Легирование стали это: Статьи о металлопрокате

Содержание

Сталь — легирующие элементы

Влияние легирующих элементов.Присутствие в стали легирующих элементов улучшает ее свойства.

Легированная сталь имеет высокую прочность и вязкость.

Некоторые легирующие элементы, например никель, кремний, кобальт, медь, не образуют с углеродом химических соединений — карбидов — и в основном распределяются в феррите.

Другие же элементы — вольфрам, хром, ванадий, марганец, молибден, титан и др. — образуют с углеродом карбиды.

Наличие карбидов в легированной стали способствует повышению ее твердости и прочности, а в инструментальной стали — и режущих свойств.

Легирующие элементы не только улучшают механические свойства стали (главным образом в термически обработанном состоянии), но в значительной степени изменяют ее физические и химические свойства. Влияние отдельных легирующих элементов на свойства стали сводится в основном к следующему:

  • Марганец повышает прочность и твердость стали

    , увеличивает прокаливаемость, уменьшает коробление при закалке, повышает режущие свойства стали, но вместе, с тем способствует росту зерна при нагреве, чем снижает стойкость стали к ударным нагрузкам.

  • Хром затрудняет рост зерна при нагреве, повышает механические свойства стали при статической и ударной нагрузке, повышает прокаливаемость и жаростойкость, режущие свойства и стойкость на истирание. При значительных количествах хрома сталь становится нержавеющей и жаростойкой.

  • Кремний значительно повышает упругие свойства стали, но несколько снижает ударную вязкость.

  • Никель повышает упругие свойства стали, не снижая вязкости, противодействует росту зерна, улучшает прокаливаемость и механические свойства стали. При значительных количествах никеля сталь становится немагнитной, коррозионностойкой и жаропрочной.

  • Молибден противодействует росту зерна, повышает твердость и режущие свойства стали вследствие образования карбидов,

    уменьшает склонность стали к хрупкости при отпуске, повышает жаростойкость стали.

  • Кобальт повышает прочность стали при ударных нагрузках, улучшает жаропрочность и магнитные свойства стали.

  • Вольфрам, так же как и молибден, повышает твердость и режущие свойства стали, уменьшает рост зерен при нагреве, повышает жаростойкость.

  • Ванадий способствует раскислению стали, противодействует росту зерна, повышает твердость и режущие свойства стали.

  • Титан является раскислителем стали, способствуя также удалению из нее азота, благодаря чему сталь получается более плотной, однородной и жаропрочной.

Наиболее эффективно повышение свойств стали под влиянием легирующих элементов наблюдается в термически обработанном состоянии. Поэтому

в огромном большинстве случаев детали из легированных сталей применяют после закалки и отпуска.

Максимальное значение механических свойств достигается одновременным присутствием в стали двух или более легирующих элементов.

Таким образом, в машиностроении наряду с хромистыми, марганцовистыми, кремнистыми и другими сталями широко применяются и более сложные — хромоникелевые, хромокремнемарганцовистые, хромовольфрамовые и другие стали.

Почти все легирующие элементы понижают значение критических точек при охлаждении и уменьшают критическую скорость закалки стали.

Практически это значит, что легированные стали, содержащие эти элементы, следует охлаждать при закалке не в воде, как это необходимо для углеродистых сталей, а в масле.

Таким образом, легированная сталь удовлетворяет самым разнообразным требованиям машиностроительной промышленности и во многих случаях заменяет более дорогие цветные металлы и сплавы.

Применение легированной стали непрерывно расширяется в связи с усовершенствованием конструкций машин и приборов.

§

Легирование

Легирование (нем. legieren — сплавлять, от лат. ligo — связываю, соединяю) — введение в расплав или шихту дополнительных элементов (например, в сталь — хрома, никеля, молибдена, вольфрама, ванадия, ниобия, титана), улучшающих механические, физические и химические свойства основного материала. Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур, проводимых на различных этапах получения металлического материала с целями повышения качества металлургической продукции.

Теоретические основы

К легированию, как решению материаловедческой задачи, приводят совершенно различные исходные постановки проблемы. Маркировка легированных сталей. Марка легированной качественной стали состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав. Легирующие элементы имеют следующие обозначения: хром (Х), никель (Н), марганец (Г), кремний ©, молибден (М), вольфрам (В), титан (Т), алюминий (Ю), ванадий (Ф), медь (Д), бор (Р), кобальт (К), ниобий (Б), цирконий (Ц). Цифра, стоящая после буквы, указывает на содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра не указана, то легирующего элемента содержится до 1%. В конструкционныхкачественных легированных сталях две первые цифры показывают содержимое углерода в сотых долях процента. Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями Марганец вводят в сталь до 2%. Он распределяется между ферритом и цементитом. Марганец заметно повышает предел текучести, порог хладноломкости, прокаливаемость стали, но делает сталь чувствительной к перегреву. В связи с этим для измельчения зерна с марганцем в стальвводят карбидообразующие элементы. Так как во всех сталях содержание марганца примерно одинаково, то его влияние на сталь разного состава остается не ощутимым.Марганец повышает прочность, не снижая пластичности стали. Кремний является не карбидообразующим элементом, и его количество в стали ограничивают до 2%.Он значительно повышает предел текучести и прочность стали и при содержании более 1% снижает вязкость, пластичность и повышает порог хладноломкости. Кремний структурно не обнаруживается, так как полностью растворим в феррите, кроме той части кремния, которая в виде окиси кремния не успела всплыть в шлак и осталасьв металле в виде силикатных включений.

Влияние легирующих элементов. Для улучшения физических, химических, прочностных и технологических свойств стали легируют, вводя в их состав различные легирующие элементы (хром, марганец, никель и др.). стали могут содержать один или несколько легирующих элементов, которые придают им специальные свойства. Легирующие элементы вводят в сталь для повышения ее конструкционной прочности. Основной структурной составляющей в конструкционной стали является феррит, занимающийв структуре не менее 90% по объему. Растворяясь в феррите, легирующие элементы упрочняют его. Твердость феррита (в состоянии после нормализации) наиболее сильно повышают кремний, марганец и никель. Молибден, вольфрам и хром влияют слабее. Большинство легирующих элементов, упрочняя феррит и мало влияя на пластичность,снижают его ударную вязкость (за исключением никеля). Главное назначение легирования: повышение прочности стали без применения термической обработки путем упрочнения феррита, растворением в нем легирующих элементов; повышение твердости, прочности и ударной вязкости в результате увеличения устойчивости аустенит и темсамым увеличения прокаливаемости; придание стали специальных свойств, из которых для сталей, идущих на изготовление котлов, турбин и вспомогательного оборудования., особое значение имеют жаропрочность и коррозионная стойкость. Легирующие элементы могут растворяться в феррите или аустените, образовывать карбиды, давать интерметаллические соединения, располагаться в виде включений, не взаимодействуя с ферритом и аустенитом., а также с углеродом. В зависимости от этого, как взаимодействует легирующий элемент с железом или углеродом, он по-разному влияет на свойства стали. В феррите в большей или меньшей степени растворяются все элементы. Растворение легирующих элементов в феррите приводит к упрочнению стали без термической обработки. При этом твердость и предел прочности возрастают,а ударная вязкость обычно снижается. Все элементы, растворяющиеся в железе, изменяют устойчивость феррита и аустенита. Критические точки легированных сталей смещаются в зависимости от того, какие легирующие элементы и в каких количествах присутствуют в ней. Поэтому при выборе температур под закалку, нормализацию и отжигили отпуск необходимо учитывать смещение критических точек.

Примеры использования
Хромистые стали;
Хорошо известные стали ШХ15 (устаревшее обозначение марки) используемые в качестве материала для подшипников;

Так называемые «нержавеющие стали»;
Стали и сплавы, легированные молибденом, вольфрамом, ванадием;
Жаростойкие стали и сплавы.

История

Легирование стало целенаправленно применяться сравнительно недавно. Отчасти это было связано с технологическими трудностями. Легирующие добавки просто выгорали при использовании традиционной технологии получения стали. Поэтому для получения дамасской (булатной) стали использовали достаточно сложную по тем временам технологию.

Легирование стали — особенности технологического процесса + Видео

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.

Добавление добавок в расплавленный металл

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.

Процесс легирования стали

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.

Легирующие элементы. Легирующие элементы стали. Влияние легирующих элементов. Назначение легирующих элементов. Хромансиль.

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

Маркировка сталей. Маркировка углеродистых сталей. Маркировка легированных сталей. Маркировка инструментальных сталей.
Легированные стали. Классификация легированных сталей. Классификация легированных сталей по микроструктуре. Маркировка легированных сталей.

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

Влияние углерода на сталь. Влияние углерода на свойства стали.
Влияние примесей на свойства. Влияние примесей на свойства сталей. Красноломкость. Флокены.

Дополнительные легирующие элементы:

  • Бор — 0.003%. Увеличивает прокаливаемость, а такхе повышает порог хладоломкости (+20…-60 oС.
  • Марганец – увеличивает прокаливаемость, однако содействует росту зерна, и повышает порог хладоломкости до (+40…-60)oС.
  • Титан (см. Титан и его сплавы) (~0,1%) вводят для измельчения зерна в хромомарганцевой стали.
  • Введение молибдена (0,15…0,46%) в хромистые стали увеличивает прокаливаемость, снижает порог хладоломкости до –20…-120oС. Молибден увеличивает статическую, динамическую и усталостную прочность стали, устраняет склонность к внутреннему окислению. Кроме того, молибден снижает склонность к отпускной хрупкости сталей, содержащих никель.
  • Ванадий в количестве (0.1…0.3) % в хромистых сталях измельчает зерно и повышает прочность и вязкость.
  • 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 вязкости, хорошо свариваются, штампуются и обрабатываются резанием.Кремний повышает ударную вязкость и температурный запас вязкости.

Добавка свинца, кальция – улучшает обрабатываемость резанием. Применение упрочнения термической обработки улучшает комплекс механических свойств.

Усталостная прочность. Предел выносливости. Живучесть материалов.
Ударная вязкость. Определение ударной вязкости. Испытания на ударную вязкость.

Распределение легирующих элементов в стали.

Легирующие элементы растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов ( феррит, аустенит, цементит), или образуют специальные карбиды. Растворение легирующих элементов в Feα 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.

Компоненты железоуглеродистых сплавов. Фазы железоуглеродистых сплавов.

В сталях карбиды образуются металлами, расположенными в таблице Менделеева левее железа (хром, ванадий, титан), 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: Fe3C, Mn3C, Cr23C6, Cr7C3, Fe3W3C – которые имеют сложную кристаллическую решетку и при нагреве растворяются в аустените.

При соотношении атомных радиусов углерода и металла менее 0,59 образуются фазы внедрения: Mo2C, WC, VC, TiC, TaC, W2C – которые имеют простую кристаллическую решетку и трудно растворяются в аустените.

Все карбиды обладают высокой твердостью и температурой плавления.

Классы прочности легированных сталей. Легирующий элемент придающий стали твердость


Общее описание веществ

Итак, как уже было сказано, влияние легирующих элементов на свойства стали велико. Что же это за элементы такие? Это вещества, которые вводятся в структуру стали и влияют на ее физические и химические характеристики. Материал, который получен в результате такого вмешательства, называется легированным. Сам же процесс – это технологическая процедура, основная задача которой — это улучшение или изменение изначальных характеристик сырья. Именно благодаря этой процедуре удается изменять любые свойства стали, делая ее пригодной для использования практически в любой сфере деятельности.

Легирующие элементы первого порядка

Естественно, что имеется несколько групп веществ, которые могут оказывать какое-либо действие на материал. В зависимости от степени использования и важности есть основные и вспомогательные реактивы. Влияние легирующих элементов на свойства стали из основной группы очень большое.

Наиболее распространенным считается углерод. Несмотря на то что он используется практически в любой процедуре, его влияние не совсем однозначное. С одной стороны содержание этого вещества в структуре около 1,2% улучшает такие качества, как прочность, твердость и хладноломкость. Однако с ростом этих свойств ухудшаются другие, к примеру, теплопроводность и плотность сырья. Кроме того, даже эти показатели не считаются главными. Как и введение любого другого вещества, добавление углерода в состав стали сопровождается определенной операцией. И вот здесь возникает важная разница. В результате этой процедуры не все реактивы способны сохранить свои компоненты в изначальной форме, некоторые просто теряются. Углерод же, в свою очередь, сохраняется полностью. Другими словами, во время проведения процедуры у операторов есть возможность полного контроля и регулирования количественного содержания этого вещества в структуре.

Различные примеси и их влияние

Буквой А — обозначается азот. При его наличии обычно указывается примерно в середине маркировки. По своим свойствам он идентичен наличию кислорода. В случае превышения определенной массовой доли одного из этих двух элементов у материала повышается хрупкость. Кроме этого, будут понижаться и такие характеристики, как вязкость и выносливость.

Спорной примесью является углерод (У). Если в составе его содержится до 1,2% то он может оказывать положительное влияние, увеличивая твердость, прочность, предел текучести. Если же наблюдается даже небольшое превышение данного показателя, то начинает стремительно ухудшатся как прочность, так и пластичность.

Марганец (Г) и сера также принадлежат к примесям. Марганец, как и углерод оказывает разное влияние в зависимости от массовой доли в структуре. Если содержание элемента «Г» не превышает 0,8 %, то его можно назвать технологической примесью. Он увеличивает степень раскисления стали, снижает негативное воздействие серы на товар.

Если массовая доля второго элемента превышает 0,65 %, то он оказывает значительное пагубное влияние. Существенно падает пластичность, стойкость к коррозии и ударная вязкость. Повышение серы в составе будет ухудшать еще и возможность сварки стали.

Последней вредной примесью является водород. Увеличение массовой доли этого компонента ведет к значительному повышению хрупкости.

Другие вещества первой группы

Углерод – это не единственный легирующий элемент, влияющий на свойства стали сильнейшим образом. К основной категории относят также кремний и марганец. Хотя стоит отметить, что, к примеру, добавление кремния всегда очень минимальное, примерно 0,4%, а особых изменений этот реактив в структуру не вносит. Он используется в качестве основного окисляющего и связывающего вещества. Другими словами, эти компоненты являются связующим звеном, которое позволяет добавлять в состав стали другие важные компоненты таким образом, чтобы в итоге получилась целостная и прочная структура.

Особенности легирования

Современные возможности позволяют выплавлять легированные металлы любого состава. Основные принципы рассматриваемой технологии:

  1. Компоненты считаются легирующими только в том случае, если они вводятся целенаправленно и содержание каждого превышает 1 %.
  2. Сера, водород, фосфор считаются примесями. В качестве неметаллических включений используются бор, азот, кремний, редко – фосфор.
  3. Объемное легирование – это введение компонентов в расплавленную субстанцию в рамках металлургического производства. Поверхностное представляет собой способ диффузионного насыщения поверхностного слоя необходимыми химическими элементами под действием высоких температур.
  4. В ходе процесса добавки изменяют кристаллическую структуру «дочернего» материала. Они могут создавать растворы проникновения или исключения, а также размещаться на границах металлической и неметаллической структур, создавая механическую смесь зерен. Большую роль тут играет степень растворимости элементов друг в друге.

Элементы второго порядка

Количество веществ, входящих в эту группу, значительно больше. Влияние легирующих элементов на структуру стали из этой группы может быть самым разнообразным. Одним из наиболее используемых веществ стал молибден. Чаще всего эта добавка используется в хромистых сталях. Введение этой присадки значительно влияет на две характеристики стали – это увеличение прокаливаемости, а также значительное понижение порога хладноломкости. Чаще всего стали с содержанием молибдена используются строительной промышленностью. Кроме того, с его помощью создаются молибденовые компоненты. Эти вещества считаются очень эффективными, так как при добавлении их в материал они гарантируют динамическую, а также статическую прочность сырья. В то же время эти компоненты значительно уменьшают вероятность внутреннего окисления.

Еще одним представителем второй категории легирующих компонентов стал титан. Применение этой присадки довольно узкое, а используется она лишь в паре с хромомарганцевыми сплавами. В таких случаях титан способствует измельчению структурных зерен в этом материале. Содержание легирующих элементов, таких как кальций и свинец, к примеру, способствует тому, что процедура резки стали будет проходить гораздо легче. Потому и используются они лишь в тех металлических заготовках, которые после производства нужно будет резать на несколько частей.

Лабораторная работа №4 Влияние легирующих элементов на строение и свойства стали

Цель работы: Ознакомиться с влиянием легирующих элементов на строение и свойства стали, установление их качественных и количественных характеристик.

Общие сведения

Легирующие элементы вводят в сталь для повышения конструкционной прочности [6]. Они снижают скорость диффузии всех компонентов, снижают критическую скорость охлаждения при закалке, повышают устойчивость аустенита, улучшают прокаливаемость сталей. Основными легирующими элементами являются: Cr, Ni, Mn, Si, W, Mo, V, AI, Cu, Ti, Nb, Zi, B. Часто сталь легируют несколькими элементами (см. рисунок 17). Все легирующие элементы делят на аустенитообразующие и ферритообразующие.

В большинстве конструкционных сталей феррит при температуре эксплуатации является основной структурной составляющей, занимающей не менее 90 % от объёма металла. Поэтому от свойств феррита во многом зависят свойства стали в целом. Чем больше разница в атомных размерах железа и легирующего элемента, тем больше искажения кристаллической решетки, тем выше твёрдость, прочность, но ниже пластичность и особенно вязкость феррита. Так Ni, Cr, Mn упрочняет железо слабо, а W, Mo и Si сильно, причём кремний, сжимающий решётку, упрочняет сильнее вольфрама и молибдена, расширяющих эту решётку.

Все основные легирующие элементы повышают твёрдость феррита. При этом Cr и особенно Ni почти не уменьшают вязкость стали. Никель наиболее сильно понижает порог хладноломкости. Кроме того, Ni, Cr, Mn и некоторые другие элементы, хорошо растворимые в аустените, повышают его устойчивость при охлаждении, повышая прокаливаемость стали.

Наиболее эффективно Ni, Cr увеличивают прокаливаемость стали при одновременном введении в сталь, т.е. при комплексном легировании. Содержание легирующих элементов должно быть минимальным, чрезмерное легирование ухудшает технологичность стали. Наиболее эффективное упрочнение достигается такими фазами, которые способны растворяться в твёрдом растворе при нагреве, а потом выделяться из него и сохраняться в мелкодисперсном состоянии при температурах обработки и эксплуатации.

Электрохимическая коррозия

Коррозия помимо уничтожения металла отрицательно влияет и на эксплуатационные характеристики деталей, содействуя всем видам разрушения [9]. Для уменьшения вреда, наносимого коррозией нужно понимать механизм коррозионных процессов (см. рисунок 18) [4].

Электрохимическая коррозия имеет место в водных растворах, а также в обыкновенной атмосфере, где имеется влага (К1, рисунок 18). Суть этой коррозии в том, что ионы металла на поверхности детали, имея малую связь с глубинными ионами, легко отрываются от металла поляризованными молекулами воды. Металл, потеряв часть положительно заряженных частиц (ионов), заряжается отрицательно за счёт избыточного количества оставшихся электронов. Одновременно слой воды, прилегающий к металлу, за счёт ионов металла приобретает положительный заряд. Разность зарядов на границе металл – вода обуславливает скачек потенциала, который в процессе коррозии изменяется, увеличиваясь от растворения металла и уменьшаясь от осаждения ионов из раствора на металл. Если избыточные электроны в металле будут ассимилированы (поглощены) каким-либо веществом – деполяризатором, то процесс растворения металла продолжится. Допустим, что поверхность участков I и II находится в различных состояниях и что возникает разность электродных потенциалов. Тогда процесс не прекратится, так как избыточные электроны будут перетекать от участка I на участок II и произойдет ассимиляция их каким – либо содержащимся в электролите деполяризатором, например кислородом или водородом (К2, рисунок 18).

Поверхность металла дифференцируется на участок I, на котором происходят электроокислительные процессы с отдачей электронов (анод), и на участок II, на котором протекают электровосстановительные процессы с восприятием электронов (катод). Так возникает коррозионная пара с двумя электродами. Таким образом, растворение металла (анода) возможно лишь при условии одновременной ассимиляции избыточных электронов деполяризаторами.

При этом электрохимический ряд активности металлов — это последовательность, в которой металлы расположены в порядке увеличения их стандартных электрохимических потенциалов, отвечающих восстановлению катиона металл и характеризует сравнительную активность металлов в окислительно-восстановительных реакциях в водных растворах. От металла с отрицательным стандартным потенциалом, находящегося в воде или во влажной атмосфере, будут уходить в растворы ионы металла, которые, взаимодействуя с гидроксил — ионами, образуют гидроксиды, нерастворимые в воде, а процесс их образования – ржавление.

Межкристаллитная коррозия

Анодными участками могут быть границы зерен и фаз, в то время как сами зерна являются катодами. В этом случае развивается наиболее опасный вид коррозии – межкристаллитная коррозия (МКК). В результате межкристаллитной коррозии нарушается связь между зёрнами, при постукивании по металлу пропадает характерный металлический звук, и после приложения нагрузки металл легко разрушается (см. рисунок 19).

Для защиты от коррозии широко применяют явление пассивации – это состояние повышенной коррозионной устойчивости металлов и сплавов, вызванное преимущественным торможением анодных процессов. Переход от активного состояния к пассивному связан с ростом электродного потенциала. В связи с этим, Тамман предположил, что содержание хрома в стали должно составлять 1/8 моля или быть кратным этой величине. Для хрома в сплавах с железом 1/8 моля равна 11,7 % (по массе).

Межкристаллитная коррозия высокохромистой стали обусловлена выделением при повышенных температурах по границам зерен карбидов типа Сr23C6. Эти карбиды образуются вследствие диффузии углерода из всего объёма зерна, а хрома – только с приграничных областей. Углерод перемещается по межузельному механизму диффузии (по механизму внедрения), который по сравнению с перемещением атомов по механизму замещения характеризуется высокой подвижностью. Это приводит к снижению содержания хрома в приграничных областях ниже его критической концентрации от 12 до 14 % и скачкообразному падению электродного потенциала от 0,2 до 0,6 В. Границы зёрен становятся анодом по отношению к металлу внутри зёрен. Эффективным средством является максимальное снижение содержания углерода и введение в сталь таких сильных карбидообразующих элементов, как Тi или Nb. Состояние однофазного аустенита с сохранением всего хрома в твёрдом растворе обеспечивает сталям максимальную коррозионную стойкость. Нержавеющими называют большую группу хромистых, хромоникелевых и хромоникильмарганцевых сталей с содержанием хрома более 12 %. Такие сплавы способны сопротивляться коррозионному воздействию внешней среды при комнатной и близких к ней температурах.

Местная коррозия (точечная) реализуется за счет возникновения на поверхности сплава микрогальванических элементов в связи с наличием участков с различным электрохимическим потенциалом (фазы; границы зерен и другие дефекты структуры; тело зерна). Жаростойкостью (окалийностойкостью) называют сопротивление материала окислению при высоких температурах. Жаростойкостью, как правило, обладают стали с более высоким содержанием хрома (17 – 18 %), либо стали на хромоникелевой основе.

Защита от коррозии

Защита металлоконструкций от коррозии – важная задача, касающаяся всех отраслей промышленности. В частности, в энергетике необходимо защищать от коррозии воздушные линии (ВЛ) электропередач. Коррозия металлических опор ВЛ приводит к уменьшению толщины поперечного сечения конструкций и, следовательно, к снижению их несущей способности. Для защиты от коррозии опор ВЛ в нашей стране традиционно используют лакокрасочные и металлические цинковые покрытия. Оба эти метода не лишены недостатков. Лакокрасочные материалы защищают сталь на срок не более 2-8 лет. Так, вблизи промышленных городских зон сроки службы цинкового покрытия не превышают 10-15 лет.

Следует отметить, что в энергетике задача защиты от коррозии стоит применительно не только к опорам ВЛ, но и к металлоконструкциям подстанций (металлические порталы, корпуса аппаратов и т.д.). Несмотря на высокую коррозионную стойкость нержавеющих сталей для обеспечения долговечности оборудования, изготовленного из них, необходимо выполнять следующие требования (см. рисунок 20):

· не допускать контакта разнородных металлов (а в случае конструктивной необходимости такого контакта разъединять металлы изолирующими прокладками).

· аппараты не должны иметь острых углов, щелей, труднодоступных углублений, способствующих оседанию твёрдых частиц и застаиванию сред; по этой же причине следует избегать нахлесточных сварных соединений.

· избегать контакта аппаратов, трубопроводов, запорной аппаратуры из нержавеющих сталей с асбестом, войлоком, бетоном, деревом, а также с другими пористыми материалами, имеющими свойство впитывать среды.

Большое влияние на процесс коррозии в водных средах оказывает растворённый в жидкости кислород. При достаточном содержании кислорода на поверхности образуется защитная оксидная плёнка, повышающая электродный потенциал металла. Наиболее опасные анодные зоны создаются в местах плохой аэрации, где затруднён доступ кислорода из воздуха.

Например, хорошо известно, что та часть стальной плиты, которая находится под слоем песка, коррозирует в большей степени по сравнению с той частью, которая оставалась под непосредственным влиянием атмосферы.

Рисунок 20 — Когнитивная карта «Коррозионные пары»

Стальные гвозди в старых деревянных конструкциях разрушаются гораздо быстрее, чем их головки, расположенные снаружи. Аналогичное явление наблюдается в щелях замкнутых профилей, на стыке листов, на резьбовой поверхности в болтовых соединениях, на грязной поверхности и т.д. Примеры таких случаев представлены в когнитивной карте №4 (см. рисунок 20).

Порядок проведения работы

1 Приводят основные легирующие элементы для конструкционных сталей.

2 Выделяют из предложенных легирующие элементы, придающие стали теплостойкость: Cr; Zi; Al; Ag; W; V.

3 Выделяют из предложенных легирующие элементы, придающие стали твёрдость: Au; W; Cu; V; Ni.

1 Выделяют из предложенных легирующие элементы, придающие стали коррозионную стойкость: Ni; Cr; Ti; Mo; Mg; Mn.

2 Пользуясь информационным банком данных, составляют группы сталей и сплавов, обладающих следующими свойствами: жаростойкие; жаропрочные; теплостойкие; магнитные; с высоким омическим сопротивлением; коррозионностойкие; немагнитные.

Информационный банк данных: 08Х14Н28В3Т3ЮР; ХН77ЮР; ОХ23ЮБ; 10Х13; 80НХС; ЕХ9К15М; 0Х27ЮБА; 45Г17Ю3; 79НМ; 12Х18Н9Т; Н36Х8; 13Х12Н2В2МФ; 12Х2МФСР; ЕХ3; 55Г9Н9.

3 Определяют химический состав конструкционных легированных сталей по их маркам: 12Х18Н9Т; ХН77ЮР; 15Х28; 80НХС; 12Х25Н16Г7АР; 08Х14Н28В3Т3ЮР; 37Х12Н18МФБ.

4 Определяют химический состав инструментальных легированных сталей по их маркам: 7ХФ; Р10К5Ф5; 11ХФ; ХГС; 9Х5ВФ.

5 Определяют химический сталей и сплавов с особыми физическими и химическими свойствами по их маркам: ЕХ5К5; 79НМ; 10880; ХН70ВМТЮ; 18ХМТФ; Э41.

6 Указывают из предложенных, какие доли процента применяют для измерения содержания хрома в шарикоподшипниковых сталях: десятые; сотые; тысячные; целые.

7 Выделяют отличие магнитомягких и магнитотвёрдых сплавов.

8 Выделяют основные требования к сплавам с высоким омическим сопротивлением.

9 Выделяют причины, вызывающие износ деталей в процессе эксплуатации.

10 Выделяют из предложенных легирующий элемент, придающий стали износостойкость: Nb; Mn; Ta; Pb.

11 Определяют марку высокопрочной стали из предложенных: Н18К10М5ТЮ; 30ХМА; Ст1кп; Сталь 50.

12 Выделяют из предложенных металлы, на основе которых изготавливают сплавы с эффектом памяти: Ni – Nb; Cr – Ni; Nd – Ti; Cu – Al; Ni – Ti.

13 Перечисляют методы достижения высоких скоростей охлаждения при получении аморфных материалов.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

zdamsam.ru

Классификация реактивов

Стоит сказать, что кроме условного разделения на такие две категории, как основные и дополнительные элементы, существует более точная классификация. К примеру, это может быть связано с таким признаком, как степень механического воздействия на структуру вещества. По этому признаку все элементы можно разделить на три группы:

  • влияние элементов, в результате которого образуются карбиды;
  • элементы, оказывающие полиморфное влияние на сталь;
  • элементы, введение которых формирует интерметаллические соединения.

Однако здесь очень важно отметить, что влияние реактивов из любой категории этого класса будет зависеть еще и от того, какие сторонние присадки будут присутствовать в сплаве. Кроме того, если углубляться в классификацию легирующих элементов в сплавах, то стоит сказать, что степень полиморфного влияния также можно разделить на несколько групп по характеру их воздействия на материал.

Легирование в металлургии

История

Легирование стало целенаправленно применяться сравнительно недавно. Отчасти это было связано с технологическими трудностями. Легирующие добавки просто выгорали при использовании традиционной технологии получения стали. Поэтому для получения дамасской (булатной) стали использовали достаточно сложную по тем временам технологию.

Примечательно то, что первыми сталями , с которыми познакомился человек были природнолегированные стали. Еще до начала железного века применялось метеоритное железо , содержащее до 8,5 % никеля .

Высоко ценилось и природнолегированные стали, изготовленные из руд , изначально богатых легирующими элементами . Повышенная твёрдость и вязкость японских мечей с возможностью обеспечить остроту кромки возможно объясняются наличием в стали молибдена .

Современные взгляды о влиянии на свойство стали различных химических элементов начали складываться с развитием химии во второй четверти XIX века .

По-видимому, первым удачным использованием целенаправленного легирования можно считать изобретение в 1858 г. Мюшеттом стали, содержащей 1,85 % углерода , 9 % вольфрама и 2,5 % марганца . Сталь предназначалась для изготовления резцов металлообрабатывающих станков и явилась прообразом современной линейки быстрорежущих сталей . Промышленное производство этих сталей началось в 1871 г.

Принято считать, что первой легированной сталью массового производства стала Сталь Гадфильда , открытая английским металлургом Робертом Эбботом Гадфильдом в 1882 г . Сталь содержит 1,0 — 1,5 % углерода и 12 — 14 % марганца, обладает хорошими литейными свойствами и износостойкостью . Без особых изменений химического состава эта сталь сохранилась до настоящего времени.

Влияние легирующих элементов

Для улучшения физических, химических, прочностных и технологических свойств металлы легируют, вводя в их состав различные легирующие элементы. Для легирования сталей используются хром, марганец, никель, вольфрам , ванадий , ниобий , титан и другие элементы. Небольшие добавки кадмия в медь увеличивают износостойкость проводов, добавки цинка в медь и бронзу — повышают прочность, пластичность, коррозионную стойкость. Легирование титана молибденом более чем вдвое повышает температурный предел эксплуатации титанового сплава благодаря изменению кристаллической структуры металла. Легированные металлы могут содержать один или несколько легирующих элементов, которые придают им специальные свойства.

Легирующие элементы вводят в сталь для повышения ее конструкционной прочности. Основной структурной составляющей в конструкционной стали является феррит , занимающий в структуре не менее 90 % по объему . Растворяясь в феррите, легирующие элементы упрочняют его. Твердость феррита (в состоянии после нормализации) наиболее сильно повышают кремний, марганец и никель. Молибден, вольфрам и хром влияют слабее. Большинство легирующих элементов, упрочняя феррит и мало влияя на пластичность , снижают его ударную вязкость (за исключением никеля). Главное назначение легирования: повышение прочности стали без применения термической обработки путем упрочнения феррита, растворением в нем легирующих элементов; повышение твердости, прочности и ударной вязкости в результате увеличения устойчивости аустенита и тем самым увеличения прокаливаемости; придание стали специальных свойств, из которых для сталей, идущих на изготовление котлов, турбин и вспомогательного оборудования, особое значение имеют жаропрочность и коррозионная стойкость . Легирующие элементы могут растворяться в феррите или аустените, образовывать карбиды , давать интерметаллические соединения, располагаться в виде включений, не взаимодействуя с ферритом и аустенитом, а также с углеродом. В зависимости от того, как взаимодействует легирующий элемент с железом или углеродом, он по-разному влияет на свойства стали. В феррите в большей или меньшей степени растворяются все элементы. Растворение легирующих элементов в феррите приводит к упрочнению стали без термической обработки. При этом твердость и предел прочности возрастают, а ударная вязкость обычно снижается. Все элементы, растворяющиеся в железе, изменяют устойчивость феррита и аустенита. Критические точки легированных сталей смещаются в зависимости от того, какие легирующие элементы и в каких количествах присутствуют в ней. Поэтому при выборе температур под закалку , нормализацию и отжиг или отпуск необходимо учитывать смещение критических точек.

Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления , они являются технологическими примесями. Марганец вводят в сталь до 2 %. Он распределяется между ферритом и цементитом. Марганец заметно повышает предел текучести, порог хладноломкости , прокаливаемость стали, но делает сталь чувствительной к перегреву. В связи с этим для измельчения зерна с марганцем в сталь вводят карбидообразующие элементы. Так как во всех сталях содержание марганца примерно одинаково, то его влияние на сталь разного состава остается неощутимым. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности стали.

Имеют значение в современной промышленности. Проанализируем некоторые из них, выделим их отличительные и сходные характеристики.

Общее описание улучшений посредством легирования

Если говорить в общем, то имеется несколько категорий, по которым можно разделить все легирующие элементы. Одни будут значительно влиять на механические качества материала, улучшая его технический ресурс. Чаще всего улучшаются такие показатели, как прочность, твердость, пластичность или же прокаливаемость. Еще одним направлением, на которое оказывают влияние эти элементы, являются защитные свойства. Легированная сталь отличается от обычной тем, что она значительно лучше противостоит ударам, у нее значительно выше красностойкость, повышена жаропрочность, а также улучшена стойкость к коррозии.

Некоторые сферы деятельности человека требуют улучшения таких качеств металла, которые можно отнести к электрохимическим. Если необходимо улучшить эту составляющую, то чаще всего акцентируют внимание на повышение электро- и теплопроводности, повышают сопротивляемость к окислению веществ.

Легирование алюминия

Используется в виде деформируемых или литейных сплавов. Легированные металлы его основе представляют собой соединения с медью, марганцем или магнием (дуралюмины и другие), последние – соединения с силицием, так называемые силумины, при этом все их возможные варианты легируются с помощью Cr, Mg, Zn, Co, Cu, Si.

Медь повышает его пластичность; кремний – текучесть и качественные литейные свойства; хром, марганец, магний – улучшают прочность, технологические свойства обрабатываемости давлением и коррозионную стойкость. Также в качестве легирующих компонентов, способствующих устойчивости к старению и к агрессивным условиям работы, могут приниматься B, Pb, Zr, Ti, Bi.

Железо – нежелательный компонент, однако в небольших количествах применяется для производства алюминиевой фольги. Силумины используются для литья ответственных деталей и корпусов в машиностроении. Дуралюмины и штамповочные сплавы на основе алюминия – важное сырье для изготовления корпусных элементов, в том числе силовых конструкций, в авиастроении, судостроении и машиностроении.

Легированные металлы задействованы во всех сферах промышленности как те, которые имеют повышенные механические и технологические характеристики, в сравнении с исходным материалом. Ассортимент легирующих элементов и возможности современных технологий позволяют производить разнообразные модификации, расширяющие возможности в науке и технике.

Вредные присадки

Естественно, что любой процесс сопровождается еще и негативной стороной. Для легированных сталей такой стороной стало появление фосфора и серы, которые также относятся к легирующим реактивам. Однако от них стараются избавляться, а не добавлять в структуру. К примеру, наличие фосфора в составе железа сохранится даже после того, как пройдет весь процесс легирования. А взаимодействие этих двух компонентов вызывает хрупкость зерен стали. В результате продукт будет иметь более низкую прочность, а также повышенную хрупкость. Хотя стоит отметить, что если будут соединяться элементы фосфора и углерода, то будет улучшаться процесс отделения стружки, что поможет в дальнейшем легче обрабатывать сталь. Поэтому минимальное содержание фосфора все же присутствует в составе сплава.

Из основных легирующих элементов, которые считаются вредоносными, вторым стала сера. Стоит отметить, что содержание этой примеси еще хуже, чем фосфора. В частности это обусловлено тем, что сера нивелирует сопротивляемость металла внешним нагрузкам. Это значит, что наличие этого реактива в составе стали сделает ее менее устойчивой к коррозии, значительно повысит истираемость, а также снизит сопротивляемость усталости металла.

Основные составляющие и их влияние

В сталь добавляется множество самых разных компонентов. Обозначение элементов в легированных сталях осуществляется при помощи букв, чаще всего заглавных первых букв названия самого компонента.

Вам будет интересно:Сталь С235: характеристики, свойства, состав

Можно начать с хрома и никеля. Обозначаются они соответственно буквами Х и Н. Если говорить о влиянии хрома, то он увеличивает стойкость стали к коррозии. Помимо этого повышается также прочность и и твердость. Хром считается основным легирующим компонентом при изготовлении нержавеющей продукции.

Обозначение элементов в марках легированных сталей помогает достаточно быстро определять свойства материала и его предназначение. Так, маркировка «Н» указывает на содержание никеля, а значит, вещество обладает повышенной вязкостью, большей пластичностью и хорошей стойкостью к коррозии.

Подробное описание элементов

Далее будет представлена более подробная характеристика легирующих элементов.

Название легирующего элементаСвойства сплава
ХромНаличие этого вещества в составе сплава увеличивает его прочность и твердость, однако несколько снижается пластичность. Влияет на увеличение такой характеристики, как стойкость к коррозии. Если добавить более чем 13% хрома в структуру, то материал перейдет в группу нержавеющих сталей.
НикельВведение этого компонента также влияет на увеличение сопротивляемости коррозии. Повышается прочность и пластичность сырья. Увеличивается степень прокаливаемости, а также изменяется коэффициент теплового расширения.
ВольфрамПрисадка в виде вольфрама дает толчок к образованию таких веществ, как карбиды. Эти элементы сильно влияют на такие свойства, как красностойкость и твердость. Кроме того, устраняет процесс роста зерен во время нагрева, а также убирает хрупкость, возникающую во время отпуска изделия.
ВанадийТак же, как и хром, увеличивает прочность и твердость, однако не вызывает ухудшения пластичности. Измельчает зерно. Способствует повышению плотности стали, так как выступает в роли окислителя.
КремнийЕсли ввести в состав стали более 1% кремния, то это значительно увеличит прочность и сохранит вязкость материала. Также с ростом процентного содержания реактива будет увеличиваться электрическое сопротивление.
МарганецВлияние марганца на свойства стали будет происходить лишь в том случае, если его содержание будет также 1% или более. Будет расти твердость, стойкость к износу, повышаться стойкость к ударным нагрузкам. При этом пластичность материала останется прежней.
КобальтСпособствует повышению жаропрочности и магнитным свойствам сырья.
МолибденУсиливает такие характеристики, как красностойкость, упругость и предел прочности. Кроме того, увеличивает сопротивление окислению при повышенных температурах.
ТитанУлучшает прочность, а также плотность стали.
НиобийДобавление ниобия усиливает стойкость к окислению.
АлюминийСпособствует измельчению зерна.
МедьИспользуется для сталей строительного предназначения. Улучшает стойкость к коррозии.
ЦирконийВведение циркония измельчает зерно, а также позволяет получать в результате обработки материал с заранее заданной зернистостью.

Также стоит добавить, что имеется обозначение легирующих элементов, которое служит для того, чтобы можно было быстро понять, какие именно вещества использовались для улучшения структуры.

Классы прочности легированных сталей

Классы прочности легированных сталей

Легированные, сложнолегированные, высоколегированные стали По химическому составу стали подразделяются на углеродистые и легированные. Углеродистые стали по содержанию углерода делятся на три категории: малоуглеродистые (до 0,3% С), среденеуглеродистые (от 0,3 до 0,65% С), высокоуглеродистые (от 0,65 до 1,5% С). По назначению углеродистые стали разделяют на конструкционные и инструментальные. Из инструментальной стали изготавливают различные металлорежущие инструменты (напильник). Из конструкционной среднеуглеродистой стали изготавливают крепёж. Марки углеродистой стали обозначаются — от СТ 0 до СТ 7. Увеличение цифры в марке стали указывает на повышение содержания углерода, прочности, твёрдости и износостойкости, снижение пластичности и ударной вязкости. Иначе говоря, чем больше в стали содержание углерода, тем она становится более хрупкой. Увеличивая или уменьшая содержание углерода в стали, можно добиться увеличения твёрдости и прочности в строго определённых пределах. Для дальнейшего увеличения потребительских свойств сталей прибегают к их легированию. Легирование осуществляется при помощи легирующих элементов. Сталь с добавлением легирующих элементов называется легированной.

Таблица легирующих элементов и свойств, придаваемых ими сплавам

Маркировка Элемент Свойства и качества, придаваемые элементами
Г (Mn) Марганец — более 1% 1. Повышает твёрдость и прочность. 2. Увеличивает ударную вязкость. 3. Расширяет область аустенита. 4. Увеличивает прокаливаемость. 5. Способствует раскислению (удалению кислорода из стали). 6. Образует устойчивые карбиды. 7. Повышает сопротивление коррозии. 8. Улучшает свариваемость.
С (Si) Кремний -более 0,8% 1. Входит в твердый раствор с Fe и упрочняет его. 2. Увеличивает ударную вязкость. 3. Сужает область аустенита. 4. Способствует раскислению (удалению кислорода из стали). 5. Повышает упругость и прочность.
Ч Редкоземельные металлы 1. Повышают прочность, пластичность. 2. Улучшают качество поверхности. 3. Уменьшают пористость. 4. Измельчают зерно.
П (Р) Фосфор 1. Уменьшает пластичность. 2. Увеличивает хрупкость. Относится к постоянным примесям.
Ц (Zr) Цирконий 1. Оказывает особое влияние на величину и рост зерна в стали. 2. Измельчает зерно и позволяет получать сталь с заранее заданной зернистостью.
Ю (Al) Алюминий Повышает жаростойкость и окалиностойкость (при нагревании окалина не образуется).
Т (Ti) Титан 1. Повышает прочность и твёрдость. 2. Увеличивает износостойкость. 3. Снижает прокаливаемость стали. 4. Снижает ликвацию (усадку). 5. Улучшает свариваемость.
Р (В) Бор Повышает твёрдость сталей
М (Мо) Молибден 1. Повышает твёрдость и прочность. 2. Уменьшает вязкость и отпускную хрупкость. 3. Увеличивает жаропрочность и прокаливаемость. 4. Способствует образованию мелкозернистой структуры. 5. Улучшает механические свойства и свариваемость.
Л (Ве) Бериллий 1. Повышают прочность, пластичность. 2. Улучшают качество поверхности.
К (Со) Кобальт 1. Повышает жаропрочность. 2. Увеличивает сопротивление удару. 3. Повышает магнитные свойства.
Е (Se) Селен Улучает обрабатываемость нержавеющих сталей.
В (W) Вольфрам 1. Образует устойчивые карбиды. 2.Способствует образованию мелкого зерна. 3. Понижает вязкость 4. Увеличивает жаропрочность и износостойкость. 5. Повышает твёрдость и уменьшает хрупкость.
Б (Nb) Ниобий 1. Улучшает устойчивость к кислотам. 2. Способствует уменьшению коррозии в сварных конструкциях.
Ф (V) Ванадий 1. Повышает прочность и твёрдость. 2. Увеличивает устойчивость против износа и динамических напряжений. 3.Уменьшает отпускную хрупкость 4. Измельчает структуру. 5. Повышает устойчивость против перегрева при закалке.
А (N) Азот 1. Снижает вязкость и пластичность. 2. Даёт хрупкие неметаллические включения.
Д (Cu) Медь(0,3-0,5%) 1.Входит в твердый раствор с Fe и упрочняет его. 2. Повышает сопротивление коррозии.
Н (Ni) Никель 1.Входит в твердый раствор с Fe и упрочняет его. 2. Увеличивает ударную вязкость. 3. Расширяет область аустенита. 4. Увеличивает прокаливаемость. 5. Повышает сопротивление коррозии. 6. Незначительно снижает пластичность. 7. Влияет на коэффициент теплового расширения и электросопротивление стали.
Х (Cr) Хром 1.Входит в твердый раствор с Fe и упрочняет его. 2. Сужает область аустенита. 3. Образует устойчивые карбиды. 4. Повышает сопротивление коррозии. 5. Повышает износостойкость, вязкость и пластичность. 6. Понижает теплопроводность.

Все элементы добавляются в химически связанном состоянии. Поскольку физические свойства, отдельно взятого легирующего элемента присущи только ему, то внесение его в сталь придаёт ей его физические свойства. Таким образом, сочетая легирующие элементы, добиваются необходимых заданных свойств. К заданным свойствам относятся: прочность, твёрдость, износостойкость, электропроводность, жаростойкость, морозостойкость, стойкость к агрессивным средам и т.д. Узнать о том, какие именно элементы добавлены в сталь, можно исходя из маркировки. Каждый элемент имеет свою маркировку. Элементы маркируются буквами: азот — буквой «А», марганец — буквой «Г» и т.д. Помимо маркировки буквами, применяется и маркировка цифрами, которые указывают на процентное содержание того или иного элемента. Цифры, как правило, располагаются за буквами. Например, при 2 % Ni будет обозначение — Н2. Если после буквы нет никакой цифры, то это означает, что содержание того или иного элемента составляет менее 1%. Первые две цифры, идущие после буквенной маркировки, указывают на среднее содержание углерода в долях процента. Так, если после буквы стоит одна цифра, то это означает, что углерод содержится в десятых долях процента. Если стоят две цифры — в сотых. Вкупе буквы и цифры позволяют получить представление о составе легированной стали. Например: сталь ОЗХ13АГ19 — 0,03 С, 13 Сr, 0,2-0,3 N. 19 Мn; Есть и дополнительные обозначения. Они ставятся в самом начале марки. Так, буква «Ш» — означает шарикоподшипниковая (ШХ15), а буква «Р» — быстрорежущая. Следующий момент: если сталь высоколегированная, то число, которое показывает процентное содержание элемента, ставят не после буквы, обозначающей тот или иной элемент, а перед ней. Например: 34НКМП. Высоколегированные сплавы, как правило, имеют точный химический состав. Такие сплавы ещё называют прецизионные. Маркировка высоколегированных сталей отличается от маркировки легированных сталей. Она состоит из двузначного числа. Это число указывает массовую долю того или иного элемента. И, как было сказано выше, буквенная маркировка ставится после цифр. Исключение составляют термобиметаллы: здесь цифры ставятся после букв. Если в сплаве имеется железо, оно не указывается. Например: сталь 18ХГТ содержит, %: 0,18 С, 1 Сr, 1 Мn, около 0,1 Тi. Если к чистоте металла предъявляются повышенные требования, то в конце маркировки будет стоять буква «А». Например: 38ХМЮА. Если сплав является магнитотвердым, то в конце маркировки будет стоять буква «Е». Для того, чтобы придать металлу повышенную чистоту, могут использоваться специальные дополнительные методы очистки сплавов. К ним относятся: электрошлаковый (Ш), плазменный (П) и вакуумно-дуговой (ВД) переплав, электронно-лучевая (ЭЛ) и вакуумно-индукционная (ВИ) выплавки. Это будет отмечено в маркировке сплавов соответствующими буквенными обозначениями. Например: 13Х18Н10-ВИ Для изготовления специального кpeпежа используется сложнолегированная сталь (нержавеющая). Главным достоинством этой стали является её устойчивость к коррозии как к агрессивной среде, так и к атмосферным осадкам. Основным легирующим элементом нержавеющей стали является хром (Cr). Однако, для изготовления сложнолегированных сталей используются и другие элементы, такие как никель (Ni), марганец (Mn), молибден (Mo), кобальт (Co), ниобий (Nb), титан (Ti). Добавление в сплавы этих элементов способствует приданию стали стойкости к коррозии и необходимых физико-механических свойств. Стоит отметить, что нержавеющая сталь содержит в себе изначально такие сопутствующие железу элементы, как углерод (C), кремний (Si), марганец (Mn), серу (S) и фосфор (P). Пример маркировки нержавеющей стали: 8Х18Н10Т (в %) — 0,8С, 18 Cr, 0,1 Ni, около 10 Ti. Устойчивость к коррозии легированной стали напрямую связана с процентным содержанием в ней хрома. Так, для обычных условий используются сложнолегированные стали с 13% содержанием хрома. Такой сплав подойдёт и для слабоагрессивной среды. Если же речь идёт об агрессивной среде, то здесь необходим сплав с 17% содержанием хрома. Нержавеющая сталь устойчива к коррозии благодаря плёнке, которая образуется на кpeпеже из легированной стали с добавлением хрома. Эта тонкая плёнка нерастворимых окислов защищает деталь от коррозии. В том случае, когда речь идёт о таких сильных кислотах, как фосфорная, соляная или серная, используются сложнолегированные сплавы, в которых содержится большой процент никеля (Ni). В зависимости от того, какие химические элементы добавлены в нержавеющую сталь, она может быть аустенитной (А), ферритной (F) или мартенситной (C). Мартенситные и ферритные сплавы получаются при добавлении хрома. Здесь ещё существуют мартенсито-ферритные (полуферритные) сплавы. При добавлении хрома и никеля получаются аустенитные сплавы. Аустенитные стали имеют четыре группы: А1, А2, А3, А4. Сюда ещё входят аустенитно-карбидные, аустенито-мартенситные и аустенито-ферритные сплавы. При добавлении хрома, марганца и никеля получаются хромомарганцевоникелевые легированные стали. Аустенитные нержавеющие стали имеют склонность к межкристаллической коррозии. Однако при добавлении титана и ниобия они стабилизируются. При сплаве железа и никеля сплав становится более стабильным и приобретает слабые магнитные свойства. Если говорить о высокой коррозийной стойкости, то стоит отметить в первую очередь мартениситные и мартенсито-ферритные стали. Их устойчивость к коррозии сохраняется в слабой агрессивной среде и в атмосферных условиях. Дополнительно ко всему эти сплавы отличают высокие механические свойства. Что касается ферритных сталей, то их устойчивость к агрессивной среде более высокая. Так, хромистые ферритные стали не боятся водных растворов аммиака и азотной кислоты и т.д. Аустенитные стали отличает пластичность в сочетании с прочностью. Эти легированные стали имеют высокую устойчивость к коррозии. Именно аустенитные стали широко востребованы при изготовлении кpeпежа для различных отраслей машиностроения. А вот в авиации, судостроении и в химическом машиностроении востребованы аустенито-ферритные стали. Аустенито-ферритные стали отличает хорошая свариваемость.

studfiles.net

Что происходит при введении реактивов?

Не стоит думать, что добавление таких веществ не влияет на взаимодействие их между собой. Чем больше вводится разнообразных легирующих веществ, тем сложнее протекает этот процесс. Введение новых элементов создает новые фазы, изменяет процесс термической обработки, приводит к созданию новых структурных составляющих. Также здесь стоит отметить, что все элементы находятся в разном положении. Некоторые находятся в свободном состоянии (медь, свинец), некоторые образуют интерметаллидные соединения – металл-металл и т. д.

Легирование чугуна

Чугуны отличаются от сталей значительным содержанием углерода (от 2,14 до 6,67 %), высокой твердостью и коррозионной стойкостью, однако незначительной прочностью. С целью расширения диапазона показательных свойств и сфер применения, его легируют хромом, марганцем, алюминием, силицием, никелем, медью, вольфрамом, ванадием.

В связи с особыми характеристиками данного железоуглеродистого материала, его легирование — более сложный процесс, чем для стали. Каждый из компонентов влияет на преобразование форм карбона в нем. Так марганец способствует формированию «правильного» графита, что повышает прочность. Введение других же имеет следствием переход углерода в свободное состояние, отбеливание чугуна и снижение его механических свойств.

Технология усложняется невысокой температурой плавления (в среднем, до 1000 ˚С), тогда как для большинства легирующих элементов она значительно превышает этот уровень.

Наиболее эффективно для чугунов комплексное легирование. Одновременно, следует учитывать повышение вероятности ликвации таких отливок, риска трещинообразования, дефектов литья. Осуществлять технологический процесс более рационально в электромагнитных и Обязательным последовательным этапом является качественная термообработка.

Хромистые чугуны характеризуются высокой износостойкостью, прочностью, жаростойкостью, устойчивостью к старению и коррозии (ЧХ3, ЧХ16). Применяются в химическом машиностроении и в производстве металлургического оборудования.

Чугуны, легированные кремнием, отличаются высокой коррозионной стойкостью и устойчивостью к влиянию агрессивных химических соединений, хотя и удовлетворительными механическими свойствами (ЧС13, ЧС17). Формируют детали химической аппаратуры, трубопроводов и насосов.

Примером высокопродуктивного комплексного легирования являются жаропрочные чугуны. Они содержат в своем составе черные и легирующие металлы, такие как хром, марганец, никель. Для них характерна высокая стойкость к коррозии, износостойкость и устойчивость к высоким нагрузкам в условиях высокотемпературных воздействий — детали турбин, насосов, двигателей, аппаратуры химической промышленности (ЧН15Д3Ш, ЧН19Х3Ш).

Важным компонентом является медь, которая задействована в комплексе с другими металлами, при этом повышает литейные характеристики сплава.

Подведение итогов

Процесс легирования – это сложный технологический процесс, который используется для улучшения или изменения изначальных характеристик стали. Во время этой процедуры используются основные легирующие элементы или второстепенные. Могут использоваться реактивы из обеих групп сразу. Также стоит помнить о том, что добавление некоторых элементов будет не только улучшать определенные характеристики, но и ухудшать другие. А потому прежде, чем приступить к данному процессу, необходимо проводить тщательные расчеты. Для выполнения этой задачи на заводах и фабриках присутствуют технологи, которые устанавливают состав для каждой марки стали, а также точно определяют количество, какое необходимо добавить в массу, чтобы достичь нужного эффекта.

ЛЕГИРОВАНИЕ • Большая российская энциклопедия

ЛЕГИ́РОВАНИЕ (нем. legieren – сплав­лять, от лат. ligo – свя­зы­вать, со­еди­нять), вве­де­ние до­ба­вок (ле­ги­рую­щих эле­мен­тов) в ме­тал­лы и спла­вы для при­да­ния им оп­ре­де­лён­ных фи­зич., хи­мич. или ме­ха­нич. свойств. Под­верг­ну­тые Л. ма­те­риа­лы на­зы­ва­ют­ся ле­ги­ро­ван­ны­ми (напр., ле­ги­ро­ван­ная сталь). Для Л. ис­поль­зу­ют ме­тал­лы, не­ме­тал­лы ($\ce{С, S, P, Si, В}$ и др.) и вспо­мо­гат. спла­вы, со­дер­жа­щие ле­ги­рую­щий эле­мент, – фер­ро­спла­вы и ли­га­ту­ры. Осн. ле­ги­рую­щие эле­мен­ты в ста­лях и чу­гу­нах – $\ce{Сr, Ni, Mn, Si, Mo, W, V, Ti}$; в алю­ми­ние­вых спла­вах – $\ce{Si, Mn, Mg, Cu, Zn, Li}$; в маг­ние­вых спла­вах – $\ce{Al, Mn, Zn, Zr, Cd}$; в мед­ных спла­вах – $\ce{Al, Mn, Fe, Ni, Zn, Pb, Be, Si, P}$; в ни­ке­ле­вых спла­вах – $\ce{Cr, Co, Ti, Al, W, Mo, V}$; в ти­та­но­вых спла­вах – $\ce{Al, Zr, Mo, V, Сr}$. Ле­ги­рую­щие эле­мен­ты це­ле­на­прав­лен­но вво­дят­ся в ме­талл (сплав) в оп­ре­де­лён­ном ко­ли­че­ст­ве, в от­ли­чие от при­ме­сей, ко­то­рые по­па­да­ют из ис­ход­но­го сы­рья или из-за осо­бен­но­стей про­из­водств. про­цес­са и не мо­гут быть уда­ле­ны про­цес­са­ми ра­фи­ни­ро­ва­ния.

При Л. ме­тал­лов и спла­вов мо­гут об­ра­зо­вы­вать­ся твёр­дые рас­тво­ры, разл. фа­зы, ин­тер­ме­тал­ли­ды, кар­би­ды, нит­ри­ды, ок­си­ды, суль­фи­ды, бо­ри­ды и др. со­еди­не­ния ле­ги­рую­щих эле­мен­тов с ос­но­вой спла­ва или ме­ж­ду со­бой. В ре­зуль­та­те Л. су­ще­ст­вен­но ме­ня­ют­ся как фи­зи­ко-хи­мич. ха­рак­те­ри­сти­ки ис­ход­но­го ме­тал­ла или спла­ва, так и элек­трон­ная струк­тура. Ле­ги­рую­щие эле­мен­ты влия­ют на темп-ру плав­ле­ния, об­ласть су­ще­ст­во­ва­ния по­ли­морф­ных мо­ди­фи­ка­ций и ки­не­ти­ку фа­зо­вых пре­вра­ще­ний, ха­рак­тер де­фек­тов кри­стал­лич. ре­шёт­ки, дис­ло­кац. струк­ту­ру (за­труд­ня­ет­ся дви­же­ние дис­ло­ка­ций), а так­же на фор­ми­ро­ва­ние зёрен и тон­кой кри­стал­лич. струк­ту­ры, жа­ро­стой­кость и кор­ро­зи­он­ную стой­кость, тех­но­ло­ги­че­ские (напр., сва­ри­вае­мость, шли­фуе­мость, об­ра­ба­ты­вае­мость ре­за­ни­ем) и др. свой­ст­ва спла­вов. Л. не­сколь­ки­ми эле­мен­та­ми, оп­ре­де­лён­ное со­дер­жа­ние и со­от­но­ше­ние ко­то­рых по­зво­ля­ет по­лу­чить тре­буе­мый ком­плекс свойств, на­зы­ва­ет­ся ком­плекс­ным Л., а спла­вы – со­от­вет­ст­вен­но ком­плекс­но-ле­ги­ро­ван­ны­ми. Напр., в ре­зуль­та­те Л. ау­сте­нит­ной хро­мо­ни­ке­ле­вой ста­ли вольф­ра­мом её жа­ро­проч­ность воз­рас­та­ет в 2–3 ра­за, а при со­вме­ст­ном ис­поль­зо­ва­нии $\ce{W, Ti}$ и др. эле­мен­тов – в 10 раз.

Раз­ли­ча­ют (ус­лов­но) соб­ст­вен­но Л., мик­ро­ле­ги­ро­ва­ние и мо­ди­фи­ци­ро­ва­ние. При соб­ст­вен­но Л. в сплав вво­дят от 0,2% и бо­лее (по мас­се) ле­ги­рую­ще­го эле­мен­та, при мик­ро­ле­ги­ро­ва­нии – обыч­но до 0,1%, при мо­ди­фи­ци­ро­ва­нии – мень­ше (или столь­ко же), чем при мик­ро­ле­ги­ро­ва­нии. Од­на­ко мик­ро­ле­ги­ро­ва­ние и мо­ди­фи­ци­ро­ва­ние ока­зы­ва­ют разл. воз­дей­ст­вие на струк­ту­ру и свой­ст­ва спла­вов. Мик­ро­ле­ги­ро­ва­ние эф­фек­тив­но влия­ет на строе­ние и энер­ге­тич. со­стоя­ние гра­ниц зё­рен, при этом пред­по­ла­га­ет­ся, что в спла­ве бу­дут реа­ли­зо­ва­ны два ме­ха­низ­ма уп­роч­не­ния – бла­го­да­ря Л. твёр­до­го рас­тво­ра и в ре­зуль­та­те дис­пер­си­он­но­го твер­де­ния. Мо­ди­фи­ци­ро­ва­ние спо­соб­ст­ву­ет в про­цес­се кри­стал­ли­за­ции из­мель­че­нию струк­ту­ры, из­ме­не­нию гео­мет­рич. фор­мы, раз­ме­ров и рас­пре­де­ле­ния не­ме­тал­лич. вклю­че­ний, из­ме­не­нию фор­мы эв­тек­тич. вы­де­ле­ний, в це­лом улуч­шая ме­ха­нич. свой­ст­ва. Для мик­ро­ле­ги­ро­ва­ния ис­поль­зу­ют эле­мен­ты, об­ла­даю­щие за­мет­ной рас­тво­ри­мо­стью в твёр­дом со­стоя­нии (бо­лее 0,1 атом­но­го %), для мо­ди­фи­ци­ро­ва­ния обыч­но слу­жат эле­мен­ты с мень­шей рас­тво­ри­мо­стью.

Л. под­раз­де­ля­ют на объ­ём­ное и по­верх­но­ст­ное. При объ­ём­ном Л. ле­ги­рую­щий эле­мент рас­пре­де­лён во всём объ­ё­ме ме­тал­ла, при по­верх­но­ст­ном – со­сре­до­то­чен на по­верх­но­сти ме­тал­ла. Осн. спо­соб объ­ём­но­го Л. – сплав­ле­ние осн. ме­тал­ла спла­ва с ле­ги­рую­щи­ми эле­мен­та­ми в пе­чах (кон­вер­те­ры, ду­го­вые, ин­дук­ци­он­ные, плаз­мен­ные, элек­трон­но-лу­че­вые и др. пе­чи). При этом воз­мож­ны боль­шие по­те­ри ак­тив­ных эле­мен­тов ($\ce{Mg, Cr, Mo, Ti}$ и др.), взаи­модей­ст­вую­щих с $\ce{O2}$ или $\ce{N2}$. С це­лью умень­ше­ния по­терь при вы­плав­ке и обес­пе­че­ния бо­лее рав­но­мер­но­го рас­пре­де­ле­ния ле­ги­рую­ще­го эле­мен­та в рас­пла­ве (в объ­ё­ме жид­кой ван­ны) ис­поль­зу­ют ли­га­ту­ры и фер­ро­спла­вы. Сре­ди др. спо­со­бов объ­ём­но­го Л. ши­ро­ко при­ме­ня­ют ме­ха­нич. Л., со­вме­ст­ное вос­ста­нов­ле­ние, элек­тро­лиз, плаз­мо­хи­ми­че­ские ре­ак­ции. По­верх­но­ст­ное Л. осу­ще­ст­в­ля­ют в слое до 1–2 мм и ис­поль­зу­ют для соз­да­ния осо­бых свойств на по­верх­но­сти из­де­лия. В ос­но­ве боль­шин­ст­ва про­цес­сов (в со­че­та­нии с тер­мич. об­ра­бот­кой) ле­жит диф­фу­зи­он­ное на­сы­ще­ние из га­зо­вой или жид­кой (напр., це­мен­та­ция) фа­зы, хи­ми­че­ское оса­ж­де­ние из га­зо­вой фа­зы. К та­ким про­цес­сам от­но­сят али­ти­ро­ва­ние (на­сы­щаю­щий эле­мент $\ce{Al}$), азо­ти­ро­ва­ние ($\ce{N}$, бо­ри­ро­ва­ние ($\ce{B}$) и др. По твер­до­фаз­но­му ме­то­ду на по­верх­ность ме­тал­ла на­но­сят ле­ги­рую­щий эле­мент или сплав в ви­де слоя нуж­ной тол­щи­ны, да­лее к.-л. ис­точ­ни­ком энер­гии (ла­зер­ное об­лу­че­ние, плаз­мен­ная го­рел­ка и др.) по­верх­ность оп­лав­ля­ет­ся и на ней об­ра­зу­ет­ся но­вый сплав.

Осо­бое ме­сто сре­ди ме­то­дов Л. за­ни­ма­ет ион­ная им­план­та­ция, ос­но­ван­ная на бом­бар­ди­ров­ке по­верх­но­сти ме­тал­ла (или по­лу­про­вод­ни­ка) в ва­куу­ме по­то­ком ио­нов к.-л. эле­мен­та. С по­мо­щью ион­ной им­план­та­ции про­из­во­дят ма­те­риа­лы с рав­но­мер­ным рас­пре­де­ле­ни­ем не рас­тво­ряю­щих­ся друг в дру­ге эле­мен­тов и т. о. по­лу­ча­ют струк­ту­ры, ко­то­рые нель­зя по­лу­чить ни­ка­ки­ми др. спо­со­ба­ми; наи­бо­лее ши­ро­ко ис­поль­зу­ет­ся для ле­ги­ро­ва­ния по­лу­про­вод­ни­ков.

Л. при­ме­ня­лось уже в глу­бо­кой древ­но­сти (о чём сви­де­тель­ст­ву­ют ис­сле­до­ва­ния об­раз­цов хо­лод­но­го ору­жия, най­ден­но­го при ар­хео­ло­гич. рас­коп­ках), в Рос­сии – с 1830-х гг. Ши­ро­кое пром. зна­че­ние Л. по­лу­чи­ло в го­ды 1-й ми­ро­вой вой­ны, ко­гда для во­ен. це­лей (из­го­тов­ле­ния арт. ору­дий, ко­ра­бель­ной бро­ни) по­тре­бо­ва­лось боль­шое ко­ли­че­ст­во хро­мо­ни­ке­ле­вой, мо­либ­де­но­вой и др. ста­лей.

Сталь — легирование

В стали добавляют легирующие элементы для улучшения определенных свойств, таких как прочность, износ и коррозионная стойкость. Хотя теории легирования были разработаны, большинство коммерческих легированных сталей было разработано путем экспериментального подхода с периодическими вдохновенными предположениями. Первое экспериментальное исследование легирующих добавок к стали было проведено в 1820 году британцами Джеймсом Стодартом и Майклом Фарадеем , которые добавили в сталь золото и серебро в попытке улучшить ее коррозионную стойкость. Эти смеси не были коммерчески возможными , но они инициировали идею добавления хрома в сталь (см. Ниже Нержавеющая сталь).

Закалка и укрепление

Первую коммерческую легированную сталь обычно приписывают британцу Роберту Ф. Мушет , который в 1868 году обнаружил, что добавление вольфрама к стали значительно увеличивает ее твердость даже после охлаждения на воздухе. Этот материал лег в основу последующего развития инструментальных сталей для обработки металлов.

О 1865 Mushet также обнаружил , что добавление марганца в бессемеровском стал позволило отливке слитков бесплатно раковин. Он также знал, что марганец снижает хрупкость, вызванную присутствием серы , но именно Роберт Хэдфилд разработал (в 1882 году) сталь, содержащую от 12 до 14 процентов марганца и 1 процент углерода, которая значительно улучшила износостойкость и использовалась для щековых дробилок. и железнодорожные переходы.

Настоящей движущей силой развития легированной стали было вооружение. Около 1889 г. была произведена сталь с 0,3% углерода и 4% никеля; Вскоре после этого он был дополнительно улучшен за счет добавления хрома и стал широко использоваться для брони на линкорах. В 1918 году было обнаружено, что эту сталь можно сделать менее хрупкой, добавив молибден .

Общее понимание того, почему и как легирующие элементы влияют на глубину упрочнения — прокаливаемость, — было получено в результате исследований, проведенных в основном в Соединенных Штатах в 1930-х годах. Понимание того, почему свойства изменяются при отпуске, появилось в период 1955–1965 гг., После использования просвечивающего электронного микроскопа .

Важным событием сразу после Второй мировой войны было улучшение стальных составов для пластин и профилей, которые можно было легко сваривать. Движущей силой этой работы была поломка пластин на кораблях Liberty, которые массово производились во время войны, путем сварки — более быстрого процесса изготовления, чем клепка. Улучшения были достигнуты за счет увеличения содержания марганца до 1,5 процента и сохранения содержания углерода ниже 0,25 процента.

Группа сталей, получившая общее название Высокопрочные низколегированные стали (HSLA ) преследовали аналогичную цель улучшения общих свойств мягких сталей с небольшими добавками легирующих элементов, которые не сильно увеличивали бы стоимость. К 1962 году термин «микролегированная сталь» был введен для обозначения композиций мягкой стали, в которые было добавлено от 0,01 до 0,05 процента ниобия . Выпускались аналогичные стали, содержащие ванадий .

Период 1960–80 гг. Был периодом значительного развития микролегированных сталей. За счет связи легирования с контролем температуры во время прокатки предел текучести был увеличен почти вдвое по сравнению с обычной мягкой сталью.

Неудивительно, что должны быть предприняты попытки улучшить коррозионную стойкость стали путем добавления легирующих элементов, но удивительно, что коммерчески успешный материал не был произведен до 1914 года. Это был состав из 0,4 процента углерода и 13 процентов.хром , разработанный Гарри Брирли в Шеффилде для производства столовых приборов.

Хром был впервые идентифицирован как химический элемент около 1798 года и был извлечен из сплава железа, хрома и углерода. Этот материал первоначально использовали Стодарт и Фарадей в 1820 году в своих экспериментах по легированию. Тот же материал был использован Джоном Вудсом и Джоном Кларком в 1872 году для изготовления сплава, содержащего от 30 до 35 процентов хрома; хотя было отмечено, что сталь имеет улучшенную коррозионную стойкость, она никогда не использовалась. Успех стал возможен, когда Ганс Гольдшмидт , работая в Германии, в 1895 году открыл, как производить низкоуглеродистый феррохром .

Связь между содержанием углерода в хромистых сталях и их коррозионной стойкостью была установлена ​​в Германии Филипом Моннарцем в 1911 году. В межвоенный период стало ясно, что в железной матрице должно быть растворено не менее 8 процентов хрома (а не связаны с углеродом в виде карбидов), так что на воздухе на поверхности стали образовывалась защитная пленка из оксида хрома. В стали Брерли 3,5 процента хрома было связано с углеродом, но оставшегося хрома все еще оставалось достаточно для обеспечения коррозионной стойкости.

Добавление никеля в нержавеющую сталь было запатентовано в Германии в 1912 году, но эти материалы не использовались до 1925 года, когда вошла в употребление сталь, содержащая 18 процентов хрома, 8 процентов никеля и 0,2 процента углерода. Этот материал использовался в химической промышленности с 1929 года и стал известен как аустенитный сорт 18/8.

К концу 1930-х годов росло понимание того, что аустенитные нержавеющие стали были полезны для работы при повышенных температурах, а модифицированные составы использовались для первых двигателей реактивных самолетов, произведенных во время Второй мировой войны. Основные композиции того периода до сих пор используются для работы при высоких температурах. Дуплексная нержавеющая сталь была разработана в 1950-х годах для удовлетворения потребностей химической промышленности в высокой прочности, связанной с коррозионной стойкостью и износостойкостью. Эти сплавы имеют микроструктуру, состоящую примерно из половины феррита и половины аустенита, а также из 25 процентов хрома, 5 процентов никеля, 3 процентов меди и 2 процентов молибдена.

Полное руководство по углеродистой стали и стальным сплавам

Сталь

является наиболее часто используемым металлом в мире, который находит применение в компонентах, продуктах и ​​конструкциях в самых разных отраслях промышленности. Эта популярность во многом связана с присущей материалу прочностью, твердостью и долговечностью. Однако при рассмотрении стали в качестве материала для производственного проекта важно отметить, что сталь — это не отдельный металл, а скорее общий термин для группы металлов, состоящей в основном из железа и углерода, а также часто в различных количествах других элементов.Он доступен в многочисленных вариациях, каждая из которых имеет несколько иной состав и несколько отличающийся набор характеристик, что делает его пригодным для различных применений.

По некоторым данным, доступно более 3500 видов стали. Этот широкий выбор позволяет профессионалам отрасли найти сталь, которая точно соответствует их потребностям, но также усложняет выбор правильной стали. В следующем руководстве мы представляем обзор всего, что вам нужно знать об углеродистой стали и стальных сплавах.В нем обсуждается, что такое сталь, доступные типы и типичные области применения материала, чтобы помочь читателям лучше понять сталь и определить, какая из них подходит для проекта.

Что такое сталь?


Сталь представляет собой сплав железа и углерода. Его первичный компонент — железо — в чистом виде очень слаб и мягок. Добавление углерода к элементу значительно увеличивает его прочность на растяжение, твердость и сопротивление износу и истиранию, но снижает его пластичность, обрабатываемость и ударную вязкость.Однако общее добавленное количество должно быть менее 2%, чтобы полученный металл можно было классифицировать как сталь. Металл с содержанием углерода более 2% классифицируется как чугун.

В дополнение к углероду в процессе производства стали могут быть введены другие элементы для дальнейшего улучшения характеристик стали. Если сталь содержит по весу один или несколько легирующих элементов в стандартном процентном соотношении, она классифицируется как легированная сталь. Точные свойства, проявляемые конкретной легированной сталью, зависят от включенных элементов и их пропорций.В целом легированные стали демонстрируют огромную прочность, твердость и универсальность. Кроме того, они легко перерабатываются, что позволяет профессионалам отрасли повторно использовать и перепрофилировать их снова и снова без потери прочности или качества материала.

Углеродистая сталь

Углеродистые стали состоят в основном из железа и углерода и основаны на углероде как основном упрочняющем элементе. Обычно их делят на три подкатегории: низкоуглеродистая сталь (0.от 03% до 0,15% углерода), среднеуглеродистая сталь (от 0,25% до 0,50% углерода) и высокоуглеродистая сталь (от 0,55% до 1,10% углерода). Чем выше содержание углерода, тем тверже получаемый материал и, следовательно, труднее с ним работать. По этой причине в производственных операциях чаще используются низкоуглеродистые стали, чем высокоуглеродистые.

Стальные сплавы

Сплавы стали объединяют углеродистую сталь с другими легирующими элементами для добавления или улучшения определенных характеристик материала, таких как прочность, твердость или коррозионная стойкость.Их можно сгруппировать по сплаву или проценту сплава. Высоколегированные стали содержат более высокий процент легирующих элементов (более 8%, но обычно не менее 10%), в то время как низколегированные стали содержат низкий процент легирующих элементов (обычно от 1% до 5%, но могут иметь до 8%). Свойства стального сплава сильно зависят от добавленных легирующих элементов. Некоторые распространенные легирующие элементы перечислены ниже.

  • Хром
  • Кобальт
  • Медь
  • Марганец
  • Молибден
  • Никель
  • Кремний
  • Вольфрам

Сортировочная сталь


Помимо состава существует множество других факторов, влияющих на характеристики стального сплава.Различные организации по стандартизации разработали системы классификации, чтобы обеспечить методы классификации углеродистых сталей и стальных сплавов по всем этим факторам. В Соединенных Штатах обычно используются AISI (Американский институт чугуна и стали), SAE (Общество автомобильных инженеров) и ASTM (Американское общество испытаний и материалов).

  • В системах классификации AISI/SAE используется унифицированная система нумерации (UNS). Каждому металлу присваивается четырехзначный номер, где первые две цифры указывают на тип стали и концентрацию легирующих элементов, а последние две цифры указывают на концентрацию углерода.
  • Система классификации ASTM также использует классификацию UNS для металлов. Каждому металлу присваивается буква, обозначающая его общую категорию (А используется для железных и стальных материалов), и число, соответствующее его конкретным свойствам.

Применение и преимущества углеродистых сталей и стальных сплавов Сплавы стали

обладают отличной прочностью, долговечностью и, в зависимости от того, из чего и как они изготовлены, множеством других преимущественных характеристик.Эти качества делают их идеальным материалом для многих производственных и строительных проектов. Типичные области применения стальных сплавов включают:

  • Строительные материалы (например, стержни, балки, рулоны, плиты, стержни, листы, проволока, крепеж и т. д.)
  • Автомобильное и тяжелое оборудование (например, шестерни, шлицы, шкивы, валы, роторы и т. д.)
  • Нефть и газ (например, трубы, трубы, фитинги, резервуары и т. д.)
  • Горнодобывающая промышленность (например, машины, сверла, инструменты и т. д.)
  • Производство/Станки (например,г., штампы, пресс-формы, конвейеры и т. д.)
  • Ручные инструменты (например, гаечные ключи, отвертки, головки и т. д.)

Изготовленные на заказ стальные шлицевые валы, прямозубые шестерни и многое другое от Grob Inc.

Углеродистая сталь и стальные сплавы используются для изготовления широкого спектра деталей и изделий. Специалисты Grob Inc. используют его для производства различных холоднокатаных изделий, в том числе шлицевых валов, цилиндрических зубчатых колес, шкивов зубчатых ремней и многого другого. Чтобы узнать больше о возможностях холодной прокатки в Grob, посетите страницу холоднокатаной продукции.Свяжитесь с нами сегодня, чтобы обсудить ваши потребности в холодной прокатке с одним из наших экспертов.

Выбор сейфа: знакомство со стальными сплавами

По внешнему виду сейфа бывает сложно сказать, из какого металла он сделан. Самые прочные сейфы изготавливаются из стали. Однако имеет значение тип стали, а не только ее толщина. Сталь — это искусственный металлический сплав, состоящий из железа и углерода. Чтобы добавить путаницы, существуют разные типы стальных «сплавов». Понимание того, какой сплав лучше для сейфа, поможет вам сделать правильный выбор при выборе оружейного сейфа.

Что такое сплав?

Сплав представляет собой металл, который соединяется с одним или несколькими металлами для улучшения его свойств. Обычно это делается путем плавления металлов, их объединения, а затем охлаждения и затвердевания. Усиливая металл дополнительными металлами, можно улучшить его:

  • Коррозионная стойкость
  • Твердость
  • Обрабатываемость
  • Прочность
  • Прочность на растяжение

Обычные стальные сплавы

Наиболее распространенным стальным сплавом, используемым в производстве металлов, является низкоуглеродистая мягкая сталь, представляющая собой смесь железа с углеродом.Железо само по себе очень сильное; однако ему не хватает прочности на растяжение. Это означает, что если он подвергается нагрузке, он может сломаться или сломаться, а не сгибаться, потому что железо может быть хрупким. Добавление углерода делает железо более прочным и способным выдерживать нагрузки. Когда к железу добавляется больше углерода, сталь становится прочнее. Один из самых прочных сплавов, сделанных из железа и большего количества углерода, — это чугун.

Раньше двери банковских хранилищ изготавливались из стали. Сегодня многие банки используют чугунные двери, потому что они наиболее устойчивы к попыткам пробить их ацетиленовыми горелками.Сегодня большинство американских оружейных сейфов изготовлены из основного стального сплава из железа и углерода.

Добавление дополнительных металлов к смеси железа и углерода может производить сталь с различными улучшенными характеристиками. Некоторые из наиболее распространенных металлов, которые добавляют в сталь, включают:

  • Хром
  • Медь
  • Марганец
  • Никель
  • Титан
  • Вольфрам

Сейф более высокого качества может быть изготовлен из хромистой стали. При добавлении хрома в сталь сталь превращается в более твердый металл с большей устойчивостью к коррозии; е.г., нержавеющая сталь.

Добавление вольфрама в сталь повысит ее температуру плавления. Это может быть полезно для предотвращения успешного вскрытия сейфа грабителями с помощью резака. Иногда в сталь добавляют никель, чтобы сделать ее более прочной и эластичной, чтобы противостоять воровству, не разрушая и не ломая ее.

При покупке оружейного сейфа задавайте вопросы о том, из какой стали он был изготовлен. Вы всегда должны выбирать сейф из прочной стали для лучшей защиты.

Легирующие элементы|Нержавеющая сталь Outokumpu | Оутокумпу

Различные легирующие элементы оказывают особое влияние на свойства нержавеющей стали. Именно совокупное воздействие всех легирующих элементов, термической обработки и, в некоторой степени, примесей определяет профиль свойств конкретной марки стали. Следует отметить, что влияние легирующих элементов в некоторой степени различается между различными типами нержавеющей стали.


Алюминий (Al)

При добавлении в значительных количествах алюминий улучшает стойкость к окислению и используется для этой цели в некоторых жаростойких марках.В дисперсионно-твердеющих сталях алюминий используется для образования интерметаллических соединений, повышающих прочность в состаренном состоянии.


Углерод (С)

Carbon — мощный аустенитный формирователь, который также значительно повышает механическую прочность. В ферритных марках углерод значительно снижает ударную вязкость и коррозионную стойкость. В мартенситных сортах углерод увеличивает твердость и прочность, но снижает ударную вязкость.


Церий (Ce)

Церий является одним из редкоземельных металлов (РЗМ) и добавляется в небольших количествах к некоторым термостойким сортам для повышения устойчивости к окислению при высоких температурах.


Хром (Cr)

Хром является наиболее важным легирующим элементом, так как он придает нержавеющей стали ее общую коррозионную стойкость. Все нержавеющие стали имеют содержание Cr не менее 10,5%. Кроме того, коррозионная стойкость увеличивается при более высоком содержании хрома. Хром также повышает устойчивость к окислению при высоких температурах и способствует формированию ферритной микроструктуры.

 

Кобальт (Co)

Кобальт используется в мартенситных сталях, где он увеличивает твердость и сопротивление отпуску, особенно при более высоких температурах.


Медь (Cu)

Медь улучшает коррозионную стойкость к некоторым кислотам и поддерживает аустенитную микроструктуру. Его также можно добавлять для уменьшения наклепа в сплавы, предназначенные для улучшения обрабатываемости. Кроме того, его также можно добавить для улучшения формуемости.


Молибден (Mo) Олибден

значительно повышает стойкость как к равномерной, так и к локальной коррозии. Он немного повышает механическую прочность и сильно способствует формированию ферритной микроструктуры.Однако молибден также увеличивает риск образования вторичных фаз в ферритных, дуплексных и аустенитных сталях. В мартенситных сталях молибден повышает твердость при более высоких температурах отпуска из-за его влияния на выделение карбидов.


Марганец (Mn)

Марганец обычно используется для повышения пластичности в горячем состоянии. Его влияние на баланс феррит/аустенит меняется в зависимости от температуры: при низких температурах марганец является стабилизатором аустенита, но при высоких температурах он стабилизирует феррит.Марганец увеличивает растворимость азота и используется для получения высокого содержания азота в дуплексных и аустенитных нержавеющих сталях. Марганец, как аустенитообразователь, также может частично заменить никель в нержавеющей стали.


Никель (Ni) Никель

обычно повышает пластичность и ударную вязкость. Основной причиной добавления никеля является создание аустенитной микроструктуры. Он также снижает скорость коррозии в активном состоянии и поэтому предпочтителен в кислых средах.В дисперсионно-твердеющих сталях никель также используется для образования интерметаллических соединений, используемых для повышения прочности. Добавление никеля в мартенситные марки в сочетании со снижением содержания углерода улучшает свариваемость.


Ниобий (Nb)

Ниобий является сильным феррито- и карбидообразователем и способствует образованию ферритной структуры, как и титан. В аустенитные стали добавляют ниобий для повышения стойкости к межкристаллитной коррозии (стабилизированные марки). Кроме того, он улучшает механические свойства при высоких температурах.В ферритные марки иногда добавляют ниобий и/или титан для повышения ударной вязкости и минимизации риска межкристаллитной коррозии. В мартенситных сталях ниобий снижает твердость и повышает стойкость к отпуску. В США ниобий обозначается как Колумбий (Cb).


Азот (N)

Азот является очень мощным аустенитным формирователем, который также значительно повышает механическую прочность. Он также повышает устойчивость к локальной коррозии, особенно в сочетании с молибденом.В ферритной нержавеющей стали азот сильно снижает ударную вязкость и коррозионную стойкость. В мартенситных сплавах азот увеличивает как твердость, так и прочность, но снижает ударную вязкость.


Кремний (Si)

Кремний повышает устойчивость к окислению как при высоких температурах, так и в сильно окисляющих растворах при более низких температурах. Это способствует ферритной микроструктуре и увеличивает прочность.

 

Сера (S)

Сера добавляется в некоторые нержавеющие стали для улучшения их обрабатываемости.На уровнях, присутствующих в этих сортах, сера немного снижает коррозионную стойкость, пластичность, свариваемость и формуемость. На Outokumpu торговая марка PRODEC (PRODuction EConomy) используется для некоторых марок со сбалансированным содержанием серы для улучшения обрабатываемости. Можно добавить меньшее количество серы, чтобы уменьшить деформационное упрочнение и улучшить формуемость. Несколько повышенное содержание серы также улучшает свариваемость стали.


Титан (Ti)

Титан является прочным феррито- и карбидообразователем, который снижает эффективное содержание углерода и способствует формированию ферритной структуры двумя способами.При добавлении титана в аустенитных сталях повышается стойкость к межкристаллитной коррозии (стабилизированные марки), а также улучшаются содержание углерода и механические свойства при высоких температурах. В ферритные марки добавляется титан для улучшения ударной вязкости, формуемости и коррозионной стойкости. В мартенситных сталях титан в сочетании с углеродом снижает твердость мартенсита и повышает стойкость к отпуску. В дисперсионно-твердеющих сталях титан используется для образования интерметаллических соединений, которые используются для повышения прочности.


Вольфрам (W)

Вольфрам присутствует в качестве примеси в большинстве нержавеющих сталей, хотя его добавляют в некоторые специальные марки, например, в супердуплексную сталь марки 4501, для улучшения стойкости к точечной коррозии.

 

Ванадий (V)

Ванадий образует карбиды и нитриды при более низких температурах, способствует образованию феррита в микроструктуре и повышает ударную вязкость. Это увеличивает твердость мартенситных сталей из-за его влияния на тип присутствующего карбида.Это также повышает устойчивость к отпуску. Он используется только в нержавеющих сталях, которые могут быть закалены.

 

Глоссарий

Прочность
Способность поглощать энергию в пластическом диапазоне.

Активный
(1) Состояние металла, которое подвергается коррозии без значительного влияния продукта реакции.
(2) Более низкий или более низкий потенциал отрицательного электрода.

5 распространенных легирующих элементов для использования со сталью — Avion Alloys

5 общих легирующих элементов для использования со сталью

Сплав – это металл, полученный из соединения нескольких типов металлов вместе с некоторыми другими элементами.Сплав может улучшить свойства металла, сделать его прочнее и, в некоторых случаях, более ценным. Вот пять металлов, которые часто помещают в сплав со сталью для улучшения их свойств.

Кремний

Кремний всегда сочетается со сталью в процессе производства, поэтому это очень распространенный сплав. Он используется в качестве очищающего средства для раскисления и удаления примесей из железной руды во время плавки. Кремний также очень полезен для улучшения других свойств стали.В сплаве кремний может сделать сталь более твердой или прочной, а также увеличить ее магнетизм. Более прочные сорта стали всегда содержат большее количество кремния в сплаве.

Медь

Медь часто используется в небольших количествах в стальных сплавах. Медь может повысить устойчивость к коррозии и предотвратить ржавчину. Атмосферостойкая сталь обычно содержит больше меди в сплаве, чем углеродистая сталь, поскольку атмосферостойкая сталь будет использоваться в более агрессивных условиях.

Вольфрам

Вольфрам содержится в различных количествах в стальных сплавах.Некоторое количество вольфрама остается в стали в остаточных количествах, но его часто добавляют для улучшения определенных свойств стали. Вольфрам — очень твердый металл с высокой температурой плавления, поэтому он может повысить твердость и термостойкость стали в сплаве. Он также способствует повышению коррозионной стойкости стального сплава.

Бор

Бор

даже в небольших количествах может сильно повлиять на механические свойства стали, особенно на ее твердость. Однако, по иронии судьбы, добавление слишком большого количества бора в сталь может снизить ее способность к закалке, поскольку она может стать хрупкой.Сплавы стали с бором могут быть созданы для многих собственных марок, и эти сплавы часто используются в компонентах оборудования, которое должно выдерживать большой износ и интенсивную эксплуатацию.

Свинец

Свинец может быть добавлен в стальной сплав, но на самом деле он не является элементом сплава. Это связано с тем, что свинец не будет присоединяться к другим элементам в сплаве, так как он не растворяется в стали. Таким образом, хотя свинец на самом деле не оказывает механического воздействия на сталь, он может действовать как смазка, которая помогает при резке стали.Однако его не рекомендуется использовать для сварки стали, так как это может привести к растрескиванию металла. Если вы заинтересованы в покупке стали и ее сплавов, не бойтесь обращаться к нам.

Новый стальной сплав отличается прочностью и пластичностью

На этом изображении, полученном с помощью дифракции обратного рассеяния электронов, показан новый сплав, состоящий из железа, марганца, кобальта и хрома, с синими и красными областями, представляющими различные кристаллические структуры.Изображение: Nature 2016/MPI f. Эйзенфоршунг.

Для сталелитейной промышленности теперь может быть выход из дилеммы, которая существовала с тех пор, как люди впервые начали обрабатывать металл. В статье Nature ученые из Max-Planck-Institut für Eisenforschung в Дюссельдорфе, Германия, сообщают о новом типе металлического материала, который является одновременно чрезвычайно прочным и очень пластичным. До сих пор одно из этих свойств материала можно было улучшить только за счет другого, но это новое достижение может изменить этот компромисс, что приведет к созданию более легких металлических компонентов с более тонкими стенками.

В идеале стали и сплавы на их основе должны быть как прочными, так и пластичными. Они должны быть пластичными, чтобы гнуться, а не ломаться при воздействии сильных сил, но также должны быть прочными, чтобы не деформироваться при воздействии слабых сил. Команде под руководством Дирка Раабе, директора Института Макса Планка для Eisenforschung, и Джемаля Джема Тасана, бывшего руководителя исследовательской группы в институте, а ныне профессора Массачусетского технологического института, удалось объединить оба свойства. в одном материале.

«При разработке этого материала мы следовали новой стратегии, которая в целом открывает новые возможности для дизайна металлических материалов», — говорит Раабе. Новый материал основан на высокоэнтропийных сплавах, которые содержат одинаковое количество пяти или более различных металлов, распределенных без какого-либо определенного порядка. Высокоэнтропийные сплавы в последние годы были предметом обширных испытаний материаловедов, но оказались слишком хрупкими для многих применений.

Высокая прочность высокоэнтропийных сплавов обусловлена ​​беспорядком входящих в их состав атомов.Этот беспорядок затрудняет перемещение дефектов в сплаве, известных как дислокации, через его кристаллическую структуру при деформации сплава. Но это также делает сплав очень хрупким при достаточно высоких давлениях.

Стали, которые в основном состоят из железа, наряду с небольшими количествами других элементов, таких как углерод, ванадий или хром, с другой стороны, часто пластичны, но недостаточно прочны для многих применений. Эти стали пластичны, потому что они могут переключаться с одной кристаллической структуры на другую, что требует энергии, которая в противном случае вызвала бы повреждение.Многие стальные компоненты, такие как детали кузова автомобиля, состоят из множества крошечных областей, которые чередуются между двумя разными кристаллическими структурами.

Это сосуществование различных кристаллических структур всегда считалось вредным для высокоэнтропийных сплавов. «Теперь мы перевернули эту концепцию с ног на голову, поскольку недавние исследования показали, что это не важный фактор», — объясняет соавтор Чжиминг Ли.

Вместе со своими коллегами Ли искал материал, столь же прочный, как высокоэнтропийный сплав, но, подобно особо пластичным сталям, обладающий двумя сосуществующими кристаллическими структурами.В конце концов они придумали сплав, состоящий из 50% железа, 30% марганца и по 10% кобальта и хрома.

«С этим сплавом мы показали, что наша концепция работает», — говорит Раабе. «Если мы еще больше улучшим микроструктуру и состав, мы сможем еще больше повысить прочность и пластичность». Именно над этим сейчас работают исследователи.

Этот новый сплав можно обрабатывать так же легко и экономично, как особенно пластичную сталь, и поглощать столько же энергии удара, когда он используется в кузове автомобиля.В то же время сплав достаточно прочен, чтобы тонкие листы, изготовленные из него, не поддавались действию слабой силы.

Этот рассказ адаптирован из материалов Max-Planck-Gesellschaft с редакционными изменениями, внесенными Materials Today. Взгляды, выраженные в этой статье, не обязательно отражают точку зрения Elsevier. Ссылка на первоисточник.

Учет легирующих элементов стали и выбросов парниковых газов, связанных с использованием металла, на основе потребления: пример Японии | Journal of Economic Structures

Внутренние потоки легирующих элементов

В 2005 г. в виде первичных источников было импортировано 636, 635, 250 и 29 кт марганца, хрома, никеля и молибдена соответственно.В основном они потреблялись в сталеплавильном производстве для производства продукции сталелитейного производства из сырой стали с использованием легирующих элементов. Сопровождающие продукцию сталелитейного производства легирующие элементы широко распространяются по международной цепочке поставок. Действительно, помимо импортных легирующих элементов, в сталеплавильном производстве используются легирующие элементы, содержащиеся в стальном ломе отечественного производства. Следовательно, фактический расход легирующих элементов больше, чем в привозных массах. Учитывая вышеизложенное, в данном исследовании рассматривается баланс легирующих элементов в потоке на основе привозных масс.Масса легирующих элементов, оставшихся в Японии, была рассчитана путем вычитания общей массы экспортированных легирующих элементов в Японии из импортированной массы вместо вычитания общей экспортированной массы из общей потребляемой массы.

Марганец

10 основных областей применения марганца показаны на рис. 2 для производства сталелитейной продукции (слева) и других продуктов (справа). Показав отдельно массу экспорта и внутреннего потребления, мы можем отличить массу вывезенного марганца от той, что осталась в Японии.Поскольку марганец является широко используемым элементом в сталеплавильном производстве для раскисления, а также для легирования (Накадзима и др., 2008 г.), продукты проката углеродистой стали, для которых требуется умеренная концентрация марганца (т.е. <1%), занимают 68% потребления марганца. среди продукции сталелитейного производства из-за их большого объема производства. Такое большое потребление марганца в углеродистой стали заставляет его оставаться в Японии, а не экспортировать в виде сталелитейного завода и других продуктов. Это связано с тем, что продукция производства углеродистой стали в основном потребляется в качестве строительных материалов внутри страны: около 230 тыс. тонн (36% марганца, полученного из импортируемых первичных источников) марганца было экспортировано в другие страны в качестве продукции.Кроме того, 18 тыс. тонн марганца было экспортировано в виде сырья, такого как ферромарганец.

Рис. 2

10 основных применений марганца в продукции сталелитейного производства ( слева ) и других продуктах ( справа )

Хром

Основными продуктами металлургического производства, потребляющими хром, являются материалы из нержавеющей стали, конструкционная легированная сталь и жаропрочная сталь, как показано на рис. 3 (слева). Большая часть из них перерабатывается в различные продукты внутри страны, около половины из которых экспортируются в виде продуктов.Продукция автомобильной промышленности является основной хромсодержащей продукцией. Поскольку 33% хрома поставлялось с автомобильной продукцией, их экспорт в значительной степени способствовал экспорту хрома. В общей сложности 340 тыс. тонн (54% Cr из импортных источников) хрома было снова экспортировано в виде продукта, а 7 тыс. тонн хрома было экспортировано в качестве сырья.

Рис. 3

10 основных применений хрома в продукции сталелитейного производства ( слева ) и других продуктах ( справа )

Как показано на рис.4 (левая сторона). По сравнению с другими элементами, разнообразие использования никеля в продукции сталелитейного производства ниже, поскольку он в высокой степени сконцентрирован на нержавеющей стали и конструкционной легированной стали. Из-за совместного использования никеля с хромом в нержавеющей стали основное использование никеля было аналогично использованию хрома (рис. 4, правая часть). В этом отношении экспорт автомобильной продукции привел к увеличению экспорта никеля, как и в случае с хромом. В целом около 110 тыс. тонн (45% никеля получено из импортных первичных источников) никеля было отправлено из Японии в виде сталелитейного завода и другой продукции.Кроме того, относительно большая масса никеля (72 тыс. тонн) была экспортирована в виде сырья, такого как ферросплав и мат.

Рис. 4

10 основных применений никеля в продукции сталелитейного производства ( слева ) и других продуктах ( справа )

Молибден

Молибден используется в различных сортах продукции сталелитейного производства, как показано на рис. 5 (слева). Наиболее требовательной к молибдену продукцией сталелитейного производства была хромоникелевая нержавеющая сталь, за которой следуют конструкционная сталь, жаропрочная сталь и легированная инструментальная сталь с относительно небольшой разницей в массе между ними.Напротив, с точки зрения спроса молибден был в значительной степени сконцентрирован в автомобильной продукции (рис. 5, справа). Как следствие, 7,7 тыс. тонн молибдена (27 % Mo получено из импортных первичных источников) было экспортировано вместе с продукцией. Экспорт молибдена в сырье составил 0,8 тыс. тонн.

Рис. 5

10 основных применений молибдена в продукции сталелитейного производства ( слева ) и других продуктах ( справа )

На рис. 6 представлены потоки четырех легирующих элементов, полученных из стали.Диаграмма Санки была построена на основе таблицы ввода-вывода. Стрелки между источниками элементов и производством нерафинированной стали относятся к входам легирующих элементов в каждую категорию производства стали в таблице «затраты-выпуск». Стрелки от сырой стали к готовой продукции нарисованы на основе ввода сырой стали в продукты сталелитейного производства и продуктов сталелитейного производства в конечные продукты путем применения содержания легирующих элементов в стальных материалах, полученных WIO-MFA. Наконец, ссылаясь на уравнения. (2) и (3) стрелки были отдельно направлены на экспорт и внутреннее потребление.Три вида потерь (т. е. потери на нефтеперерабатывающих заводах, отходы собственного производства и промышленные отходы) рассчитывались на основе коэффициента выхода, примененного к упомянутой выше фильтрации матрицы входных коэффициентов. Здесь общие массы каждого легирующего элемента, поступающего в сталеплавильное производство, были стандартизированы за 100 %, чтобы представить регламентированные представления о потоках с различными масштабами потребления. Хотя легирующие элементы в основном поставлялись из первичных источников, стальной лом также вносил свой вклад в поставку легирующих элементов в сталеплавильное производство.Как упоминалось выше, поток легирующих элементов обусловлен производством и использованием легированной стали, включая нержавеющую сталь. Следовательно, более половины легирующих элементов экспортируется вместе с легированной сталью и другой продукцией. Этот анализ показывает, что Япония распределяет легирующие элементы в другие страны через экспорт сталелитейного завода и конечной продукции.

Рис. 6

Суммарный расход легирующих элементов в Японии в 2005 г. Ширина стрелок нормирована на расход каждого легирующего элемента в сталеплавильном производстве

Международная поставка легирующих элементов из Японии

Японская промышленность потребляет большое количество легирующих элементов со всего мира (JOGMEC 2008).Следовательно, массы экспортируемых легирующих элементов по-прежнему составляют большую долю мировых потоков. На рисунке 7 показана доля легирующих элементов, сопровождающих экспорт продукции сталелитейного производства из Японии в различные регионы мира. В общей массе 130, 190, 61 и 4 тыс. тонн марганца, хрома, никеля и молибдена были экспортированы в виде продукции сталелитейного производства соответственно. Массовый экспорт продукции сталелитейного производства в страны Азии и сопутствующий ему поток легирующих элементов был наибольшим среди рассматриваемых регионов.В частности, Китай, Корея, Тайвань и Таиланд показали большие доли. Хотя Китай по-прежнему является быстро развивающейся страной, его развивающаяся сталелитейная промышленность с 2006 года производит больше нержавеющей стали, чем Япония (International Stainless Steel Forum 2013). Поэтому поток легирующих элементов из Японии в последние годы будет иметь довольно большое расхождение с цифрами, приведенными в данном исследовании.

Рис. 7

Доля регионов-партнеров по продукции металлургического производства ( слева ) и прочей продукции ( справа )

Всего было экспортировано 98 тыс. тонн (марганец), 25 тыс. тонн (хром), 150 тыс. тонн (никель) и 4 тыс. тонн (молибден) в виде продукции без учета сырья и продукции сталелитейного производства.В отличие от продукции сталелитейного производства, потоки легирующих элементов, сопутствующие экспорту другой продукции, относительно равномерно распределялись по регионам (рис. 7). Этот факт свидетельствует о том, что легирующие элементы распространены по всему миру в виде продукции, произведенной в Японии. На страновом уровне США занимали наибольшую долю сопутствующего экспорта, примерно в два раза превышающую долю других стран по всем легирующим элементам. Панама последовала за США в сопровождении экспорта марганца продукцией только из-за своей торговли стальными судами.По другим легирующим элементам Китай занял второе место, за ним следуют другие азиатские страны. Дополнительные результаты на уровне страны см. в дополнительном файле 2.

Ответственность за воздействие на окружающую среду

Япония требует значительной массы легирующих элементов для производства различных товаров, востребованных как внутри страны, так и за ее пределами, что налагает на нее большую ответственность воздействия на окружающую среду, связанного с добычей, выплавкой и переработкой в ​​перерабатывающих странах. С точки зрения выбросов парниковых газов спрос на японские продукты, содержащие легирующие элементы, во всем мире вызывает 42, 1230, 1420 и 75 тыс. источники металлов (рис.8). Эти количества включают только выбросы ПГ в странах, где добываются и перерабатываются металлы, до того, как они будут импортированы Японией. Хотя целевой год учета отличается от этой работы на 2005 год, выбросы соответствуют примерно 3, 8, 7 и 4% годовых выбросов ПГ для производства металлов в 2008 году в соответствии с работой Nuss and Eckelman (2014). Производство стали в Японии в последние годы стабильно составляло около 110 000–120 000 тыс. тонн (112 718 тыс. тонн в 2005 г. и 118 739 тыс. тонн в 2008 г.) (World Steel Association 2015).

Рис. 8

Выбросы ПГ при производстве каждого легирующего элемента в 2005 г.

Кроме того, поскольку Япония не только импортирует, но и производит внутри страны некоторые сырьевые материалы, такие как ферросплавы и/или чистые металлы, воздействие легирующих элементов, проходящих через Японию, будет намного выше, чем значение, оцененное в этом исследовании. Согласно кадастрам выбросов на основе IO, разработанным Nansai and Moriguchi (2012), в Японии в 2005 году при производстве ферросплавов было выброшено 3717 тыс. тонн CO 2 экв.Таким образом, выбросы ПГ в легирующих элементах, проходящих через Японию, в действительности более чем вдвое превышают выбросы ПГ в странах происхождения.

Распределение легирующих элементов и воплощенных в них выбросов парниковых газов, связанных с экономической деятельностью Японии, обобщено на рис. 9. Около половины легирующих элементов остались в Японии. 10 стран с самым высоким распределением в основном располагались в Азии (рис. 9 (a-1)). Южная Корея и Тайвань поднялись на более высокие места, потому что они импортировали большое количество никелевого сырья из Японии.Таким образом, их массы импорта никеля показали большую долю, чем другие страны (см. рис. 9 (b-1)). Глядя на разбивку распределения по элементам (b-1), большая часть марганца осталась в Японии, что составляет около половины всех оставшихся легирующих элементов. Это приводит к меньшей доле Японии с точки зрения распределения реализованных выбросов ПГ (39,5%) по сравнению с распределением масс элементов (49,0%), как показано на рис. 9 (a-1), поскольку выбросы ПГ, воплощенные источники марганца относительно невелики (таблица 1).Напротив, более высокие выбросы парниковых газов, связанные с никелем, увеличили долю ответственности за выбросы парниковых газов в Южной Корее и Тайване (рис. 9 (а-2)). Как показано на рис. 9 (b-2), хром и никель преобладали в доле воплощенных выбросов ПГ. В связи с этим использование хромоникелевой нержавеющей стали, содержащей большое количество как хрома, так и никеля, сильно повлияет на распределение воплощенных выбросов ПГ. Следовательно, следует поощрять переработку хромоникелевой нержавеющей стали, как было предложено в предыдущих исследованиях MFA хрома и никеля (Reck et al.2010 г.; Дайго и др. 2010 г.; Накадзима и др. 2013).

Рис. 9

(1) Легирующие элементы и (2) воплощенные выбросы ПГ для ( a ) доли и ( b ) массового состава

Южная Корея, Китай, США и Тайвань являются наиболее важными партнерами в японской торговле с точки зрения разделения ответственности за выбросы парниковых газов при производстве легирующих элементов. Поэтому, когда Япония попытается уменьшить воздействие на окружающую среду, связанное с использованием металла, она может попросить эти четыре страны внести свой вклад в разработку новых технологий, снижающих воздействие на окружающую среду при добыче полезных ископаемых, выплавке и переработке.

Легирующие элементы – SSINA

Углерод всегда присутствует в нержавеющей стали. Ключевое значение имеет количество углерода. Во всех категориях, кроме мартенситной, уровень остается довольно низким. В мартенситном классе уровень преднамеренно повышен для получения высокой прочности и твердости. Термическая обработка путем нагревания до высокой температуры, закалки и последующего отпуска приводит к образованию мартенситной фазы.

Углерод может влиять на коррозионную стойкость. Если позволить углероду соединиться с хромом (с образованием карбидов хрома), это может отрицательно сказаться на способности к формированию «пассивного» слоя.Если на отдельных участках содержание хрома уменьшится ниже 10,5%, слой не образуется.

Хром является высокореактивным элементом и объясняет «пассивный» характер всех нержавеющих сталей. Устойчивость к химическому воздействию коррозии и типичному «ржавлению» (окислению), которое происходит с незащищенной углеродистой сталью, является прямым результатом присутствия хрома. Как только композиция содержит не менее 10,5% хрома, мгновенно образуется прочная и нерастворимая поверхностная пленка, которая предотвращает дальнейшую диффузию кислорода на поверхность и предотвращает окисление железа в матрице.Чем выше уровень хрома, тем выше защита.

Никель

является важным связующим элементом в марках нержавеющей стали серии 300. Присутствие никеля приводит к образованию «аустенитной» структуры, которая придает этим маркам стали прочность, пластичность и ударную вязкость даже при криогенных температурах. Это также делает материал немагнитным. Хотя роль никеля не оказывает прямого влияния на развитие «пассивного» поверхностного слоя, она приводит к значительному улучшению устойчивости к кислотному воздействию, особенно к серной кислоте.

Добавление молибдена в матрицу Cr-Fe-Ni повышает устойчивость к локальному точечному воздействию и лучшую стойкость к щелевой коррозии (особенно в ферритных марках Cr-Fe). Он помогает противостоять пагубному воздействию хлоридов (316 с 2% молибдена предпочтительнее, чем 304, в прибрежных и противообледенительных условиях). Чем выше содержание молибдена (существуют нержавеющие стали с содержанием молибдена 6%), тем выше устойчивость к более высоким уровням хлоридов.

Обычно марганец добавляют в нержавеющие стали для облегчения раскисления во время плавки и для предотвращения образования включений сульфида железа, которые могут вызвать проблемы с горячим растрескиванием.Он также является «аустенитным» стабилизатором и при добавлении в более высоких количествах (от 4 до 15%) заменяет часть никеля в марках нержавеющей стали серии 200.

Небольшие количества кремния и меди обычно добавляют в аустенитные нержавеющие стали, содержащие молибден, для улучшения коррозионной стойкости к серной кислоте. Кремний также улучшает стойкость к окислению и является стабилизатором «феррита». В «аустенитных нержавеющих сталях высокое содержание кремния улучшает стойкость к окислению, а также предотвращает науглероживание при повышенных температурах (примерами являются 309 и 310).

Добавки ниобия предотвращают межкристаллитную коррозию, особенно в зоне термического влияния после сварки. Ниобий помогает предотвратить образование карбидов хрома, которые могут лишить микроструктуру необходимого количества хрома для пассивации. В «ферритных» нержавеющих сталях добавление ниобия является эффективным способом повышения сопротивления термической усталости.

Титан является основным элементом, используемым для стабилизации нержавеющей стали перед использованием сосудов для аргонно-кислородного обезуглероживания.Когда нержавеющая сталь плавится на воздухе, трудно снизить уровень углерода. 302, наиболее распространенному сорту до AOD, разрешалось иметь максимальный уровень углерода 0,15%). На таком высоком уровне требовалось что-то для стабилизации углерода, и титан был наиболее распространенным способом. Титан будет реагировать с углеродом с образованием карбидов титана и предотвращать образование карбидов хрома, что может повлиять на формирование «пассивного» слоя. Сегодня вся нержавеющая сталь обрабатывается в сосуде AOD, а уровень углерода, как правило, низкий из-за отсутствия кислорода.На сегодняшний день наиболее распространен сорт 304 (с максимальным содержанием углерода 0,08, хотя на самом деле уровни ниже).

Содержание серы обычно поддерживается на низком уровне, поскольку она может образовывать сульфидные включения. Он используется для улучшения обрабатываемости (где эти включения действуют как «стружколомы»). Однако добавление серы снижает стойкость к точечной коррозии.

Элемент Воздействие на нержавеющую сталь
Хром Образует пассивную пленку с кислородом, которая предотвращает дальнейшую диффузию кислорода в поверхность.
Состав должен содержать не менее 10,5%, чтобы быть нержавеющей сталью.
Никель Повышает пластичность и прочность. Повышение коррозионной стойкости к кислотам. Аддитон создает немагнитную структуру.
Молибден Повышает стойкость к точечной и щелевой коррозии. Повышение устойчивости к хлоридам.
Медь Повышение коррозионной стойкости к серной кислоте.
Марганец Заменитель никеля (серия 200).
Титин/ниобий Связывает углерод и предотвращает межкристаллитную коррозию в зоне сварки ферритных марок.
Азот Повышение прочности и коррозионной стойкости аустенитных и дуплексных марок.
Силикон Повышает устойчивость к образованию накипи при высоких температурах.
Сера Обычно поддерживается на низком уровне для марок «свободной механической обработки».

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.