Легирование стали: цели, процесс, назнеачение

  • Характеристика
  • Свойства
  • Марки

В современном мире имеется большое количество разновидностей стали. Это один из самых востребованных материалов, который используется практически во всех отраслях промышленности.

Характеристика легированных сталей

Легирование стали: цели, процесс, назнеачение

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

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

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

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

Виды легированной стали

Есть три основных вида стали с легирующими элементами:

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

  • Среднелегированная сталь.

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

  • Высоколегированная сталь.

Легирование стали: цели, процесс, назнеачение

Назначение легированной стали

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

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

Основными из них являются:

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

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

Свойства легированной стали

Легирование стали: цели, процесс, назнеачение

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

В зависимости от добавленных легирующих компонентов сталь приобретает следующие качества:

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

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

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

Производство легированной стали

Марки легированной стали

Легирование стали: цели, процесс, назнеачение

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

Сегодня имеется большое количество требований к маркировке легированной стали. Для данного процесса используются цифровые и буквенные обозначения. Сначала при маркировке используются цифры.

Они являются показателями того, сколько содержится в том или ином виде легированной стали сотых долей углерода.

После цифр стоят буквы, которые являются обозначением того, какие легирующие добавки были использованы при производстве того или иного легированного типа стали.

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

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

Марки сталиСтFeСтFe
СтО Fe310-0 Ст4кп Fe430-A
Ст1кп Ст4пс Fe430-B
Ст1пс Ст4сп Fe430-C
Ст1сп Fe430-D
Ст2кп Ст5пс Fe510-B, Fe490
Ст2пс Ст5Гпс Fe510-B, Fe490
Ст2сп Сг5сп Fe510-C, Fe490
СтЗкп Fe360-A
СтЗпс Fe360-B Ст6пс Fe590
СтЗГпс Fe360-B Стбсп Fe590
СтЗсп Fe360-C Fe690
СтЗГсп Fe360-C
Fe360-D

Таблица 2. Условные обозначения легирующих элементов в металлах и сплавах

ЭлементСимволОбозначение элементов в марках металлов и сплавовЭлементСимволОбозначение элементов в марках металлов и сплавовчерныецветныечерныецветные
Азот N А Неодим Nd Нм
Алюминий А1 Ю А Никель Ni Н
Барий Ва Бр Ниобий Nb Б Нп
Бериллии Be Л Олово Sn О
Бор В р Осмий Os Ос
Ванадии V ф Вам Палладий Pd Пд
висмут Bi Ви Ви Платина Pt Пл
Вольфрам W В Празеодим Pr Пр
Гадолиний Gd Гн Рений Re Ре
Галлий Ga Ги Ги Родий Rh Rg
Гафнии Hf Гф Ртуть Hg Р
Германий Ge Г Рутений Ru Pv
Гольмий Но ГОМ Самарий Sm Сам
Диспрозий Dv ДИМ Свинец Pb С
Европий Eu Ев Селен Se К СТ
Железо Fe Ж Серебро Ag Ср
Золото Au Зл Скандий Sc С км
Индий In Ин Сурьма Sb Cv
Иридий Ir И Таллий Tl Тл
Иттербий Yb ИТН Тантал Та ТТ
Иттрий Y ИМ Теллур Те Т
Кадмий Cd Кд Кд Тербий Tb Том
Кобальт Co К К Титан Ti Т ТПД
Кремний Si С Кр(К) Т'лий Tm ТУМ
Лантан La Ла Углерод С У
Литий Li Лэ Фосфор P п Ф
Лютеций Lu Люн Хром Cr х Х(Хр)
Магний Mg Ш Мг Церий Ce Се
Марганец Mn Г Мц(Мр) Цинк Zn Ц
Медь Cu Д М Цирконий Zr Ц ЦЭВ
Молибден Mo М Эрбий Er Эрм

Источник: http://lkmprom.ru/clauses/materialy/legirovannaya-stal-i-ee-osnovnye-svoystva/

Правильное легирование стали

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.

Нужно различать легирование стали, которая применяется для изготовления инструментов, и той, которая применяется для изготовления полупроводников.

Так, в первом случае требуется повышение именно механических характеристик, а во втором случае требуется повышение токопроводящих свойств. Для этого применяются различные легирующие добавки, а также существенно отличается технологический процесс.

Для того, чтобы иметь понятие о процессах, в данном материале будут вкратце рассмотрены основы легирования металлов для различных технических нужд.

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

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

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

Легирование стали: цели, процесс, назнеачение

Добавление добавок в расплавленный металл

Рекомендуем ознакомиться

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.

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.

Читайте также:  Сверлильно-присадочные станки vitap, scm, griggio: видео, фото

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.

Легирование стали: цели, процесс, назнеачение

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.

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.

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.

Источник: http://tutmet.ru/legirovanie-stali-jelektroiskrovoe-ionnoe-tehnologicheskij-process.html

Сталь и всё о стали

Легирование стали: цели, процесс, назнеачениеОсновной целью легирования конструкционной стали является получение высоких механических свойств. Здесь, однако, возникает вопрос, при каких видах термической обработки достигаются оптимальные свойства.

В случае низкого отпуска наблюдаются исключительно высокие: значения показателей сопротивления деформированию (оs, а8) прю удовлетворительной вязкости, при высоком же отпуске — средние-значения оs и о8, сопровождаемые повышенной ударной вязкостыо (ак) и малой склонностью к хрупкому разрушению.

Что же касается однократной термической обработки, т. е. отжига или нормализации, то после такой обработки общий комплекс механических свойств стали находится на более низком уровне, различающихся между собой по степени легирования. Первая сталь относится к категории сравнительно недорогих, среднелегированных сталей; вторая представляет высоколегированную сталь.

Из сопоставления результатов испытаний на растяжение видно, что эти стали, обладая приблизительно равноценными показателями сопротивлению деформированию (a,, os) и пластичности (о, ф), имеют примерно и одинаковую ударную вязкость при комнатной температуре.

В то же время первая сталь несравненно быстрее переходит в хрупкое состояние при понижении температуры, чем вторая. Это значит, что первая сталь обладает значительно меньшим запасом вязкости и, следовательно, большей склонностью к хрупкому разрушению в реальных условиях службы.

Таким образом, склонность стали к хрупкому разрушению связана с количеством присутствующих легирующих элементов. При этом различные легирующие элементы оказывают неравноценное действие на запас вязкости конструкционной стали.

Наиболее благоприятно в этом отношении влияние никеля, отчасти меди и кремния (в низкоотпущенной стали). Действие Сг, W, Мо положительное, но весьма слабое, а влияние больших количеств марганца даже обратное — отрицательно.

Уменьшение склонности к хрупкому разрушению стали до уровня, обеспечивающего надежную работу ее в заданных условиях реальной службы, составляет третью цель легирования конструкционной стали.

Не останавливаясь на других задачах легирования конструкционной стали менее общего характера, отметим, что состав стали по содержанию легирующих элементов предопределяет также трудности ее изготовления и обработки.

Например, выплавка в основных мартеновских печах стали, содержащей больше 1,7-2,0% Сг, а также более 1,8% Si, сопряжена с технологическими затруднениями и, как правило, сопровождается появлением в производстве повышенного брака. Отсюда при легировании стали химический состав ее должен быть подобран таким образом, чтобы ее изготовление и обработка не вызывали затруднений в производстве.

Источник: https://www.inmetal.ru/75-osnovnye-celi-legirovaniya-konstrukcionnyx-stalej.html

Легирование — это… Что такое Легирование?

Леги́рование (нем. legieren — «сплавлять», от лат. ligare — «связывать») — добавление в состав материалов примесей для изменения (улучшения) физических и химических свойств основного материала. Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур, различают объёмное (металлургическое) и поверхностное (ионное, диффузное и др.) легирование.

В разных отраслях применяются разные технологии легирования.

В металлургии легирование производится в основном введением в расплав или шихту дополнительных химических элементов (например, в сталь — хрома, никеля, молибдена), улучшающих механические, физические и химические свойства сплава.

Для изменения различных свойств (повышения твёрдости, износостойкости, коррозионной стойкости и т. д.) приповерхностного слоя металлов и сплавов применяются также и разные виды поверхностного легирования.

Легирование проводится на различных этапах получения металлического материала с целями повышения качества металлургической продукции и металлических изделий.

При изготовлении специальных видов стекла и керамики часто производится поверхностное легирование. В отличие от напыления и других видов покрытия, добавляемые вещества диффундируют в легируемый материал, становясь частью его структуры.

При изготовлении полупроводниковых приборов под легированием понимается внесение небольших количеств примесей или структурных дефектов с целью контролируемого изменения электрических свойств полупроводника, в частности, его типа проводимости.

Легирование полупроводников

При производстве полупроводниковых приборов легирование является одним из важнейших технологических процессов (наряду с травлением и осаждением).

Цели легирования

Основная цель — изменить тип проводимости и концентрацию носителей в объёме полупроводника для получения заданных свойств (проводимости, получения требуемой плавности pn-перехода). Самыми распространёнными легирующими примесями для кремния являются фосфор Р и мышьяк As (позволяют получить n-тип проводимости) и бор В (p-тип).

Способы легирования

В настоящее время технологически легирование производится тремя способами: ионная имплантация, нейтронно-трансмутационное легирование (НТЛ) и термодиффузия.

Ионная имплантация

Основная статья: Ионная имплантация

Ионная имплантация позволяет контролировать параметры приборов более точно, чем термодиффузия, и получать более резкие pn-переходы. Технологически проходит в несколько этапов:

  • Загонка (имплантация) атомов примеси из плазмы (газа).
  • Активация примеси, контроль глубины залегания и плавности pn-перехода путем отжига.

Ионная имплантация контролируется следующими параметрами:

  • доза — количество примеси;
  • энергия — определяет глубину залегания примеси (чем выше, тем глубже);
  • температура отжига — чем выше, тем быстрее происходит перераспределение носителей примеси;
  • время отжига — чем дольше, тем сильнее происходит перераспределение примеси.

Нейтронно-трансмутационное легирование

При нейтронно-трансмутационном легировании легирующие примеси не вводятся в полупроводник, а образуются («трансмутируют») из атомов исходного вещества (кремний, арсенид галлия) в результате ядерных реакций, вызванных облучением исходного вещества нейтронами. НТЛ позволяет получать монокристаллический кремний с особо равномерным распределением атомов примеси. Метод используется в основном для легирования подложки, особенно для устройств силовой электроники[1].

Когда облучаемым веществом является кремний, под воздействием потока тепловых нейтронов из изотопа кремния 30Si образуется радиоактивный изотоп 31Si, который затем распадается с образованием стабильного изотопа фосфора 31P. Образующийся 31P создаёт проводимость n-типа.

В России возможность нейтронно-трансмутационного легирования кремния в промышленных масштабах на реакторах АЭС и без ущерба для производства электроэнергии была показана в 1980 году. К 2004 году была доведена до промышленного использования технология по легированию слитков кремния диаметром до 85 мм, в частности, на Ленинградской АЭС.[2].

Термодиффузия

Термодиффузия содержит следующие этапы:

  • Осаждение легирующего материала.
  • Термообработка (отжиг) для загонки примеси в легируемый материал.
  • Удаление легирующего материала.

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.

Читайте также:  Фрезерные станки по металлу: классификация, типы, видео

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[3].

Высоко ценилось и природнолегированные стали, изготовленные из руд, изначально богатых легирующими элементами[4]. Повышенная твёрдость и вязкость японских мечей с возможностью обеспечить остроту кромки возможно объясняются наличием в стали молибдена[5].

Современные взгляды о влиянии на свойство стали различных химических элементов начали складываться с развитием химии во второй четверти XIX века[5].

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[5]. 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.

[6] 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[7]. 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.

Альтернативная версия написанного выше:

Марганец и кремний являются постоянными спутниками практически в любой стали, поскольку их специально вводят при её производстве. Кремний, наряду с марганцем и алюминием является основным раскислителем стали. Марганец также используется для «связывания» находящейся в стали серы и устранения явления красноломкости.

Содержание элементов обычно находится в пределах 0,30 — 0,70 % Mn, 0,17-0,37 % Si и порядка 0,03 % Al. В этих пределах они называются технологическими примесями и не являются легирующими элементами.

Специальное введение марганца, кремния и алюминия выше указанных диапазонов для придания стали определённых потребительских свойств уже будет являться легированием[8].

Кремний не является 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 осталась в металле в виде силикатных включений.

Маркировка легированных сталей

Основная статья: Легированная сталь

Марка легированной качественной стали в России состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих её химический состав.

Легирующие элементы имеют следующие обозначения: хром (Х), никель (Н), марганец (Г), кремний (С), молибден (М), вольфрам (В), титан (Т), тантал (ТТ), алюминий (Ю), ванадий (Ф), медь (Д), бор (Р), кобальт (К), ниобий (Б), цирконий (Ц), селен (Е), редкоземельные металлы (Ч).

Цифра, стоящая после буквы, указывает на содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра не указана, то легирующего элемента содержится 0,8-1,5 %, за исключением молибдена и ванадия (содержание которых в солях обычно до 0.2-0.

3 %) А также бора (в стали с буквой Р его должно быть до 0.010 %). В конструкционных качественных легированных сталях две первые цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента. [9]

Пример: 03Х16Н15М3Б — высоколегированная качественная сталь, которая содержит 0,03 % C, 16 % Cr, 15 % Ni, до 3 % Mo, до 1,0 % Nb

Отдельные группы сталей обозначаются несколько иначе:

  • Шарикоподшипниковые стали маркируют буквами (ШХ), после которых указывают содержания хрома в десятых долях процента;
  • Быстрорежущие стали (сложнолегированые) обозначаются буквой (Р), следующая цифра обозначает содержание вольфрама в процентах;
  • Автоматные стали обозначают буквой (А) и цифрой обозначают содержание углерода в сотых долях процента.

Примеры использования

  • Стали
    • 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.
  • Алюминий
  • Бронзы
  • Латуни
  • Стекла

См. также

Примечания

Источник: https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/22119

Назначение легирующих элементов

Никель — дорогой и дефицитный легирующий элемент, вводится в аустенитные жаропрочные стали в количестве не менее 9 % для получения аустенитной структуры. Вместе с никелем вводится хром. Для снижения склонности к межкристаллитной коррозии в аустенитные стали вводится титан и ниобий, которые связывают практически весь углерод в термически устойчивые карбиды.

Избыточное содержание титана и ниобия приводит к образованию интерметаллических соединений и, как следствие, к охрупчиванию стали. Никель повышает коррозионную стойкость аустенитных сталей. В перлитную сталь, идущую для изготовления барабанов, вводится никель в количестве около 1 % для повышения предела текучести и улучшения сопротивлению хрупкому разрушению.

Никель увеличивает пластичность и вязкость стали, снижает температуру порога хладноломкости и уменьшает чувствительность стали к концентраторам напряжений; перечисленные факторы способствуют повышению сопротивления стали хрупкому разрушению.

В качестве примера можно отметить, что введение в сталь 1 % никеля приводит к снижению порога хладноломкости на 60-80 °С, а легирование стали 3- 4 % никеля обеспечивает ей глубокую прокаливаемость.

Хром — повышает жаростойкость и коррозионную стойкость стали, увеличивает ее электрическое сопротивление и уменьшает коэффициент линейного расширения, увеличивает сопротивление ползучести (до 2 % без снижения пластичности), повышает твердость и прочность, незначительно уменьшая пластичность.

Легирование стали хромом приводит к уменьшению склонности аустенитного зерна к росту при нагреве, существенному увеличению ее прокаливаемости, а также к замедлению процесса распада мартенсита. При содержании хрома более 12 % сталь становится коррозионно-стойкой в атмосфере и многих промышленных средах.

Кремний — широко используется при выплавке стали как раскисли- тель. Легирование кремнием углеродистых и хромистых сталей способствует повышению прочности и снижению пластичности. Увеличивается их жаростойкость (окалиностойкость).

Например, сталь с 5 % Сг и 1 % Si в среде печных газов равнозначна по жаростойкости стали с 12 % Сг. Уменьшая подвижность углерода в феррите, кремний тем самым затрудняет формирование и рост цементитных частиц, что проявляется в повышении устойчивости структуры стали при отпуске.

Содержание кремния в стали ограничивают, поскольку он повышает склонность стали к тепловой хрупкости.

Марганец — в количестве до 0,8 % остается в стали после раскисления и уменьшения вредного влияния серы (технологическая примесь).

При большем содержании — легирующий элемент; способствует стабилизации аустенитной структуры, увеличивает прочность и прокаливаемость стали; снижение пластичности стали наблюдается при содержании марганца более 1,5 %.

В высоколегированных жаропрочных сталях марганец применяют для частичной замены дефицитного никеля.

Молибден и вольфрам — повышают прокаливаемость стали (особенно в присутствии никеля), способствуют измельчению зерна и подавлению отпускной хрупкости. Легирование стали молибденом приводит к значительному улучшению ее механических свойств после цементации и нитроцементации.

Читайте также:  Электромагнитная муфта: принцип работы, устройство, характеристики

Молибден повышает жаропрочность сталей всех структурных классов; наиболее благоприятное влияние на жаропрочность оказывает, находясь в твердом растворе; повышает коррозионную стойкость аустенитных сталей в ряде высокоагрессивных сред.

Вольфрам увеличивает жаропрочность высоколегированных сталей и сплавов.

Ванадий — способствует повышению прочности в условиях длительной эксплуатации при высоких температурах. Ванадий измельчает зерно стали и образует очень устойчивые карбиды. Присадка ванадия в количестве более 0,2-0,4 % снижает окалиностойкость.

При введении в сталь ванадия, титана, ниобия образуются труднорастворимые в аустените карбиды.

Эффективность воздействия этих элементов (измельчение зерна, снижение порога хладноломкости, уменьшение чувствительности стали к концентраторам напряжений) проявляется лишь при их малом содержании в стали (до 0,15 %).

При большем количестве они вызывают снижение прокаливаемости и сопротивления стали хрупкому разрушению, что обусловлено выделением по границам зерен значительного количества карбидов типа МеС (VC, TiC и др.). Способствуют уменьшению склонности к межкристаллитной коррозии и увеличению жаропрочности.

Алюминий — в конструкционных сталях применяют как раскисли- тель; уменьшает склонность к росту зерна аустенита; в высоколегированных сталях и сплавах используют для увеличения жаростойкости.

Кремний и алюминий при совместном легировании повышает окалиностойкости хромистых сталей.

На поверхности детали образуется прочная пленка сложного оксида железа, хрома, кремния и алюминия, отличающаяся хорошими защитными свойствами.

Медь — увеличивает антикоррозионные свойства, она вводится главным образом в строительную сталь.

Положительное влияние бора на повышение прокаливаемости и прочности стали проявляется лишь при микролегировании им (0,001- 0,005 %), когда атомы бора располагаются в приграничных слоях зерна аустенита, заполняют вакансии, делая структуру границ более совершенной, и таким образом уменьшают скорость зарождения центров кристаллизации перлита. При повышенном содержании бора он выделяется по границам зерен в виде боридов сильно охрупчивая сталь.

Основное влияние легирующих элементов на некоторые свойства сталей приведено в табл. 7.1

Анализируя влияние легирующих элементов на структуру, прокали- ваемость и свойства стали, следует учитывать, что их содержание должно быть оптимальным для обеспечения предъявляемых к конкретной стали требований по свойствам.

Элемент Растворимость a-Fe, % Растворимость y-Fe, % Склонность к перегреву Прокаливаемость Температуры отжига, нормализации, закалки Твердость и прочность
Алюминий 30 Около 1 % при 1100-1200°С Значительно уменьшает Понижает Значительно повышает Несколько повышает
Бор Увеличивает Увеличивает Повышает Повышает
Ванадий 16 1,1 при 1150 °С Заметно уменьшает Незначительно уменьшает Повышает Повышает
Вольфрам 6 1,5 Уменьшает Увеличивает Повышает Повышает
Кобальт до 80 Не ограничена Мало влияет Уменьшает Мало влияет Слабо повышает
Кремний 15 2 Мало влияет Увеличивает Повышает Повышает
Марганец 12 Не ограничена Увеличивает Увеличивает Понижает Повышает
Молибден 4 2,5 Мало влияет Значительно увеличивает Повышает Повышает
Никель 25 Не ограничена Мало влияет Увеличивает Понижает Повышает
Титан 3 0,65 Уменьшает Уменьшает Значительно повышает Несколько повышает
Хром Не ограничена 12 Несколько уменьшает Увеличивает Повышает Повышает
Элемент Пластические свойства Жаропрочность Окалиностойкость Коррозионно- стойкость
Алюминий Несколько повышает при малом содержании Не влияет Значительно повышает Практически не влияет
Бор Уменьшает Повышает Понижает Ухудшает
Ванадий Повышает Повышает Понижает
Вольфрам Несколько повышает при содержании менее 1 % Повышает Понижает Незначительно ухудшает
Кобальт Мало влияет Повышает Повышает в сочетании с Сг и Ni Повышает
Кремний Понижает Повышает Повышает
Марганец Не снижает до 1,5 % в малоуглеродистой стали Повышает в сочетании с Сг и Ni Незначительно уменьшает
Молибден Повышает при содержании до 0,6 % Повышает Понижает Повышает
Никель Несколько повышает Повышает, Повышает совместно с Сг Повышает
Титан Несколько повышает Повышает Понижает Повышает
Хром Не снижает до 1,5 % Повышает Повышает Повышает

Источник: https://studref.com/520670/tehnika/naznachenie_legiruyuschih_elementov

Легирование

Легирование (в переводе с латинского ligare – «связывать») – это процесс введения в состав материала (металла, сплава, полупроводника) определенных примесей.

  Применяется легирование для изменения или улучшения физических и химических свойств металлов, сплавов. В особенности, для придания металлам и сплавам повышенной коррозионной стойкости.

Металл, подвергшийся легированию, называется легированным.

Легирование  может быть объемным и поверхностным. Объемное легирование предусматривает введение добавок в весь объем металла. Поверхностное же легирование – введение легирующих добавок только в верхний (поверхностный) слой. Существует много технологий легирования, как поверхностного, так и объемного.

Поверхностное обогащение предусматривает проникновение легирующего элемента в слой, глубиной около одного – двух миллиметров.  Для создания определенных свойств на поверхности металла (например, антифрикционных).

Выбор технологии и легирующих добавок во многом зависит от отрасли, в которой металлическое изделие будет использоваться.

Подвергаются легированию различные марки сталей, чугунов, также чистые металлы, полупроводники. Добавки могут быть как металлические (алюминий, никель, хром, цинк, кобальт и др.), так и неметаллические (кремний, сера, фосфор и т.д.).

   Легирующих добавок может быть одна или несколько, которые придают основному металлу специальные свойства.

Изменение  жаростойкости, твердости, коррозионной стойкости, прочности, пластичности и других характеристик – вот основная цель легирования металлов и сплавов.

Легирование является эффективной защитой металлов от коррозии в различных средах, как при обычных температурах, так и при повышенных.

Легирование очень эффективно (в целях повышения коррозионной стойкости), если происходит соединение активного и пассивного металлов.

Образовавшийся сплав отличается устойчивостью к воздействию агрессивных сред за счет способности второго металла легко пассивироваться. Например, легирование железа алюминием либо хромом способствует повышению его сопротивления к окислению.

  Медь и никель  добавляют в основной металл, если необходимо, чтоб он не подвергался атмосферной коррозии.

Легирование стали

Легирование сталей проводится для повышения их коррозионной стойкости и придания некоторых механических свойств. С железом легирующие элементы образуют твердые растворы, а при взаимодействии с неметаллическими включениями в стали – избыточные фазы и неметаллические включения.

Каждая марка стали изготавливается по определенной технологии и химический состав должен соответствовать стандартам. В России и Украине – это ГОСТ, Германии (ФРГ) —  DIN, Чехословакии (Чехии) – CSN, Франции – A.F.N.O.R, США – AISI, в Великобритании – B.S., Швеции – SIS, Венгрии – MSZ и т.д.

Отечественное обозначение сталей  (маркировка) состоит из сочетания цифр и букв. Буквы показывают, какой химический элемент входит в состав данной марки стали. Цифры же – определяют его количество. Легирующим элементам принято присваивать определенную букву из русского алфавита. Вот обозначения некоторых из них:

  • Х – Сr (хром);
  • Ф – W (вольфрам);
  • Н —  Ni (никель);
  • Г – Mn (марганец);
  • С – Si (кремний);
  • М – Мо (молибден);
  • А – N  (азот);
  • Д – Cu  (медь);
  • Ю – Al (алюминий);
  • Т – Тi (титан);
  • Б – Nb (ниобий).

За каждым буквенным обозначением химического элемента, который используется для легирования стали, следует цифровое значение, которое указывает концентрацию данной легирующей присадки. Число, которое стоит с самого начала, дает нам информацию о том, сколько углерода содержит данная марка стали (в сотых долях масс. %).

Такая номенклатура позволяет быстро определять состав стали только по ее названию (марке).

В зависимости от того, сколько содержится в стали легирующих элементов, ее классифицируют на: высоколегированную сталь (больше 10%), среднелегированную сталь (2,5 – 10% легирующих элементов), низколегированную (до 2,5 %).

Источник: https://www.okorrozii.com/legirovanie.html

Основное назначение легирования. Легированные стали. Влияние легирующих элементов на кинетику распада аустенита и на мартенситное превращение

Элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях с целью изменения ее строения и свойств, называются легирующими элементами, а стали — легированными.

Cодержание легируюшихх элементов может изменяться в очень широких пределах: хром или никель — 1% и более процентов; ванадий, молибден, титан, ниобий — 0,1… 0,5%; также кремний и марганец — более 1 %. При содержании легирующих элементов до 0,1 % — микролегирование.

В конструкционных сталях легирование осуществляется с целью улучшения механических свойств (прочности, пластичности). Кроме того меняются физические, химические, эксплуатационные свойства.

Легирующие элементы повышают стоимость стали, поэтому их использование должно быть строго обоснованно.

Достоинства легированных сталей:

  • · особенности обнаруживаются в термически обработанном состоянии, поэтому изготовляются детали, подвергаемые термической обработке;
  • · улучшенные легированные стали обнаруживают более высокие показатели сопротивления пластическим деформациям ();
  • · легирующие элементы стабилизируют аустенит, поэтому прокаливаемость легированных сталей выше;
  • · возможно использование более «мягких» охладителей (снижается брак по закалочным трещинам и короблению), так как тормозится распад аустенита;
  • · повышаются запас вязкости и сопротивление хладоломкости, что приводит к повышению надежности деталей машин.

Недостатки:

  • · подвержены обратимой отпускной хрупкости II рода;
  • · в высоколегированных сталях после закалки остается аустенит остаточный, который снижает твердость и сопротивляемость усталости, поэтому требуется дополнительная обработка;
  • · склонны к дендритной ликвации, так как скорость диффузии легирующих элементов в железе мала. Дендриты обедняются, а границы — междендритный материал — обогащаются легирующим элементом. Образуется строчечная структура после ковки и прокатки, неоднородность свойств вдоль и поперек деформирования, поэтому необходим диффузионный отжиг.
  • · склонны к образованию флокенов.

Флокены — светлые пятна в изломе в поперечном сечении — мелкие трещины с различной ориентацией. Причина их появления — выделение водорода, растворенного в стали.

При быстром охлаждении от 200o водород остается в стали, выделяясь из твердого раствора, вызывает большое внутреннее давление, приводящее к образованию флокенов.

Меры борьбы: уменьшение содержания водорода при выплавке и снижение скорости охлаждения в интервале флокенообразования.

Источник: https://studwood.ru/2137339/tovarovedenie/osnovnoe_naznachenie_legirovaniya_legirovannye_stali_vliyanie_legiruyuschih_elementov_kinetiku_raspada_austenita

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector