии.

Свойства легированных сталей являются разнообразными. Они главным образом определяются теми добавками, которые применяются в качестве легирующих при производстве отдельных видов стальных материалов.

В зависимости от добавленных легирующих компонентов сталь приобретает следующие качества:

• Прочность. Данное свойство приобретает после добавления в ее состав хрома, марганца, титана, вольфрама.
• Устойчивость к образованию коррозии. Это качество появляется под воздействием хрома, молибден.
• Твердость. Сталь становится боле твердой благодаря хрому, марганцу и другим элементам.

Внимание: Стоит отметить, что для того, чтобы легированная сталь была более прочной и устойчивой к внешнему влиянию окружающей среды необходимое содержание хрома не должно быть менее двенадцати процентов.

Сталь легированного типа при правильном процентном соотношении всех входящий в нее элементов не должна менять свои качестве при температуре нагревания до шестисот градусов Цельсия.

Производство легированной стали.

Марки легированной стали являются различными. Они представлены в большом многообразии. В зависимости от назначения стали определяется ее маркировка.

Сегодня имеется большое количество требований к маркировке легированной стали. Для данного процесса используются цифровые и буквенные обозначения. Сначала при маркировке используются цифры. Они являются показателями того, сколько содержится в том или ином виде легированной стали сотых долей углерода. После цифр стоят буквы, которые являются обозначением того, какие легирующие добавки были использованы при производстве того или иного легированного типа стали.

После букв могут стоять цифры, обозначающие количество легирующего вещества в составе стального материала. Если после обозначения какого-либо легирующего элемента не стоит цифровое обозначение, то его в составе имеется минимальное количество, не достигающее даже одного процента.

Таблица 1. Сопоставление марок стали типа Cm и Fе по международным стандартам ИСО 630-80 и ИСО 1052-82.

Таблица 2. Условные обозначения легирующих элементов в металлах и сплавах