Легировать сталь научились ещё в XIX веке – учёный Мюшетт изобрёл состав стали, содержащий 1,85% углерода, 9% вольфрама и 2,5% марганца, она использовалась для получения резцов, применяемых в .

Сталь для массового производства появилась благодаря разработкам английского металлурга Роберта Гадфильда. Легирование стали позволило получить состав: 1,0–1,5% углерода и 12–14% марганца, она отличалась повышенной износостойкостью и хорошим качеством литья. Эта марка практически без изменений сохранилась до наших дней.

Легированная сталь обладает большей прочностью, коррозионной стойкостью и пластичностью.

Стали имеют определённую классификацию в зависимости от структуры и области применения.

По структуре делятся на классы:

• мартенситный (основная структура металла);
• мартенситно-ферритный (структура содержит мартенсит + 10% феррита);
• ферритный;
• аустенитно-мартенситный (стали с комбинированной структурой аустенита и мартенсита, количество которых можно менять в больших пределах);
• аустенитно-ферритный (структура: аустенит с содержанием феррита более 10%);
• аустенитный (устойчивая структура аустенита).

По процентному соотношению легирующих добавок сталь подразделяют на:

• низколегированную – 5–10%;
• среднелегированную – 10%;
• высоколегированную – более 10%.

Дополнительная классификация

Легированные конструкционные сплавы подходят для изготовления деталей машин и механизмов в машиностроительной отрасли – производят крупногабаритные детали, которые закаляют и подвергают высокому отпуску. Большая часть легирующих добавок в стали повышают прокаливаемость. Внедрение добавок должно быть достаточным, но не чрезмерным. Большая степень легирования может вызвать:

• снижение пластических свойств;
• развитие отпускной хрупкости;
• снижение порога хладноломкости.

Исключение – никель, он смещает порог хладноломкости в область низких температур, поэтому для машин, работающих в условиях Севера, механизмы изготавливают из никельсодержащих сталей. Пружинная легированная сталь содержит 0,5–0,7% углерода, а в качестве добавок вводят хром, молибден и вольфрам. Такой состав должен обеспечивать высокое сопротивление малым пластическим деформациям и высокой усталостной стойкости.

Шарикоподшипниковые – относят к заэвтектоидным – углерод около 1% с дополнительным легированием металла хромом (1,3–1,65%). В теплостойких подшипниках хром увеличивают до 5%. К подшипниковым – предъявляют особые требования по металлургической чистоте. Применение рафинирующих переплавов, вакуумные способы переплавки, обработка синтетическими шлаками позволяют уменьшить долю и размер неметаллических включений, тем самым повышают сопротивление контактной усталости.

Инструментальные виды

Легированная инструментальная сталь предназначается для производства металлорежущего инструмента, эксплуатируемого при режимах с высокой скоростью резания и для изготовления штампового инструмента.

Быстрорежущие стали способны сохранять высокую твёрдость и износостойкость режущей кромки инструмента. В такую сталь добавляют молибден, ванадий, вольфрам, хром и кобальт.

Штамповые стали для холодной деформации с содержанием 1,0–2,0% углерода обладают износостойкостью и ударной вязкостью. Их легируют хромом до 12%, ванадием, вольфрамом, молибденом.

Штамповые стали для горячей деформации содержат углерод в пределах 0,3–0,5%, обладают высокой теплостойкостью, ударной вязкостью, сопротивлением термической усталости. В качестве добавок вводят вольфрам, молибден, ванадий.

Основные цели легирования

Слово «легирование» происходит от немецкого «legieren» (связывать, соединять). Положительное воздействие легирующих компонентов на свойства стали связано с обеспечиванием протекания двух физико-химических процессов.

Образование термодинамических устойчивых растворов замещения, сопровождающееся замещением части атомов (ионов) железа в его кристаллической решётке (ионами) легирующего элемента. Это ведёт к искажению кристаллической решётки железа, поскольку радиусы ионов (катионов) легирующих элементов отличаются от радиуса катионов железа, что повышает твёрдость и прочность железа с сохранением его пластичности.

Возникновение прочных и практически нерастворимых в жидком железе химических соединений между введёнными в расплавленный металл легирующими добавками и растворёнными в нём неметаллами (кислород, азот, сера, углерод и др.).

Результатами образования таких соединений являются:

• снижение остаточного содержания в расплавленном металле растворенных неметаллов, ухудшающих его качество;
• уменьшение общего объёма вредных примесей (растворённых и в виде неметаллических включений) в стали.

А также происходит выделение (выпадение) из жидкого металла таких мелких неметаллических включений, которые служат центрами кристаллизации и приводят к получению мелкозернистой первичной и вторичной структуры стали. Благодаря этому она имеет лучшую пластичность, малую анизотропность свойств после прокатки и т. д. Выделяющиеся во время кристаллизации мелкие неметаллические включения обладают склонностью скапливаться на поверхности растущих кристаллов, понижая скорость роста граней, а это, в свою очередь, уменьшает зернистость стали.

Основным способом легировать сталь является метод объёмного металлургического легирования. Заключается в сплавлении основного элемента с легирующими в печах разного вида (индукционные, вакуумно-дуговые, тигельные, конвертеры, дуговые, плазменные, и др.). При этом способе возможна существенная потеря активных веществ (марганца, хрома, молибдена, и др.).

Существуют также:

• механическое легирование;
• восстановление;
• электролиз;
• плазмохимическая реакция.

Механическое легирование выполняют в аттриторах – барабанах, в центре которых находится вал с кулачками. В них закладывают порошкообразные компоненты для получения нужного сплава. Во время вращения кулачки «ударяют» по смеси, и происходит «вбивание» легирующих добавок в основу.

При совместном восстановлении перемешивают оксиды элементов сплава с восстановителем, например, с гидридом кальция (СаН 2) и производят нагрев. Идёт реакция восстановления оксидов до металлов, синхронно происходит процесс диффузии, выравнивающий состав сплава. Полученный оксид кальция (СаО) промывают водой, а сплав (в виде порошка) идёт в следующую обработку. Металлотермическое восстановление подразумевает использование металлов (магния, кальция, алюминия и др.) в качестве восстановителей.

С помощью поверхностного легирования поверхности изделия придают особые свойства. На верхний слой наносится определённый элемент или сплав в виде небольшого пласта, затем на неё воздействуют с помощью энергии (лазерного излучения, плазмы, тока высокой частоты др.) - поверхность оплавляется, и на ней формируется новый сплав.

Разница между легированием и примесями

Обычные легирующие добавки - это компоненты, которые вводят в металл в значительных количествах - более 0,10%. Они вызывают изменение кристаллической решётки железа, образуя растворы внедрения, повышают прочностные и других свойства железа (матрицы).

В качестве металлов для легирования используют:

• хром Cr;
• марганец Mn;
• никель Ni;
• алюминий Al;
• молибден Mo;
• кобальт Co;
• титан Ti;
• цирконий Zr;
• медь Cu и другие.

Их внедряют в сталь в разных количествах и сочетаниях.

Примеси

Существует деление вредных примесей на обычные и остаточные. К обычным вредным примесям относят те, содержание которых в металле можно уменьшить во время плавки – это фосфор, сера, кислород, азот, углерод, т. е., неметаллы.

Под остаточными вредными примесями принято понимать такие, содержание которых невозможно снизить во время плавки ни при окислительном рафинировании, ни при обычном легировании. Это характерно для химических элементов, имеющих растворимость в жидком железе. В производственной практике обычно встречающимися вредными остаточными примесями являются:

• никель;
• олово;
• сурьма;
• мышьяк.

Маркировка легированных сталей

В России и СНГ действует система обозначения марок, состоящая из букв и цифр.

Обозначения конструкционных легированных сплавов

Маркировка такой стали состоит из цифр и букв. Буквы – это основные легирующие добавки, цифры после каждой из букв показывают содержание обозначенного элемента, округлённого до целого числа (если содержание легирующего компонента – до 1,5%, то цифра за буквой не пишется). Содержание углерода в процентах, умноженное на 100, пишется в начале наименования стали.

Маркировка основных легирующих компонентов:

Элемент	Обозначение
	Н
Кобальт	К
Молибден	М
Хром	Х
Марганец	Г
Бор	Р
Медь	Д
Цирконий	Ц
Фосфор	П
Кремний	С
Ниобий	Б
Вольфрам	В
Титан	Т
Азот	А (в середине наименования)
Ванадий	Ф
Алюминий	Ю
Редкоземельные металлы	Ч

Если сталь с ограничением содержанием и фосфора P <0,03% и является высококачественной, в конце маркировки указывают «А». Высококачественные стали, полученные электрошлаковым переплавом, имеют маркировку в конце наименования с буквой «Ш» через тире, например, 18ХГ-Ш.

В начале названия указывается буква «А». Если в качестве легирующей добавки идёт свинец, то маркировка будет начинаться с «АС». Для отображения других элементов, действует тот же порядок, что и для конструкционных легированных сталей.

Маркировка подшипниковых

Маркировка у них, как у легированных, только с «Ш» в начале. У стали, полученной электрошлаковым переплавом, добавляют «Ш» в окончании названия через тире. Например, ШХ8-Ш.

Обозначения инструментальных легированных

Маркируются аналогично конструкционным легированным сталям. Процентное содержание углерода указывается в начале маркировки, но отличается тем, что умножается не на 100, а на 10. Если содержание углерода менее 1%, то цифру в начале названия марки стали не указывают.

Маркировка быстрорежущих

Они маркируются в начале наименования буквой «Р» и цифрой, указывающей на содержание вольфрама в стали, затем следуют буквы и цифры других легирующих элементов.

Маркировка коррозионно-стойких

Коррозионно-стойкие (нержавеющие), жаростойкие и жаропрочные имеют в обозначении цифры и записываются так же, как маркировка конструкционных легированных сталей. У литейных добавляется «Л».

При некоторых условиях эксплуатации стальных изделий и конструкций обычные физико-механические характеристики материал не удовлетворяют поставленным требованиям. В таких случаях стали легируют – добавляют при выплавке к исходному составу другие химические элементы (в основном – тоже металлы, хотя как будет показано далее, есть и исключения). В результате сталь становится прочнее, твёрже, устойчивее к внешним неблагоприятным факторам, хотя и теряет в своей пластичности, что в большинстве ситуаций ухудшает её обрабатываемость.

Технические требования к легированным сталям регламентированы ГОСТ 4543 (применительно к тонколистовому стальному прокату действует ещё ГОСТ 1542). В то же время ряд комплексно и сложнолегированных сталей производится согласно ТУ металлургических предприятий.

С формальной точки зрения, некоторые химические элементы, содержащиеся в обычных сталях, как конструкционных, так и обычного качества, тоже можно называть легирующими. К таким можно отнести, например, медь (до 0,2%), кремний (до 0,37%) и т.д.

Постоянными спутниками любой стали являются фосфор и сера . Тем не менее, металловеды относят их по большей части не к легирующим добавкам, а к примесям , хотя иногда процентное содержание другого легирующего элемента может быть даже меньшим.

Причина заключается в том, что любая примесь является следствием либо чистоты исходной руды (марганец), либо специфики металлургических процессов плавки (сера, фосфор). Теоретически выплавленная без меди, фосфора и серы сталь обладала бы такими же механическими свойствами. Легирование же имеет своей конечной целью именно повышение определённых технических характеристик стали. При этом фосфор и сера однозначно относятся к вредным, но неизбежным примесям . Наличие меди увеличивает пластичность, зато способствует налипанию поверхности металла , имеющего избыточную (более 0,3%) концентрацию меди на поверхность смежной детали. При работе конструкции в условиях интенсивного трения это является крупным недостатком.

Наличие химического элемента с концентрацией более 1% даёт основание вводить его условное обозначение в марку стали. Кроме вышеупомянутой стали 65Г, подобной чести удостаивается также и алюминий (присутствующий, в частности, в стали О8Ю). В данном случае алюминий вводится в обычную конструкционную сталь О8 с целью её раскисления , а то, что при этом несколько повышаются показатели её пластичности, является лишь удачным сопутствующим обстоятельством. Борирование стали обеспечивает ей повышенную последующую деформируемость , поэтому даже микродобавки бора в химический состав стали отмечаются соответственно изменённой её маркировкой (например, в стали 20Р присутствует всего 0,001…0,005 % бора).

В целом принято, что:

• Стали, содержащие только один, намеренно вводимый в состав элемент;
• Стали, в составе которых имеются иные, кроме углерода и марганца, химические элементы в количестве не более 1%

— легированными не считаются. С другой стороны, если в составе выплавляемого сплава процентное содержание железа не превышает 55%, то такой материал уже не может называться легированной сталью.

Общая классификация легирующих элементов в сталях

Преобладающее положение в списке легирующих элементов имеют металлы. Исключение составляют кремний и бор.

Наличие легирующих элементов оказывает преобладающее влияние на вид диаграммы состояния системы «железо-углерод», и на наличие/отсутствие химических соединений в конечном продукте (нитридов, карбидов и более сложных по формуле компонентов). Последние, в свою очередь существенно видоизменяют микроструктуру стали.

В связи с этим, легирующие сталь металлы подразделяются на две группы:

1. Металлы, которые увеличивают область твёрдых растворов на основе γ-железа (аустенитная область на диаграмме состояния), что приводит к повышению разнообразия конечной микроструктуры легированной стали после её упрочняющей термообработки). К таким элементам относятся никель, марганец, кобальт, медь, а также азот.
2. Металлы и химические элементы, наличие которых сужает γ-область , зато повышает прочность стали. К ним относят хром, вольфрам. ванадий, молибден, титан.

В процессе получения легированных сталей изменяются следующие закономерности в её свойствах.

Как известно, разные элементы обладают различной кристаллической структурой (для металлов это – гранецентрированная и объёмноцентрированная). Само же железо имеет объёмноцентрированную решётку.

При внедрении в сталь металла со сходным типом решётки область существования α-раствора (феррита) увеличивается за счёт соответствующего уменьшения аустенитной области. В результате микроструктура стабилизируется, что допускает более широкий выбор технологических процессов последующей термообработки.
Наоборот, при наличии в стали металла с другим типом решётки аустенитная область сужается. Такая сталь при своей последующей механической обработке будет более пластичной.
Легирование стали некоторыми металлами вообще невозможно. Это происходит, если разница в атомных диаметрах элементов превышает 15%.

Именно по этой причине такой металл как цинк вводят в качестве легирующей добавки только в цветные металлы и сплавы. Ограниченное применение для целей легирования стали находят также химические элементы, которые неспособны образовывать при выплавке устойчивые химические соединения с углеродом, железом и азотом.

Зависимость характеристик стали от насыщения её определёнными химическими элементами окончательно ещё не изучено. Это объясняется тем, что при комплексном легировании каждый компонент может взаимодействовать по разному с другими, причём такие изменения закономерному объяснению часто не поддаются. Поэтому вопросы целесообразности применения того либо иного легирующего элемента разрешаются экспериментальным путём.

Доказанными считаются следующие положения:

• Эффективность процесса повышается при увеличении растворимости азота и углерода в легирующей добавке, и в основном железе;
• Стабильность окончательных свойств стали повышается при увеличении размеров аустенитной зоны;
• Качество стали, легированной металлами и элементами с меньшим, чем у железа порядковым номером (в таблице химических элементов Д. Менделеева) хуже, чем в противоположном случае;
• Более тугоплавкие, по сравнению с железом, металлы повышают прочность стали при любых вариантах её дальнейшей термообработки.

Впрочем, вторичные взаимодействия, сильно зависящие от способа выплавки стали, могут существенно корректировать эти положения. Поэтому на данном этапе с уверенностью можно говорить лишь о влиянии конкретных легирующих элементов на свойства стали.

Влияние хрома

Хром – металл, особенно часто применяемый для целей легирования. Его добавляют как в конструкционные стали (например, 20Х, 40Х), так и в инструментальные (9ХС, Х12М). При этом конечные свойства легированной хромом стали сильно зависят от его содержания в ней. При низких (менее 0,5…0,7%) концентрациях структура стали становится боле грубой, и чувствительной к направлению её последующей обработки , особенно при прокатке и гибке в холодном состоянии. Ухудшается также равномерность распределения основных составляющих микроструктуры.

Как уже было отмечено выше, одной из главных целей легирования является формирование в стали карбидов металлов , прочность и твёрдость которых заметно выше, чем основного металла. Хром образует два вида карбидов: гексагональный Cr 7 C 3 и кубический Cr 23 С 6 , причём в обоих случаях прочность и хладостойкость стали возрастают. Особенностью карбидов хрома является присутствие в их структуре также и других элементов – железа и ванадия. В результате температура эффективного растворения снижается, что, в свою очередь, приводит к таким положительным особенностям сталей, легированных хромом, как прокаливаемость, возможность вторичного дисперсионного твердения и теплостойкость. Поэтому стали, легированные хромом, имеют увеличенную эксплуатационную стойкость при тяжёлых условиях своей эксплуатации.

Однако увеличение содержания хрома в стали приводит и к отрицательным последствиям. При его концентрации более 5…10% резко ухудшается карбидная однородность материала, что сопровождается нежелательными явлениями при её механической обработке : даже при нагреве пластичность стали невысока, поэтому при ковке с большими степенями деформации высокохромистые стали подвержены растрескиванию.

При чрезмерном карбидообразовании увеличивается также количество концентраторов напряжений , что негативно влияет на стойкость таких сталей к динамическим нагрузкам. Учитывая это, содержание хрома в сталях не должно превышать 5..6% .

Влияние вольфрама и молибдена

Действие этих легирующих добавок в сталях примерно одинаково, поэтому их рассматривают совместно. Вольфрам и молибден улучшают дисперсионное твердение сталей, что увеличивает их теплостойкость, особенно при длительной работе с повышенными температурами. Мартенситостареющие стали обладают уникальным комплексом свойств: они сочетают достаточную пластичность и вязкость с высокой поверхностной прочностью, а потому находят широкое применение в качестве инструментальных сталей , предназначенных для холодной объёмной штамповки с высокими степенями деформации. Причиной этому – формирование интерметаллидных соединений Fe 2 W и Fe 2 Mo 3 , которые способствуют последующему появлению специальных карбидов (чаще – хрома и ванадия). Поэтому часто, совместно с вольфрамом и молибденом стали легируют также и этими металлами. Примером служат инструментальные стали типа Х4В2М1Ф1, конструкционные 40ХВМФА и т.п.

Наиболее эффективно такое легирование для сталей, содержащих сравнительно большое количество углерода. Именно этим объясняется преимущественное применение сталей, содержащих вольфрам и молибден, для производства ответственных шестерён, валов и других деталей машин, работающих при сложных, резко циклических нагрузках. Наличие рассматриваемых легирующих компонентов улучшает закаливаемость сталей и способствует более устойчивым конечным характеристикам изделий, изготовленных из них.

Имеются и отрицательные стороны избыточного легирования данными металлами. Например, повышение концентрации молибдена более 3% способствует обезуглероживанию стали при нагреве, становится причиной хрупкого разрушения (особенно, если в составе такой стали присутствует в увеличенном — более 2% — количестве кремний). Предельное содержание вольфрама в стали – 10…12% — связано, главным образом, с резким повышением стоимости готового продукта.

Влияние ванадия

Ванадий чаще применяется как компонент сложного легирования. Его наличие придаёт легированным сталям более равномерную и благоприятную структуру , которая мало изменяется даже с термообработкой. Кроме того, ванадий стабилизирует γ-фазу, что увеличивает стойкость стали к напряжениям сдвига (как известно, именно при сдвиговых деформациях металлы имеют наименьшую прочность).

На твёрдость стали ванадий практически не влияет , это особенно заметно для конструкционных сталей, содержащих меньше углерода, чем инструментальные. В комплекснолегированных сталях ванадий увеличивает теплостойкость, что повышает их устойчивость от хрупкого разрушения. В этом смысле влияние ванадия противоположно влиянию молибдена. Особенностью термообработки легированных сталей, содержащих ванадий, считается невозможность выполнения высокого отпуска после закалки, поскольку последующая пластичность стали снижается. Поэтому в сталях, предназначенных для изготовления крупных деталей или поковок, процентное содержание ванадия ограничивается 3..4%.

Влияние кремния, марганца и кобальта

Кремний – единственный из неметаллов, «допущенный» к процессам легирования. Объясняется это двумя факторами – дешевизной элемента и однозначной зависимостью твёрдости от процентного содержания кремния в стали. Именно поэтому кремний часто применяется при выплавке недорогих низколегированных строительных сталей, а также сталей, для эксплуатационной долговечности которых важно оптимальное сочетание прочности и упругости. Чаще всего совместно с кремнием используется и марганец – примерами могут быть стали 09Г2С, 10ГС, 60С2 и т.д.

В инструментальных сталях кремний как легирующий компонент используется редко, и притом только в сочетании с другими металлами, которые нейтрализуют его отрицательные свойства – малую эксплуатационную пластичность и вязкость. Из таких сталей – в частности, 9ХС, 6Х3С и т.п. — изготавливают режущий и штамповый инструмент , для которого требуется сочетание высокой твёрдости и стойкости при резких нагрузках.

Как и кремний, кобальт при внедрении в структуру стали не образует собственных карбидов, зато в сложнолегированных сталях интенсифицирует их образование при отпуске. Поэтому кобальт применяется не самостоятельно, а в сочетании с такими металлами, как ванадий, хром, вольфрам , при этом, ввиду дефицитности кобальта его содержание обычно не превышает 2,5…3%.

Влияние никеля

Никель – единственный из легирующих компонентов сталей, который повышает её пластичность и снижает твёрдость . Поэтому одним никелем стали не легируют . Зато в сочетании с марганцем никель приводит к заметному повышению прокаливаемости стали, что очень важно при изготовлении крупных деталей машин, для которых важна высокая эксплуатационная долговечность. При этом наличие никеля снижает требования к точности соблюдения температурных интервалов термообработки.

Легирование никелем имеет и ряд особенностей. В частности, никель, не образуя собственных карбидов, способствует увеличению скоплений «чужих» карбидов по границам зёрен, в результате снижается теплостойкость, и повышается хрупкость в диапазоне 20…400 0 С. Поэтому процентное содержание никеля в легированных сталях строго увязывается с наличием в них марганца и хрома: при их наличии предельная концентрация никеля составляет 2%, а при их отсутствии – не более 0,5…1%.

Легированные стали для специальных областей использования содержат в себе и ряд других металлов (например, титан, алюминий и др.). Выбор вида стали диктуется эксплуатационными и финансовыми соображениями.

Влияние легирующих элементов на свойства металлургических сплавов изучено по-настоящему хорошо. Благодаря этому введение в сталь различных добавок позволяет получать композиции с уникальными технологическими характеристиками.

1

Компоненты, используемые для улучшения свойств сталей, разбивают по степени применимости на три подвида:

1. Никель – обозначение в готовом сплаве – Н, молибден – М;
2. Марганец – Г, хром – Х, кремний – С, бор – Р;
3. Ванадий – Ф, ниобий – Б, титан – Т, цирконий – Ц, вольфрам – В.

К третьему подвиду относят и остальные элементы для легирования – азот (обозначение – А), медь (Д), алюминий (Ю), кобальт (К), бор (Р), фосфор (П), углерод (У), селен (Е). Отметим, что подобное деление обусловлено в основном экономическими соображениями, а не сугубо физическими.

Элементы для легирования стального сплава

По характеру воздействия добавок на модификации (полиморфные), наблюдаемые в сталях, все легирующие элементы делят на два типа. К первому относят компоненты, которые при любых температурах способны стабилизировать аустенит (в основном это марганец и никель). Вторая группа включает в себя элементы, которые при определенном своем содержании могут поддерживать ферритную структуру сплава (алюминий, молибден, хром, кремний, вольфрам и другие).

По механизму влияния на свойства и структуру сталей добавки причисляют к одному из трех типов:

1. Легирующие элементы, способные создавать карбиды углерода при реакции с последним (бор, молибден, титан, цирконий).
2. Добавки, обеспечивающие полиморфные превращения (альфа-железо в гамма-железо).
3. Химэлементы, при использовании которых получаются интерметаллические соединения (ниобий, вольфрам).

Правильное подразумевает введение в их состав тех или иных добавок в строго рассчитанных количествах. При этом оптимальных результатов металлурги достигают в случае, когда "насыщение" сплавов производится комплексно.

2

Легирование дает возможность снизить деформируемость изделий, производимых из различных марок стали, снизить порог хладоломкости сплавов, свести к минимуму риск появления в них трещин, значительно уменьшить скорость закалки и при этом повысить:

• прокаливаемость;
• ударную вязкость;
• текучесть;
• сужение (относительное);
• коррозионную стойкость.

Все легирующие добавки (кроме кобальта), повышают прокаливаемость сталей и уменьшают (зачастую весьма существенно) критическую скорость закалки. Достигается это за счет увеличения устойчивости аустенита в сплавах.

Образующие карбиды элементы способны замещать атомы железа в цементите. За счет этого карбидные фазы становятся более устойчивыми. При выделении карбидов из твердых растворов наблюдается явление дисперсионного упрочнения сталей. Другими словами – сплав получает дополнительную твердость.

Дисперсионное упрочнение сталей

Также карбидообразующие добавки делают процесс коагуляции дисперсных частиц в сталях более медленным и препятствуют (при нагреве) росту аустенитных зерен. Благодаря таким легирующим компонентам сплавы становятся намного прочнее.

Аустенитную структуру улучшают любыми легирующими добавками, кроме углерода и азота.

Насыщенный добавками аустенит получает высокий показатель теплового расширения, становится парамагнитным, у него снижается предел текучести. Композиции с подобными свойствами незаменимы для выпуска немагнитных и . Аустенитные сплавы, кроме того, прекрасно упрочняются при грамотно проведенной холодной деформации.

Стали, имеющие ферритную структуру, при легировании также обретают добавочную прочность. Максимальное влияние на этот показатель оказывает хром и марганец. Обратите внимание! Прочностные характеристики сплавов увеличиваются при снижении геометрических параметров ферритных зерен.

3

Давайте посмотрим, какие именно характеристики готовых сплавов способны улучшить те или иные добавки:

• Вольфрам создает карбиды, которые повышают красностойкость и показатели твердости стали. Также он облегчает процесс отпуска готовой продукции, снижая хрупкость стали.
• Кобальт увеличивает магнитный потенциал металла, его ударостойкость и жаропрочность.
• Никель повышает прокаливаемость, прочность, коррозионную стойкость, пластичность сталей и делает их более ударопрочными, снижает предел хладноломкости.
• Титан придает сплавам высокую плотность и прочностные свойства, делает металл коррозионностойким. Стали с такой добавкой хорошо обрабатываются специальным инструментом на металлорежущих агрегатах.
• Цирконий вводят в сплавы, когда необходимо получить в них зерна со строго определенными размерами.
• Марганец делает металл устойчивым к износу, повышает его твердость, удароустойчивость. При этом пластичные свойства сталей остаются на прежнем уровне, что важно. Заметим – марганца нужно вводить не менее 1 %. Тогда влияние этого элемента на эксплуатационные показатели сплава будет ощутимым.
• Медь делает металлургические композиции стойкими к ржавлению.
• Ванадий измельчает зерно сплава, делает его прочным и очень твердым.
• Ниобий вводят для снижения явлений коррозии в сварных изделиях, а также для повышения кислотостойкой стальных конструкций.
• Алюминий увеличивает окалийность и жаропрочность.
• Неодим и церий используют для сталей с заданной заранее величиной зерна, сплавов с малым содержанием серы. Эти элементы также снижают пористость металла.
• Молибден повышает прочность сплавов на растяжение, их упругость и красностойкость. Кроме того, эта легирующая добавка делает стали стойкими к окислению при высоких температурах.

Влияние химических элементов на свойства стали

Больше влияние на характеристики сталей оказывает кремний. Он повышает окалийность и упругость металла. Если кремния содержится около 1,5 %, сталь становится вязкой и при этом очень прочной. А при его добавке более 1,5 % сплавы обретают свойства магнитопроницаемости и электросопротивления.

Грамотно выполненное легирование сталей обеспечивает их особыми свойствами. И современные металлургические предприятия активно используют этот процесс для выпуска широкой номенклатуры сплавов с высокими технологическими характеристиками.

Никель. Металл серебристо-белого цвета, тяжелый (плотность 8900 кг/м 3), температура плавления чуть меньше, чем у железа (1453 °С), прочность - 40-50 кгс/мм 2 , твердость - НВ80, доста­точно пластичный, имеет высокую коррозионную стойкость, химическую стойкость к воде, воздуху и кислотам. Исключение составляют серосодержащие соединения. При взаимодействии с ними на поверхности металла образуются сульфиты и сульфаты (пленки зеленого и коричневого цвета).

Чистый никель не токсичен, хорошо полируется, характерный металлический блеск сохраняется длительное время, поэтому ис­пользуется в качестве защитно-декоративных покрытий столовых приборов и посуды, а также для изготовления инструментов, метал­лической мебели, деталей автомобилей, мотоциклов, велосипедов.

Никель хорошо сохраняет свои свойства при работе в агрессив­ных средах, поэтому применяется для производства химической аппаратуры.

Из никеля изготовляют металлогалантерею: пряжки одежные и обувные, заколки, зажимы, металлические пуговицы.

Никель широко используется в качестве легирующего элемента в сплавах с железом и медью.

Хром. Металл серо-стального цвета, тяжелый (плотность -7140 кг/м 3), температура плавления (1910 °С) выше, чем у железа.

Металл химически малоактивен, устойчив даже к атмосферному кислороду, но имеет высокую хрупкость, поэтому не применяется в качестве конструкционного материала.

В основном используется в качестве защитно-декоративных покрытий. Хромовые покрытия обеспечивают высокую износо­стойкость и стойкость к коррозии. Хромируют инструменты (бе­лые, блестящие), корпуса и детали часов. Часто хромированные часы изготовляются вместе с браслетом. Иногда хромированные часы с браслетом имеют на корпусе крышку, тогда они выглядят как блестящий браслет.

Хромируются детали велосипедов, мотоциклов, машин (бам­перы, решетки радиаторов) и др.

В металлургии хром используется в качестве легирующего элемента, особенно в легированных сталях, в нихромах (сплавах железа, никеля и хрома).

Хром является необходимым элементом при получении дубите­лей для производства кож в кожевенно-обувной промышленности, а также красителей для тканей в текстильной промышленности.

Цинк - металл светло-серого цвета с синеватым отливом, тяжелый (плотность - 7140 кг/м 3), легкоплавкий (419 °С), проч­ность - не более 15 кгс/мм 2 , пластичен.

Марки: ЦО (99,975% цинка) и ЦЗ (97,5% цинка). В цинке всегда присутствуют вредные примеси: свинец, мышьяк, сурьма, кадмий, от которых трудно избавиться.

На воздухе покрывается оксидной пленкой, которая и предох­раняет металл от коррозии.

Более половины добываемого цинка используется в качестве защитно-декоративных покрытий стальных изделий, например, оцинкованная листовая сталь и оцинкованная посуда. Оцинковке подвергаются днища кузовов автомобилей.

Оцинковка проводится в электролитической ванне (тогда по­крытие будет дозированным, т. е. определенной толщины) или обычным окунанием (тогда покрытие будет недозированным).

Оцинкованная посуда (миски и ведра) обязательно должна иметь маркировку "Не для термической обработки: токсично!".

Металпохозяйственные товары

Эта посуда предназначена для хранения продуктов, но не для при­готовления пищи.

Сейчас оцинкованные ведра, миски и лейки все более заменя­ются изделиями из пластмасс.

Цинк применяют в качестве легирующих элементов многих сплавов, особенно медных (латунь, нейзильбер).

Олово - металл серебристо-белого цвета, тяжелый (плотность 7300 кг/м 3), один из самых легкоплавких (232 °С), очень мягкий и пластичный, легко прокатывается в фольгу, прочность -2-3 кгс/мм 2 , твердость - НВ5. Олово устойчиво к действию большинства пище­вых продуктов и не образует токсичных соединений, поэтому его широко применяют как защитное покрытие изделий из углеродистых конструкционных сталей, для лужения посуды и изготовления кон­сервных банок. Правда, в последнее время олово стараются заменить другими материалами из-за его высокой стоимости. Олово входит в состав бронз и многокомпонентных латуней.

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.

Отчетность