Правильное легирование стали. Легирование сталей

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

Общая информация

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

Классификация по назначению

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

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

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

Специальные стали имеют свое разделение, которое предусматривает следующие группы:

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

Группы сталей по химическому составу

Классификацией озвучиваются стали в зависимости от образующих их химических элементов:

Углеродистые марки стали.
Легированные.

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

Что такое легированная сталь?

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

Несколько слов о качестве стали

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

Химический состав.
Однородность структуры.
Технологичность.
Механические свойства.

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

Легированная сталь и изменение ее свойств

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

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

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

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

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

Расшифровка

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

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

Воздействие легирующих элементов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Случайные примеси

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

Заключение

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

В строительстве, промышленности и некоторых направлениях сельского хозяйства можно наблюдать активное применение металлических изделий. Причем один и тот же металл в зависимости от сферы использования раскрывает разные технико-эксплуатационные свойства. Объяснить это можно процессами легирования. Технологической процедуры, в рамках которой базовая заготовка обретает новые качества или улучшается по имеющимся характеристикам. Этому способствуют активные элементы, легирующие свойства которых вызывают химические и физические процессы изменения металлической структуры.

Основные легирующие элементы

Большое, но неоднозначное значение в процессах легирования имеет углерод. С одной стороны, его концентрация в структуре металла порядка 1,2% способствует повышению прочности, твердости и уровня хладноломкости, а с другой - он же снижает теплопроводность и плотность материала. Но даже не это главное. Как и все элементы легирующие, его добавляют при выполнении технологической переработки под сильным температурным воздействием. Однако, далеко не все примеси и активные компоненты сохраняются в структуре после завершения операции. Как раз углерод может оставаться в металле и в зависимости от требуемых характеристик конечного изделия технологи принимают решение о доработке металла или сохранении его текущих качеств. То есть они варьируют уровень содержания углерода посредством специальной операции легирования.

Также в перечень основных элементов легирования можно внести кремний и марганец. Первый вносится в целевую структуру в минимальном проценте (не более 0,4%) и особого влияния на изменение качеств заготовки не оказывает. Тем не менее этот компонент, как и марганец имеет существенное значение как раскисляющее и связующее вещество. Эти свойства легирующих элементов обуславливают базовую целостность структуры, которая еще в процессе легирования делает возможным органичное восприятие других, уже активных элементов и примесей.

Вспомогательные легирующие элементы

В данную группу элементов обычно включают титан, молибден, бор, ванадий и т.д. Наиболее заметным представителем этого звена является молибден, который чаще используют в хромистых сталях. В частности, с его помощью повышается прокаливаемость металла, а также снижается порог хладоломкости. Полезно для строительных марок сталей и применение молибденовых компонентов. Это эффективные легированные элементы в стали, которые обеспечивают динамическую и статическую прочность металлов, устраняя при этом риски внутреннего окисления. Что касается титана, то его применяют нечасто и только для одной задачи - измельчения структурных зерен в хромомарганцевых сплавах. Целенаправленными можно назвать также добавки кальция и свинца. Их используют для металлических заготовок, которые в дальнейшем подвергаются операциям резки.

Классификации элементов легирования

Помимо весьма условного разделения легирующих элементов на основные и вспомогательные, также применяются и другие, более точные признаки различия. Например, по механике воздействия на характеристики сплавов и сталей элементы делятся на три категории:

Оказывающие влияние с образованием карбидов.
С полиморфными превращениями.
С формированием интерметаллических соединений.

Важно учитывать, что в каждом из трех случаев влияние легирующих элементов на свойства интерметаллидов также зависит от сторонних примесей. Например, значение может иметь концентрация того же углерода или железа. Также существует классификация уже элементов полиморфного превращения по характеру воздействия. В частности, выделяются элементы, которые допускают наличие в сплаве легированного феррита, а также их аналоги, способствующие стабилизации оптимального содержания аустенита независимо от температуры.

Влияние легирования на сплавы и стали

Можно выделить несколько направлений, по которым могут быть улучшены качественные характеристики стали. В первую очередь это физические качества, определяющие технический ресурс материала. Легирование в этой части позволяет увеличить прочность, пластичность, прокаливаемость и твердость. Другим направление положительного влияния от легирующих элементов является улучшение защитных свойств. В этом плане стоит выделить сопротивляемость ударам, красностойкость, жаропрочность и высокий порог коррозийного поражения. Для некоторых сфер применения металлы готовят и с учетом электрохимических качеств. В данном случае элементы легирующие могут использоваться для повышения электро- и теплопроводности, сопротивления окислению, магнитопроницаемости и т. д.

Особенности влияния вредных примесей

Типичными представителями вредных примесей являются фосфор и сера. Что касается фосфора, то он при условии соединения с железом способен формировать хрупкие зерна, которые сохраняются после легирования. В итоге полученный сплав утрачивает высокую степень плотности, а также наделяется хрупкостью. Впрочем, соединение с углеродом дает и положительную характеристику, улучшая процесс отделения стружки. Это качество облегчает процессы механической обработки. Сера, в свою очередь, является еще более опасным веществом. Если влияние легирующих элементов на сталь в целом призвано улучшать сопротивляемость материала внешним воздействиям, то данная примесь нивелирует эту группу качеств. Например, ее высокая концентрация в структуре приводит к увеличению истираемости, снижению сопротивления усталости металла и минимизации коррозионной стойкости.

Технология выполнения легирования

Обычно легирование выполняется в рамках металлургического производства и представляет собой внесение в шихту или массу расплава дополнительных элементов, которые рассматривались выше. В результате термической обработки в структуре происходят химические и физические процессы соединения отдельных веществ, а также деформации. Таким образом, элементы легирующие позволяют улучшать качества металлургических изделий.

Заключение

Легирование является сложным технологическим процессом изменения характеристик металла. Сложность его главным образом заключается в первичном подборе оптимальных рецептов для достижения желаемого набора свойств заготовки. Как уже говорилось, влияние легирующих элементов разнопланово и неоднозначно. Один и тот же компонент активной добавки может, например, одновременно улучшать прочность металла и ухудшать его теплопроводность. Задача технологов заключается в разработке выигрышных комбинаций элементов, которые позволят сделать металлическую деталь или конструкцию наиболее приемлемой по своим качествам с точки зрения использования в конкретных целях.

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

1

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

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

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

Элементы для легирования стального сплава

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

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

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

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

2

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

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

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

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

Дисперсионное упрочнение сталей

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

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

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

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

3

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

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

Влияние химических элементов на свойства стали

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

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

Используемые в черной металлургии (т. е. металлургии Fe); кроме Fe сюда входят Mn, Ti и Сr; иногда к ним неправильно относят и легирующие металлы примеси (W, Mo, Ni, Co). Геологический словарь: в 2 х томах. М.: Недра. Под редакцией К. Н.… … Геологическая энциклопедия

Железо и его сплавы, важнейшие конструкционные материалы в технике и промышленном производстве. Из сплавов железа с углеродом, называемых сталями, изготавливаются почти все конструкции в машиностроении и тяжелой промышленности. Легковые, грузовые … Энциклопедия Кольера

легирующие элементы - химические элементы, преимущественно металлы, вводимые в состав сплавов для придания им определенных свойств (Смотри Легирование). Основные легирующие элементы в стали и чугуне Cr, Ni, Mn, Si, Mo, W, V, Ti, Zr, Nb, Co, Al, Cu …

- (от греч. metallon первоначально, шахта, копи), в ва, обладающие в обычных условиях характерными, металлическими, свойствами высокими электрич. проводимостью и теплопроводностью, отрицат. температурным коэф. электрич. проводимости, способностью… … Химическая энциклопедия

Химические элементы, преимущественно металлы, вводимые в состав сплавов для придания им определённых свойств (см. Легирование). Основные Л. э. в стали и чугуне Cr, Ni, Mn, Si, Мо, W, V, Ti, Zr, Be, Nb, Co, Al, Cu, B, Mg; в алюминиевых… … Большая советская энциклопедия

легирующие примеси - элементы, специально вводимые в металлы и сплавы в определенных количествах с целью изменения их структуры и свойств (Смотри также Легирующие элементы, Легирование). Смотри также: Примеси случайные примеси постоянные примеси … Энциклопедический словарь по металлургии

Все металлы, кроме черных железа и его сплавов (сталь, чугун, ферросплавы). К черным металлам часто условно относят также металлы Сr и Мn, к рые в осн. используют в качестве добавок к железу, но правильнее относить их в отдельную группу Ц. м.… … Химическая энциклопедия

ГОСТ 16482-70: Металлы черные вторичные. Термины и определения - Терминология ГОСТ 16482 70: Металлы черные вторичные. Термины и определения оригинал документа: 45. Брикетирование металлической стружки Ндп. Брикетировка Переработка металлической стружки прессованием с целью получения брикетов Определения… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

тугоплавкие металлы - металлы, у которых tпл > fFe = 1539 °С (например, Cr, V, W, Mo, Nb и др.); применяют как легирующие добавки в стали, а также в качестве основы соответствующих специальных сплавов; Смотри также: Металлы щелочные металлы … Энциклопедический словарь по металлургии

Tramp alloys Случайные легирующие элементы. Остаточные легирующие элементы, которые содержатся в неконтролируемых легированных стальных отходах, загружаемых в сталелитейную печь. (