Легирование сталей: Легирование

alexxlab | 12.07.2021 | 0 | Разное

Содержание

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.

Классификация легированной стали

Легированной называется сталь Р6М5, Р6М5Ф3, 5ХНМ, 4Х5МФС, Р18, Р7М2Ф6, Р12МФ5, Х12МФ, 3Х3М3Ф и многих других марок, в процессе производства которой в расплавленную сталь вводятся в строго определенном количестве специальные элементы, называемые легирующими, и способные обеспечить те или иные необходимые свойства, предъявляемые стали.

Легированной называется сталь Р6М5, Р6М5Ф3, 5ХНМ, 4Х5МФС, Р18, Р7М2Ф6, Р12МФ5, Х12МФ, 3Х3М3Ф и многих других марок, в процессе производства которой в расплавленную сталь вводятся в строго определенном количестве специальные элементы, называемые легирующими, и способные обеспечить те или иные необходимые свойства, предъявляемые стали. Легирующие элементы предназначены для повышения коррозионной стойкости и прочности стали, а также  для снижения возможности хрупкого разрушения.

Процесс легирования

Процесс легирования стали может быть проведен на различных этапах производственного процесса и сводится к введению соответствующих легирующих элементов в расплавленную шихту или железо. В процессе легирования стали, легирующие элементы, вводимые в сталь, образуют химические соединения с основой стали, имеющие особый характер. Эти элементы (нитридные, интерметаллидные и карбидные) обладают повышенной прочностью и твердостью, а также жаропрочностью и химической стойкостью и т.п.

Именно необходимое количество и соответствующее равномерное распределение этих элементов по всему объему и обеспечивает в процессе легирования стали всех марок (Р6М5, Р6М5Ф3, Р18, Р7М2Ф6, 4Х5МФС, Р12МФ5, Х12МФ, 3Х3М3Ф и других) требуемые для нее свойства.
Следует отметить, что в процессе легирования стали чистые металлические элементы не используются. С этой целью используются сплавы железа (ферросплавы) и вспомогательные сплавы (лигатуры), что является экономически выгодным и позволяет избежать целого ряда технологических сложностей в процессе легирования.

Классификация легированных сталей

Следует отметить, что легированная сталь всех марок (Р6М5, Р6М5Ф3, Р18, 4Х5МФС, Р12МФ5, Х12МФ, 3Х3М3Ф и других) классифицируется по целому ряду критериев, основными из которых служат:

  • количество содержащихся легирующих элементов;
  • назначение стали;
  • способ дальнейшей обработки;
  • качество изготовления;
  • качество и отделка поверхности и другие.

Таким образом, по количеству легирующих элементов легированная сталь подразделяется на:

  • высоколегированную, с массой легирующих добавок более 10 % от общей массы;
  • среднелегированную, с массой легирующих добавок от 2 до 10 % от общей массы;
  • низколегированную, с массой легирующих добавок от 2,5 % от общей массы.

По назначению легированная сталь подразделяется по группам:

  • группа 1 (8ХФ, Х12МФ,7ХГ2ВМФ, ХВГ и многие другие) - для изготовления инструмента для обработки материалов (металлов) в холодном состоянии;
  • группа II (3Х3М3Ф, 4Х4ВМФС, Х3В3МФС и многие другие) - для изготовления инструмента для обработки материалов (металлов) давлением при температурах выше 300°С;
  • быстрорежущая сталь (Р6М5, Р18, Р12МФ5 и другие) – для изготовления режущего инструмента (фрезы, сверла развертки, зенкеры, метчики и др.)

Каждый вид легированной стали предназначен для использования в определенных сферах деятельности человека, в зависимости от потребностей дальнейшей обработки материала.

Нашли опечатку в тексте? Выделите её и нажмите ctrl+enter

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.

теория и практика (Обзор.Часть 2)

 

Рассмотрены особенности легирования металлических материалов азотом, в том числе и из газовой фазы при плазменно-дуговом переплаве. В отличие от других легирующих элементов азот в стандартных условиях находится в газообразном состоянии. Поэтому использование его как легирующего элемента имеет свои особенности. Показано, что скорость абсорбции азота при ПДП чрезвычайно высока и это позволяет получать слитки, в которых содержание азота превышает стандартную растворимость газа в жидкой стали при температуре ликвидуса. Влияние азота как легирующего элемента сравнимо с влиянием углерода. На ряде примеров показано, что используя метод плазменно-дугового переплава представляется возможным в промышленных масштабах легировать стали азотом до концентраций, значительно превышающих его стандартную растворимость в металле. Выплавленные в плазменно-дуговых печах слитки отличаются высоким качеством поверхности и имеют плотную макроструктуру несмотря на высокое содержание азота. Растворенный в металле азот достаточно равномерно распределен в объеме слитков.

 

Peculiar features of alloying the metallic materials with nitrogen are considired, including that from a gas phase in plasma-arc remelting. Unlike the other alloying elements the nitrogen under the standard conditions is in a gaseous state. Therefore, its use as an alloying element has its peculiaries. It is shown that the rate of nitrogen absorption in PAR is rather high and this allows producing ingots, in which the nitrogen content exceeds the standard solubility of gas in molten steel at the liquidus temperature. The effect of nitrogen as an alloying element is comparable with the effect of carbon. It is shown on some examples, that when the method of plasma-arc remelting is used it seems possible to alloy steel with nitrogen in industrial scales up to concentrations, much exceeding its standar solubility in metal. Ingots, melted in plasma-arc furnaces, are characterized by the high quality of surface and have a dense macrostructure in spite of the nitrogen content. Nitrogen, dissolved in metal, is distributed in the ingot volume rather uniformly.

 

Расшифровка марок сталей. Влияние легирующих элементов.

Расшифровка марок сталей не очень сложное дело, если знать какими буквами принято обозначать те или иные химические элементы, входящие в состав марки или сплава.

Приводим список легирующих элементов и их обозначение:

Х - обозначается хром,

Н - никель,

К - кобальт,

М - молибден,

В - вольфрам,

Т - титан,

Д - медь,

Г - марганец,

С - кремний,

Ф - ванадий,

Р - бор,

А - азот,

Б - ниобий,

Е - селен,

Ц - цирконий,

Ю - алюминий,

Ч - показывает о наличии редкоземельных металлов

Также существуют свои обозначения для разных типов сталей в зависимости от их состава и предназначения.

Буквенные обозначения применяются также для указания способа раскисления стали:

КП — кипящая сталь

ПС — полуспокойная сталь

СП — спокойная сталь

Конструкционные стали обыкновенного качества нелегированные обозначают буквами Ст. (например, Ст.3; Ст.3кп)

Цифра, стоящая после букв, условно обозначает процентное содержание углерода в стали (в десятых долях), индекс кп указывает на то, что сталь относится к кипящей, т.е. неполностью раскисленная в печи и содержащая незначительное количество закиси железа, что обусловливает продолжение кипения стали в изложнице. Отсутствие индекса означает, что сталь спокойная.

ЛЕГИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ПРИМЕСИ

К легирующим элементам относят: хром, никель, молибден, ванадий, вольфрам, титан, а также марганец и кремний при определенном их содержании.

Хром (Х) в низкоуглеродистых сталях содержится до 0,3 %, в конструкционных 0,7 —3,5%, в хромистых 12—18%, в хромоникелевых 9 — 35 %. При сварке хром образует карбиды хрома, ухудшающие коррозионную стойкость стали и резко повышающие твердость в зонах термического влияния; содействует образованию тугоплавких окислов, затрудняющих процесс сварки.

Никель (Н) в низкоуглеродистых сталях имеется в пределах 0,2 — 0,3%, в конструкционных 1-5%, в легированных 8 — 35%. В некоторых сплавах содержание никеля достигает 85 %. Никель увеличивает пластические и прочностные свойства стали, измельчает зерна, не ухудшая свариваемости.

Молибден (М) в стали ограничивается 0,15—0,8%. Он увеличивает несущую способность стали при ударных нагрузках и , высоких температурах, измельчает зерно; способствует образованию трещин в наплавленном металле и в зонах термического влияния; при сварке активно окисляется и выгорает.

Ванадий (Ф) в специальных сталях содержится в пределах 0,2 —0,8%, в штамповых сталях 1 — 1,5%. Он способствует закаливаемости стали, чем затрудняет сварку. В процессе сварки активно окисляется и выгорает.

Вольфрам (В) в инструментальных и штамповых сталях содержится в пределах 0,8—18%. Вольфрам резко увеличивает твердость стали и ее работоспособность при высоких температурах (красностойкость), но затрудняет процесс сварки, так как сильно окисляется.

Титан (Т) вводят в коррозионно-стойкие и жаропрочные стали для повышения коррозионных свойств (0,5—1,0%).

Ниобий (Б) вводят в коррозионно-стойкие и жаропрочные стали для повышения коррозионных свойств (0,5—1,0%). При сварке коррозионно-стойких сталей типа 12Х18Н9 ниобий способствует образованию горячих трещин.

Углерод — одна из наиболее важных примесей, определяющих прочность, вязкость, закаливаемость и особенно свариваемость стали. Содержание углерода в обычных конструкционных сталях в пределах до 0,25 % не ухудшает свариваемости. При более высоком содержании свариваемость стали резко ухудшается, так как в зонах термического влияния образуются структуры закалки, приводящие к трещинам. Повышенное содержание углерода в присадочном материале вызывает при сварке пористость металла шва.

Марганец (Г) содержится в стали в пределах 0,3 — 0,8 %. Процесс сварки он не затрудняет. При сварке среднемарганцовистых сталей (1,8—2,5% Мп) возникает опасность появления трещин в связи с тем, что марганец способствует увеличению закаливаемости стали. В сталях типа Г13Л с содержанием марганца в пределах 11 — 16% при сварке происходит интенсивное выгорание марганца, для предотвращения которого требуются специальные меры.

Кремний (С) находится в стали в пределах 0,02 — 0,3%. Он не вызывает затруднений при сварке. В специальных сталях при содержании кремния 0,8—1,5% условия сварки ухудшаются из-за высокой жидкотекучести кремнистой стали и образования тугоплавких окислов кремния.

Легирование стали: в чем заключается цель, процесс, способы

29Янв

В зависимости от назначения материала и специфических условий эксплуатации, бывают разные способы изготовления стальных элементов. В статье расскажем, в чем заключается процесс легирования металлов и сталей, с какой целью проводят, что используют для процедуры.

Интересно, что легированные инструменты для резки были созданы еще в 19 веке ученым Мюшеттом вместе с созданием металлорежущих станков. А Роберт Гадфильд уже в 20 веке поставил изготовление на промышленные рельсы, теперь такой состав применяется повсеместно. При этом марка, разработанная в то время, практически не потерпела изменений в рецептуре. Делаются только небольшие изменения, которые подготовлены специально для особых назначений, например, устойчивость к экстремально низким или высоким температурам.

Легированная сталь – это сплав, который содержит большое количество примесей, увеличивающих прочность, пластичность, коррозионную устойчивость и прочие свойства. Она активно применяется для изготовления инструментов и полупроводников, поскольку учитываются не только механические характеристики, но и токопроводящие.

Важно при создании не только то, какие вещества добавляются в качестве примесей (алюминий, никель, хром и др), но и технология производства. В зависимости от преобладающей легирующей добавки марки имеют названия – хромистая сталь, хромоникелевая, хромованадиевая и пр. Использование стальных конструкций и деталей происходит практически во всех производственных сферах – от обычного бытового строительства до нефтяной и металлургической отраслей.

Содержание статьи

    1. Процесс легирования
    2. Свойства и назначение
    3. Риски
    4. Практическое применение легирующих добавок
    5. Черные сплавы
    6. Цветные сплавы
    7. Нержавеющая сталь
    8. Классификация легированных сталей
    9. Маркировка легированных сталей
    10. ГОСТ 4543-71 Прокат из легированной конструкционной стали
    11. Разница между легированием и примесями

Процесс и основы легирования сталей

Различают два основных способа:

  • Поверхностное. В такой ситуации добавки легируется исключительно верхний слой – его ширина зависит от многих факторов, в том числе от требуемых характеристик. В среднем толщина не превышает 1-2 мм. Так на поверхности образуется пленка, которая обладает необходимыми свойствами, например, антифрикционными. Такой вариант является относительно недорогим, но качественным (лучше, чем, например, напыление). Его используют не только для металлов, но и для работы с керамическими и стеклянными изделиями.

  • Объемное. Оно предполагает введение дополнительных веществ непосредственно в весь объем сплава. Процесс может быть осуществлен на различных стадиях выплавки с добавлением различных элементов – как металлов, так и не металлических, наиболее распространенным из которых является фосфор.

Изменения происходят на микроструктурном уровне. Они, в свою очередь, изменяют физико-химические особенности всего стального элемента.

Отдельно стоит рассказать про легирование полупроводников. Оно проводится с помощью таких способов как:

  • термодиффузия – используется разность температур для диффузионного процесса;

  • нейтронно-трансмутационный процесс – активно применяется для кремния, полупроводников;

  • ионная имплантация – в поверхностный слой бомбардируются пучки ионов.

Таким образом, вне зависимости от того, что используется (ядерные реакции, тепло или энергия ионов), есть несколько стадий процесса – подготовительная, нанесение слоя из различных прибавок, а также финишная, которая состоит в дополнительном воздействии.

Свойства и назначение: с какой целью осуществляется легирование сталей

С развитием промышленности активно увеличивается количество необходимых разновидностей металлических составов. В зависимости от того, какие свойства необходимо получить, могут быть добавлены разные элементы – хром, кремний, медь и пр. Насколько различные имеют свойства эти вещества, настолько и разнообразны полученные эффекты. Очень важно при этом достигнуть необходимых пропорций. Именно по этому свойству все сплавы классифицируются – по базовой примеси, а те компоненты, которые находятся в наименьшем количестве, называются вторичными ингредиентами.

Железо, которое берется за основу, на самом деле не очень прочное. Оно нуждается в обработке и улучшении. самый стандартный, привычный способ – это добавка углерода во время нагрева с последующим быстрым охлаждением. И в зависимости от того, какое процентное соотношение этого вещества (от 0,1 до 1,15 процента от состава, можно различать мягкую, полумягкую, полутвердую и твердую сталь.

Риски при легировании

К сожалению, любые химические добавки при определенных условиях могут быть не столько полезными, сколько воздействовать негативно. Так, например, один компонент, который увеличивает твердость одновременно может повысить хрупкость. Есть еще несколько угроз, вот они:

  • большинство ферросплавов изготавливается в очень мелких частицах, фактически это металлическая пыль, которая является взрывоопасной – пожар, токсичность, взрывы, это все может привести к повышенным рискам;

  • пары, которые могут образовываться во время производственных процессов, негативно воздействуют на здоровье – мельчайшие частицы пыли могут оседать на легких;

  • если в сплав добавлено олово в сочетании со свинцом, то нужно быть особенно осторожным при нагреве, поскольку состав является токсичным при воздействии высоких температур.

Практическое применение: что дает легирование стали

Получаемых характеристик настолько много, что все это зависит от конкретного случая. Мы приведем несколько конкретных ситуаций:

  • Повышение твердости. Это необходимо особенно для базовых металлических конструкций, чтобы они могли выдерживать очень высокие, особенно статичные нагрузки. Для этого зачастую добавляют платину.

  • Ферромагнитные свойства. Чтобы добиться того, чтобы железо потеряло свои магнитные качества, необходимо, чтобы сплав содержал кобальт.

  • Чтобы серебро не тускнело, а также не подвергалось коррозии, можно прибавить родий. Он может также быть дополнен палладием или платиной, чтобы увеличить его прочность.

  • Использование меди в качестве легирующей добавки – повышение коррозионной стойкости. Второе применение – для серебряных изделий, поскольку серебро само по себе слишком мягкое.

  • Повышение твердости и прочности без изменения уровня пластичности. Возможно, когда ионы кристаллической решетки железа замещаются атомами легирующего элемента.

  • Растворение в составе определенных неметаллов приводит к тому, что они буквально вытесняют вредные примеси, существенно влияющие на качества изделий.

  • Изменение зернистости сплава. Это может стать причиной увеличения пластичности, небольшой анизотропности после прокатки.

Это неполный перечень ситуаций, во время которых применяется данная процедура.

Назначение и применение очень разнообразно. Одним из основных можно отметить – изготовление инструмента для металлообработки. В зависимости от использования все способы легирования сталей делятся на три вида – это конструкционная, инструментальная и особого назначения.

Черные сплавы

Это металлы, которые имеют в основе железо. Распространенным вариантом является чугун, который из-за большого содержания углерода не только очень прочный, но и хрупкий. Вся эта категория имеет не самые высокие механические свойства (кроме отборной стали), но из-за своей невысокой стоимости, а также из-за достаточно простого изготовления путем отлива все черносплавные материалы обладают очень большим производством.

Цветные сплавы

Это составы, в основе которых все остальные металлы, кроме железа. Все они подразделяются на легкие и тяжелые. Первые имеют невысокую плотность до 5 мг на кубический сантиметр. Они основываются на магние, титане и алюминие. Вторые, напротив, более плотные (от 5 мг/см3 и выше), они основываются на меди и цинке. В них входят бронзы – оловянные и безоловянные – и латуни. Практически все из перечисленных материалов имеют следующие характеристики:

  • устойчивость к коррозии, что позволяет использовать сплав даже в условиях повышенной влажности и при постоянном контакте с кислородом;

  • высокая теплопроводность и электропроводность – именно это позволяет использовать вещество при изготовлении электрических деталей, элементов, контактов, проводов;

  • малая плотность и, как следствие, вес;

  • простой и отлаженный процесс изготовления.

Нержавеющая сталь

Всем известная нержавейка также относится к легированным сталям. Она является настолько универсальной, что применяется буквально повсеместно – от изготовления обычной посуды для бытового использования до специфических отраслей металлургии. Основная особенность состава, которая лежит и в его названии, это устойчивость к коррозии. Но, кроме этого, есть еще несколько особых характеристик:

  • Эстетичный внешний вид. Так как можно использовать легирование стали с различной сущностью технологических процессов, то и получить можно поверхность качественно различных характеристик. Это может быть глянцевый блеск или матовое отражение, нанесенная гравировка. На верхний слой очень легко нанести узор, а также произвести окрашивание. Все это позволяет использовать материал не только в производственных целях, но и при декоративной отделке помещений, при создании мебели.

  • Отличные механические свойства. Высокая прочность, износостойкость, неподверженность сильным температурным перепадам, эластичность, ударопрочность – все это делает изделия применимыми в большой сфере производства. Особенно стоит отметить то, что при низких температурах (мороз) не увеличивается хрупкость,поэтому можно работать с нержавейкой даже зимой.

  • Огнеупорность. Это качество обнаруживается из-за высокой температуры плавления – до 800 градусов. Поэтому даже при постоянном контакте с огнем не выделяется токсичных испарений, а также не происходит деформаций.

  • Устойчивость к коррозии. Как мы отметили, одно из основных свойств. Оно достигается тем, что в сплаве находится хром в достаточно большом количестве – от 10,5%. Он вступает в химическую реакцию с кислородом и приводит к образованию оксидной пленки. Именно этот оксид и является защитой от ржавления.

Есть и некоторые недостатки. Так, например, достаточно сложно обрабатывать нержавейку. Многие отмечают сложности при образовании сварного шва.

Классификация легированных сталей

Есть три степени легирования, согласно которым меняется процентное содержание добавочных веществ. Отсюда материал может быть:

  • низколегированным – до 2,5% примесей в составе;

  • среднелегированным – до 10%;

  • высоколегированным – до 50% добавок.

Различается также молекулярная структура, согласно ей все сплавы классифицируют на:

  • мартенситные – с полностью такой зернистостью;

  • ферритные;

  • аустенитные, а также различные виды комбинированных сталей.

Наиболее часто в качестве примеси используется углерод, он отвечает за повышенную прочность и стойкость к ударам. В связи с этим классифицируют сплавы:

  • низкоуглеродистые – до 0,25% содержания;

  • среднеуглеродистые – до 0,65%;

  • высокоуглеродистые – более 0,65%.

Структура также подразумевает деление на следующие классы:

  • доэвтектоидные – в сплаве есть участки феррита;

  • эвтектоидные – в основе перлит;

  • ледебуритные или заэвтектоидные – с первичными/вторичными карбидами.

Также мы уже отмечали, что по назначению все делятся на:

  • конструкционные – они, в свою очередь, подразделяются на строительные и машиностроительные;

  • инструментальные – для создания инструментов металлообработки;

  • с особыми свойствами, в том числе устойчивые к температурным перепадам, огнестойкие и другие.

Отдельно различают:

  • жаропрочные – в них добавляют хром, ванадий, молибден, они используются в сфере энергетики, а также для других отраслей с высокими температурными показателями;

  • улучшаемые – их дополнительно подвергают термообработке, обычно закалке, они отличаются повышенной прочностью и чувствительностью к концентрации напряжения;

  • цементуемые – они сперва проходят цементацию, а уже после этого закалку, отлично подходят для производства шестерен, валов и прочих элементов, для которых важна износостойкость;

  • быстрорежущие – очень большая твердость и красностойкость до высокой температурной границы;

  • нержавеющие – имеют покрытие из оксидной пленки, предотвращающее ржавление;

  • с улучшенными магнитными или электрическими качествами.

Если более подробно классифицировать легированные стали строительного назначения, то различают:

  • массовые – применяются фактически всюду;

  • мостостроительные;

  • судостроительные – очень устойчивы ко хрупкому разрушению;

  • для горячего водоснабжения и пара – относится к жаропрочным;

  • низкоопущенные – активно используются в самолетостроении и пр.

Кроме того, все сплавы можно классифицировать по основной примеси, а также делить на двухкомпонентные, трехкомпонентные и так далее по конкретной рецептуре.

Маркировка легированных сталей

Так как данный класс материалов очень обширен, то возникла необходимость в обозначении отдельных элементов. К сожалению, нет единых во всем мире правил по тому, как ставить клеймо. Мы будем перечислять правила, характерные для российского производства.

В основе маркировке – цифры и буквы. Литеры могут означать особые свойства или принадлежность к узкому классу, но наиболее часто они отвечают за компонент, который находится в составе:

  • А – азот.

  • К – кобальт.

  • С – кремний.

  • Т – титан.

  • Е – селен.

  • Б – ниобий.

  • Г – марганец.

  • М – молибден.

  • П – фосфор.

  • Ф – ванадий.

  • Ц – цирконий.

  • В – вольфрам.

  • Д – медь.

  • Н – никель.

  • Х – хром.

  • Р – бор.

  • Ю – алюминий.

Российский государственный стандарт

За маркировку отвечает ГОСТ 4543-71. Согласно документу, по букве, которая стоит спереди, можно определить, к какому классу относится вещество:

  • Ж – нержавеющий сплав.

  • Х – хромистый.

  • Е – магнитный.

  • Я – хромоникелевая нержавейка.

  • Ш – шарикоподшипниковый.

  • Р – инструментальный быстрорежущий.

  • А – высококачественный.

  • Н – полученный нагартованным прокатом.

  • ТО – способ термической обработки.

Также следует смотреть на цифры. Первая позволяет понять, сколько в составе углерода, а затем вместе с буквой стоит процент содержания другой легирующей добавки.

Вот пример маркировки хромистого соединения:

Разница между легированием и примесями

Добавки вводятся специально в значительном количестве (более 0,1% от всего состава), их влияние на результат высоко. В то время как нечаянные примеси – это неизбежные, зачастую оказывающие вредное воздействие вещества, которые примешиваются в малом количестве. И чем выше качество материала, тем их меньше.

Например, для легирования сталей с целью последующей холодной штамповки используют хром (до 12%) – это, безусловно, добавка. В качестве завершения статьи посмотрим несколько видео:

2019-1-84

Фундаментальные проблемы современного материаловедения,  2019,  том 16,  №1, 84-90

 

С.В. Коваленко1, А.В. Козырь2, Л.А. Коневцов3, С.В. Коновалов4, Е.Д. Крюкова4

Исследование формирования легированного слоя и его свойств при электроискровом легирование сталей 35 и Х12Ф1 твёрдым и модифицированным твёрдым сплавом

1Тихоокеанский государственный университет, ул. Тихоокеанская, 136, 680035, Хабаровск, Россия
2Амурский государственный университет, Игнатьевское шоссе, 21, 675027, Благовещенск, Россия
3Институт материаловедения Хабаровского НЦ ДВО РАН, ул. Тихоокеанская, 153, 680042, Хабаровск, Россия
4Самарский национальный исследовательский университет имени ак. С.П. Королева, ул. Московское шоссе, 34, 443086, Самара, Россия
Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

Показаны результаты сравнительного исследования формирования защитного слоя и его свойств методом электроискрового легирования (ЭИЛ) при использовании в качестве подложки углеродистой стали 35 и хромистой инструментальной стали Х12Ф1 с использованием анодных материалов из вольфрам содержащих твёрдых сплавов, промышленного на основе WC-Co8% и полученного в лабораторных условиях никель-хромового твёрдого сплава с самофлюсующимися добавками WC-Co8%-(Ni-Cr-B-Si)20%. Показаны результаты кинетических исследований процессов эрозии анода и массопереноса на катоде при механизированном ЭИЛ сталей 35 и Х12Ф1 исследуемыми анодными материалами. Установлено, что наибольший суммарный привес до появления порога хрупкого разрушения наблюдается при ЭИЛ обеих сталей модифицированным сплавом WC-Co8%-(Ni-Cr-B-Si)20%. Продемонстрированы результаты гранулометрического состава продуктов эрозии, которые показывают зависимость от химического и фазового составов, физико-химических свойств анодного материала, его структуры, режима обработки. Приведены соотношения жидкой и твёрдой фаз продуктов эрозии, а также их гранулометрический состав при механизированном ЭИЛ сталей 35 и Х12Ф1. Проведены сравнительные испытания на износостойкость после электроискрового легирования, которые проводили в условиях трения без смазки по схеме «вал-колодка». Результаты исследования износостойкости поверхностей показали значительное её повышение в сравнении с поверхностями без электроискрового легирования, при этом лучшие значения износостойкости получены с применением стали Х12Ф1 и полученного анодного материала. Установлено, что модифицирование твёрдого сплава ВК8 введением самофлюсующейся составляющей (Ni-Cr-B-Si), позволяет повысить кинетические показатели формирования легированного слоя при ЭИЛ, его износостойкость. По результатам сравнительных испытаний электроискрового легирования сталей исследуемыми анодными материалами показаны величины показателей эффективности электроискрового легирования.

Ключевые слова: электроискровое легирование, поверхность, сталь, электродные материалы, анодный материал, самофлюсующиеся добавки, легированный слой, кинетические исследования, гранулометрический состав, продукты эрозии, износостойкость.

УДК 621.9.048.4

DOI: 10.25712/ASTU.1811-1416.2019.01.012


 

Fundamental’nye problemy sovremennogo materialovedenia

(Basic Problems of Material Science (BPMS)) Vol. 16, No.1 (2019) 84-90

 

S.V. Kovalenko1, A.V. Kozyr2, L.A. Konevtsov3, S.V. Konovalov4†, E.D. Kriukova4

The study of the formation of the doped layer and of the properties of electro-spark alloying of steels 35 and Kh22F1 solid and modified alloys

1Pacific National University, Tihookeanskaya Str., 136, Khabarovsk, 680035, Russia
2Amur State University, Ignatievskoe highway, 21, Blagoveshchensk, 675027, Russia
3Institute of Materials Science of Khabarovsk SC FEB of the RAS, Tihookeanskaya Str., 153, Khabarovsk, 680042, Russia
4Samara National Research University, Moskovskoye shosse, 34, Samara, 443086, Russia

The results of a comparative study of the formation of a protective layer and its properties by the method of electrospark doping (ESA) using carbon steel 35 and chromium tool steel Kh22F1 as the substrate using tungsten-containing anodic materials containing solid alloys, industrial based on WC-Co8% and nickel-produced chrome hard alloy with self-fluxing additives WC-Co8%-(Ni-Cr-B-Si) 20%. The results of the kinetic processes of anode erosion and mass transfer at the cathode with the mechanized ESA of the 35 and Kh22F1 steels studied by the anode materials are shown. The greatest total weight gain before the brittle fracture threshold appears when ESA of both steels is modified by the modified WC-Co8%-(Ni-Cr-B-Si)20% alloy. The results of the particle size distribution of the products of erosion are demonstrated, which show the dependence on the chemical and phase compositions, the physicochemical properties of the anode material, its structure, and the processing mode. The ratios of the liquid and solid phases of the products of erosion, as well as their particle size distribution with mechanized ESA of steels 35 and Kh22F1, are given. Comparative tests for wear resistance after electric-spark doping, which were carried out under conditions of friction without lubrication according to the «shaft-block» scheme, were carried out. The results of the study of the wear resistance of surfaces showed a significant increase in comparison with surfaces without electrospark alloying, with the best values of wear resistance obtained using Kh22F1 steel and the anodic material obtained. It was established that the modification of the VK8 hard alloy by introducing a self-fluxing component (Ni-Cr-B-Si) allows to increase the kinetic indicators of the formation of the doped layer during ESA, its wear resistance. According to the results of comparative tests of electrospark alloying of steels by the anodic materials under study, the values of the indicators of the efficiency of electrospark alloying are shown.

Keywords: electrospark doping, surface, steel, electrode materials, anode material, self-fluxing additives, doped layer, kinetic studies, particle size distribution, erosion products, wear resistance.

сталь | Состав, свойства, типы, марки и факты

Основной металл: железо

Изучение производства и структурных форм железа от феррита и аустенита до легированной стали.

Железная руда - один из самых распространенных элементов на Земле, и одно из основных ее применений - производство стали. В сочетании с углеродом железо полностью меняет характер и становится легированной сталью.

Encyclopædia Britannica, Inc. Посмотреть все видео к этой статье

Основным компонентом стали является железо, металл, который в чистом виде не намного тверже меди.За исключением крайних случаев, железо в твердом состоянии, как и все другие металлы, является поликристаллическим, то есть состоит из множества кристаллов, которые соединяются друг с другом на своих границах. Кристалл - это упорядоченное расположение атомов, которое лучше всего можно представить в виде соприкасающихся друг с другом сфер. Они упорядочены в плоскостях, называемых решетками, которые определенным образом пронизывают друг друга. Для железа структуру решетки лучше всего представить единичным кубом с восемью атомами железа в углах. Для уникальности стали важна аллотропия железа, то есть его существование в двух кристаллических формах.В объемно-центрированном кубе (ОЦК) в центре каждого куба находится дополнительный атом железа. В расположении гранецентрированного куба (ГЦК) есть один дополнительный атом железа в центре каждой из шести граней единичного куба. Важно отметить, что стороны гранецентрированного куба или расстояния между соседними решетками в ГЦК-схеме примерно на 25% больше, чем в ОЦК-схеме; это означает, что в структуре ГЦК больше места, чем в структуре БЦК, для хранения посторонних ( i.е., легирование ) атомов в твердом растворе.

Железо имеет аллотропию ОЦК ниже 912 ° C (1674 ° F) и от 1394 ° C (2541 ° F) до точки плавления 1538 ° C (2800 ° F). Называемое ферритом, железо в его ОЦК-образовании также называется альфа-железом в более низком температурном диапазоне и дельта-железом в более высокотемпературной зоне. Между 912 ° и 1394 ° C железо находится в порядке ГЦК, которое называется аустенитом или гамма-железом. Аллотропное поведение железа сохраняется, за некоторыми исключениями, в стали, даже когда сплав содержит значительные количества других элементов.

Существует также термин бета-железо, который относится не к механическим свойствам, а к сильным магнитным характеристикам железа. При температуре ниже 770 ° C (1420 ° F) железо является ферромагнитным; температуру, выше которой он теряет это свойство, часто называют точкой Кюри.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

В чистом виде железо мягкое и обычно не используется в качестве конструкционного материала; основной метод его упрочнения и превращения в сталь - добавление небольшого количества углерода.В твердой стали углерод обычно присутствует в двух формах. Либо он находится в твердом растворе в аустените и феррите, либо находится в виде карбида. Форма карбида может быть карбидом железа (Fe 3 C, известный как цементит) или карбидом легирующего элемента, такого как титан. (С другой стороны, в сером чугуне углерод проявляется в виде чешуек или кластеров графита из-за присутствия кремния, подавляющего образование карбидов.)

Влияние углерода лучше всего иллюстрируется диаграммой равновесия железо-углерод.Линия A-B-C представляет точки ликвидуса (, т.е. - температуры, при которых расплавленное железо начинает затвердевать), а линия H-J-E-C представляет точки солидуса (при которых затвердевание завершается). Линия A-B-C указывает на то, что температуры затвердевания снижаются по мере увеличения содержания углерода в расплаве железа. (Это объясняет, почему серый чугун, содержащий более 2 процентов углерода, обрабатывается при гораздо более низких температурах, чем сталь.) Расплавленная сталь, например, с содержанием углерода 0.77 процентов (показано вертикальной пунктирной линией на рисунке) начинает затвердевать при температуре около 1475 ° C (2660 ° F) и полностью затвердевает при температуре около 1400 ° C (2550 ° F). С этого момента все кристаллы железа находятся в аустенитном - т. Е. гцк - расположении и содержат весь углерод в твердом растворе. При дальнейшем охлаждении происходит резкое изменение примерно при 727 ° C (1341 ° F), когда кристаллы аустенита превращаются в тонкую пластинчатую структуру, состоящую из чередующихся пластинок феррита и карбида железа.Эта микроструктура называется перлитом, а изменение называется эвтектоидным превращением. Перлит имеет твердость алмазной пирамиды (DPH) приблизительно 200 килограммов-сил на квадратный миллиметр (285 000 фунтов на квадратный дюйм) по сравнению с DPH 70 килограммов-сил на квадратный миллиметр для чистого железа. Охлаждение стали с более низким содержанием углерода (, например, 0,25 процента) приводит к получению микроструктуры, содержащей около 50 процентов перлита и 50 процентов феррита; он мягче, чем перлит, с DPH около 130.Сталь с содержанием углерода более 0,77%, например 1,05%, содержит в своей микроструктуре перлит и цементит; он тверже перлита и может иметь DPH 250.

Диаграмма равновесия железо-углерод.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Общие легирующие элементы для стали и их влияние

Легированная сталь относится к типу стали, легированной различными элементами . Теоретически любая сталь может считаться легированной сталью, так как самая простая сталь состоит из железа, легированного до двух.06% углерода. Однако термин «легированная сталь» обычно относится к сталям, легированным другими элементами, кроме углерода. Общий вес легирующих элементов может составлять до 50%, чтобы придать материалу улучшенные свойства, такие как лучшая защита от износа или пластичность. Различают низколегированные и высоколегированные стали. Низколегированные стали характеризуются низким содержанием легирующих элементов, которые в сумме составляют менее 5%. Количество элементов в высоколегированной стали может быть больше или равно 5%, что в силу тенденции делает материал более дорогим.Помимо этих двух групп, существуют также нелегированные стали, в которых очень мало сплавов.

Бор

В качестве легирующего элемента даже небольшое количество бора (0,001–0,003%) может значительно повысить прокаливаемость. Однако найти борсодержащую сталь непросто, поскольку она составляет всего 0,003% легированных сталей. Борирование - более популярный способ введения бора в стали. С диффузионными слоями Borocoat BorTec твердость до 2.800HV может быть достигнуто. Кроме того, технология BorTec обеспечивает высокую твердость слоя даже на нелегированных сталях, улучшенную адгезию и высокую износостойкость. Подробнее читайте здесь.

Хром

Хром - один из самых популярных легирующих металлов для стали благодаря своей высокой твердости и коррозионной стойкости. Сам по себе хром представляет собой серый, твердый и хрупкий металл с высокой термостойкостью и температурой плавления 1907 ° C (3465 ° F). В стали легированы хромом для повышения прокаливаемости.Более высокое содержание хрома от 4 до 18% приводит к лучшей коррозионной стойкости. Например: один из наиболее распространенных стальных сплавов, а именно нержавеющая сталь, имеет содержание хрома не менее 10,5%, что делает его более устойчивым к воздействию воды, тепла или коррозии. В отличие от оксида железа в незащищенной углеродистой стали оксид хрома не растекается и не выпадает из материала. Он создает на поверхности пленку из плотного оксида хрома, которая блокирует дальнейшее коррозионное воздействие.

Медь

Медь, состоящая из более чем 400 сплавов, является одним из наиболее распространенных легирующих элементов.Что касается стали, медь растворяется в материале от 0,1 до 0,4% для повышения коррозионной стойкости. Медь также известна своей высокой теплопроводностью и электропроводностью. Его оксиды меди работают так же, как оксиды хрома.

Марганец

В легированной стали марганец обычно используется в сочетании с серой и фосфором. Managanese помогает снизить хрупкость и улучшает ковкость, прочность на разрыв и износостойкость. Марганец реагирует с серой, в результате чего образуются сульфиды марганца, предотвращающие образование сульфидов железа.Марганец также добавляется для лучшей закаливаемости, поскольку он приводит к более медленным скоростям закалки в методах закалки. Избыточный кислород можно удалить из расплавленной стали с помощью марганца.

Никель

Аустенитная нержавеющая сталь наиболее известна своим высоким содержанием никеля и хрома. Он используется для повышения прочности, твердости, ударной вязкости и коррозионной стойкости. Стали, легированные никелем, часто встречаются в сочетании с хромом, что приводит к еще более высокой твердости.

Титан

Титан используется в качестве стабилизирующего элемента в нержавеющих сталях. Он фиксирует углерод в инертных частицах, улучшая коррозионную стойкость и свариваемость. Поскольку титан является редким элементом на Земле, этот легирующий элемент может быть до 200 раз дороже, чем обычная углеродистая сталь.

Наиболее распространенные легирующие элементы в стали

По определению, сталь представляет собой комбинацию железа и углерода. Сталь легирована различными элементами, чтобы улучшить физические свойства и придать особые свойства, такие как устойчивость к коррозии или нагреванию.Конкретные эффекты добавления таких элементов описаны ниже:

Углерод (C)

Самый важный компонент стали. Повышает прочность на разрыв, твердость и устойчивость к истиранию и истиранию. Это снижает пластичность, ударную вязкость и обрабатываемость.

Хром (CR)

Повышает предел прочности на разрыв, твердость, закаливаемость, ударную вязкость, устойчивость к износу и истиранию, устойчивость к коррозии и образованию накипи при повышенных температурах.

Кобальт (CO)

Повышает прочность и твердость, допускает более высокие температуры закалки и увеличивает красную твердость быстрорежущей стали.Он также усиливает индивидуальные эффекты других основных элементов в более сложных сталях.

Columbium (CB)

Используется в качестве стабилизирующих элементов в нержавеющих сталях. Каждый из них имеет высокое сродство к углероду и образует карбиды, которые равномерно распределены по стали. Таким образом предотвращается локальное выделение карбидов на границах зерен.

Медь (CU)

В значительных количествах вредна для стали, подвергающейся горячей обработке. Медь отрицательно влияет на кузнечную сварку, но не оказывает серьезного воздействия на дуговую или кислородно-ацетиленовую сварку.Медь может отрицательно сказаться на качестве поверхности. Медь способствует устойчивости к атмосферной коррозии, если ее содержание превышает 0,20%. Погодоустойчивые стали продаются с содержанием меди более 0,20%.

Марганец (MN)

Раскислитель и дегазатор, вступающий в реакцию с серой для улучшения ковкости. Повышает прочность на разрыв, твердость, закаливаемость и износостойкость. Уменьшает склонность к масштабированию и искажению. Это увеличивает скорость проникновения углерода при науглероживании.

Молибден (MO)

Повышает прочность, твердость, прокаливаемость и ударную вязкость, а также сопротивление ползучести и прочность при повышенных температурах. Улучшает обрабатываемость и устойчивость к коррозии, усиливает действие других легирующих элементов. В сталях для горячей обработки и быстрорежущих сталях он повышает твердость в красном цвете.

Никель (NI)

Повышает прочность и твердость без ущерба для пластичности и вязкости. Он также увеличивает стойкость к коррозии и образованию накипи при повышенных температурах при введении в подходящих количествах в высокохромистые (нержавеющие) стали.

Фосфор (P)

Повышает прочность и твердость и улучшает обрабатываемость. Однако он придает стали заметную хрупкость или хладостойкость.

Кремний (SI)

Раскислитель и дегазатор. Повышает предел прочности и текучести, твердость, ковкость и магнитную проницаемость.

Сера (S)

Улучшает обрабатываемость быстрорежущих сталей, но без достаточного количества марганца вызывает хрупкость при красном нагреве. Это снижает свариваемость, ударную вязкость и пластичность.

Тантал (TA)

Используется в качестве стабилизирующих элементов в нержавеющих сталях. Каждый из них имеет высокое сродство к углероду и образует карбиды, которые равномерно распределены по стали. Таким образом предотвращается локальное выделение карбидов на границах зерен.

Титан (TI)

Используется в качестве стабилизирующих элементов в нержавеющих сталях. Каждый из них имеет высокое сродство к углероду и образует карбиды, которые равномерно распределены по стали. Таким образом предотвращается локальное выделение карбидов на границах зерен.

Вольфрам (Вт)

Повышает прочность, износостойкость, твердость и ударную вязкость. Вольфрамовые стали отличаются превосходной горячей обработкой и большей эффективностью резания при повышенных температурах.

Ванадий (В)

Повышает прочность, твердость, износостойкость и устойчивость к ударам. Он замедляет рост зерна, обеспечивая более высокие температуры закалки. Он также улучшает свойства твердости по красному цвету высокоскоростных металлических режущих инструментов.

Данные являются типичными и не должны рассматриваться как фактические значения для какой-либо категории.

Приложения и техническая информация требуют от инженеров и разработчиков инструментов независимого суждения.

Легированная сталь | Конструкция машины


Стали, содержащие определенные количества легирующих элементов, кроме углерода и общепринятых количеств марганца, меди, кремния, серы и фосфора, называются легированными сталями. Легирующие элементы добавляются для изменения механических или физических свойств. Сталь считается сплавом, если максимальное значение диапазона, указанного для содержания легирующих элементов, превышает один или несколько из следующих пределов: 1.65% Mn, 0,60% Si или 0,60% Cu; или когда определенный диапазон или минимальное количество любого из следующих элементов указано или требуется в пределах, признанных для конструкционных легированных сталей: алюминий, хром (до 3,99%), кобальт, колумбий, молибден, никель, титан, вольфрам, ванадий, цирконий или другой элемент, добавленный для получения эффекта легирования.

Таким образом, технически инструментальная и нержавеющая стали являются легированными. В этой главе, однако, термин «легированная сталь» зарезервирован для тех сталей, которые содержат небольшое количество легирующих элементов и которые обычно зависят от термической обработки для развития определенных свойств.Например, при надлежащей термообработке предел прочности на разрыв некоторых легированных сталей может быть повышен с примерно 55000 фунтов на квадратный дюйм до почти 300000 фунтов на квадратный дюйм.

Подразделения для большинства сталей в этом семействе включают марки со сквозной закалкой и науглероживанием (плюс несколько специальных марок, таких как стали для азотирования). Сплавы со сквозным упрочнением, которые подвергаются термообработке путем закалки и отпуска, используются, когда максимальная твердость и прочность должны проникать глубоко внутрь детали. Марки науглероживания используются там, где требуется прочная сердцевина и относительно неглубокая твердая поверхность.После упрочняющей обработки поверхности, такой как науглероживание (или азотирование для азотирования сплавов), эти стали подходят для деталей, которые должны выдерживать износ, а также высокие нагрузки. Литые стали обычно подвергаются сквозной закалке, а не поверхностной обработке.

Содержание углерода и легирующие элементы влияют на общие характеристики обоих типов легированных сталей. Максимально достижимая твердость поверхности зависит в первую очередь от содержания углерода. Максимальная твердость и прочность на малых участках увеличиваются с увеличением содержания углерода примерно до 0.7%. Однако содержание углерода более 0,3% может увеличить вероятность растрескивания во время закалки или сварки. Легирующие элементы в первую очередь влияют на прокаливаемость. Они также влияют на другие механические и производственные свойства, включая ударную вязкость и обрабатываемость.

Добавки свинца (от 0,15 до 0,35%) существенно улучшают обрабатываемость легированных сталей быстрорежущими инструментальными сталями. При обработке твердосплавными инструментами стали, обработанные кальцием, имеют удвоенный или тройной срок службы инструмента в дополнение к улучшению качества поверхности.

Существует несколько точных правил для выбора марок легированной стали для сквозной или поверхностной закалки. В большинстве случаев критически важные детали проходят полевые испытания для оценки их характеристик. Детали с большим сечением - например, тяжелые поковки - часто изготавливают из легированных сталей, прошедших вакуумную дегазацию. Находясь в расплавленном состоянии, эти стали подвергаются воздействию вакуума, который удаляет водород и, в меньшей степени, кислород и азот.

Легированные стали часто рекомендуются, когда требуется высокая прочность в средних и больших сечениях.Независимо от того, является ли предел прочности на разрыв или предел текучести основой конструкции, термически обработанные легированные стали обычно имеют высокое отношение прочности к массе. Для применений, требующих максимальной пластичности, используются сплавы с низким содержанием серы (

В целом износостойкость можно улучшить, увеличив твердость сплава, указав сплав с большим содержанием углерода (без увеличения твердости), либо и то, и другое. Поверхность например, закаленной пламенем среднеуглеродистой стали, вероятно, будет иметь более низкую износостойкость, чем богатый углеродом корпус науглероженной стали такой же твердости.Исключение составляют азотированные детали, которые имеют лучшую износостойкость, чем можно было бы ожидать, исходя только из содержания углерода.

Для любой комбинации легированной стали и термообработки три фактора имеют тенденцию к снижению ударной вязкости: низкая рабочая температура, высокие скорости нагружения и концентрации напряжений или остаточные напряжения. Общие эффекты этих трех условий качественно схожи, поэтому испытания на удар при низких температурах (до -50 ° F) полезны для многих приложений в качестве индикаторов ударной вязкости при различных условиях эксплуатации и температурах.

Полностью закаленные и отпущенные низкоуглеродистые (от 0,10 до 0,30% C) легированные стали обладают хорошим сочетанием прочности и вязкости как при комнатной, так и при низких температурах. Однако при термообработке некоторых марок легированных сталей необходимо соблюдать осторожность, поскольку ударная вязкость может быть существенно снижена из-за отпускной хрупкости - формы охрупчивания, развивающейся при медленном охлаждении в диапазоне от 900 до 600 ° F или при выдержке или отпуске. в этом диапазоне.

Когда закалка в жидкости нецелесообразна (из-за опасности растрескивания или деформации, или из-за стоимости), различные низкоуглеродистые никелевые или никель-молибденовые стали в нормированном и отпущенном состоянии могут использоваться для низкотемпературных условий эксплуатации.

Деформируемые легированные стали (и углеродистые стали) классифицируются по серии номеров AISI и SAE, которые обозначают состав и тип сплава. Буквы, которые используются в дополнение к четырехзначным обозначениям, включают суффикс «H», используемый для стали, произведенной с определенными пределами прокаливаемости (что позволяет более широкий диапазон составов для определенных легирующих элементов), и префикс «E», который указывает сталь, полученная основным электропечным способом. Другие спецификации, например, выпущенные ASTM, определяют минимальные свойства для критических конструкций, сосудов высокого давления и ядерных приложений.

Спецификации ASTM классифицируют литые легированные стали по их механическим свойствам и предполагаемым условиям эксплуатации. Химический анализ вторичен. Существуют спецификации ASTM для общего использования, такие как A27 или A148, когда механические свойства имеют решающее значение. Для работы при низких температурах рекомендуется использовать A352 или A757, когда важна прочность. Для свариваемости A216 указывается, когда изготовление критично, а для работы под давлением рекомендуется A217 или A389, когда важен ряд свойств.Для специальных применений доступны и другие легированные стали ASTM. Другие спецификации, такие как SAE J435, используются для литых сталей в автомобильной промышленности. Краткое описание технических характеристик стального литья можно получить в Американском обществе основателей стали, Des Plaines, штат Иллинойс.

Легирующие элементы и свойства стали

Легирующие элементы и свойства стали
Вот полный список из нескольких основных легирующие элементы для стали, для чего они нужны и для чего используются.
Для наглядности ссылок нет. Посмотрите эти модулей для пояснений:
Элемент Стабилизирует .... Повышение твердости
Механизм
Тенденция к образованию твердых карбидов Основные / второстепенные функции
Марганец
Mn
Аустенит
В открытом виде г -поле
Умеренное увеличение
Мощный усилитель раствора
Средний 1. Заботится о Sulphur ( S ).
2. Производит специальные стали с высокой концентрацией
3. Дешевые увеличение прокаливаемость.
Кремний
Si
Феррит
Закрыто г -поле
Затвердевает, но снижает пластичность Умеренная прибавка Нет 1. Раскисление («умерщвление») жидкой стали .
. 2. Увеличивает электрических удельное сопротивление (важно для сердечников трансформаторов).
3. Повышает стойкость к окислению.
Алюминий
Алюминий
Феррит
Закрыто г -поле
Малый
Закалка зернистости
Без карбидов, кроме нитрида. 1. Раскисление («умерщвление») жидкой стали .
2. Повышает стойкость к окислению.
Хром
Cr
Феррит
Закрыто г -поле
Умеренное увеличение
(Среднее) пре. закалка
Сильный 1. Коррозионная стойкость.
2. Прочность + стойкость к окислению при выс. Т .
3. Истирание сопротивление (нужен высокий C тоже).
Титан
Ti
Феррит
Закрыто г -поле
Сильный прирост;
Prec. закалка
Закалка по крупности
Чрезвычайно сильный 1. Поглотитель кислорода, азота и серы.
Образует твердые карбиды. предотвращает рост зерна.
2. Предотвращает местное обеднение углерода в нержавеющих сталях из-за карбида Cr формация
Ванадий
V
Феррит
Закрыто г -поле
Очень сильный рост
Prec.закалка
Закалка зерен

Умеренная закалка твердого раствора

Очень прочный 1. Ограничивает укрупнение зерна из аустенит.
2. Повышает прокаливаемость.
3. Задерживает размягчение во время отпуска.
Никель
Ni
Аустенит
В открытом виде г -поле
Незначительное увеличение
Нет 1. Позволяет использовать аустенитные стали.
2. Включает инварную сталь
Молибден
Мо
Аустенит
В открытом виде г -поле
Сильный рост
Prec. закалка
Закалка зернистости
Очень прочный 1. Улучшает коррозию стойкость нержавеющих сталей .
2. Предотвращает охрупчивание некоторых Ni / Cr стали.
3. Сохраняет прочность на более высоком уровне T . 4. Обеспечивает высокую стойкость к истиранию .
Бор
B
? Основные изменения i при очень малых концентрациях Сильный рост
Prec. закалка
Закалка зернистости
Очень прочный 1. Высокопрочная сталь
2. Поглотитель азота
3. Замена дорогих элементов без компромиссов недвижимость

С рамой

Обзор основных сталей

9.2.2 Проектирование низколегированных сталей

Детали легирования

Наука легирования

Неоднородная деформация

Обзор основных сталей: 1. Классификация сталей

9.2.1 Более пристальный взгляд на низколегированные стали

Обзор основных сталей

Свойства стали

© H. Föll (Скрипт Iron, Steel и Swords)

Что такое легирование и как легированная сталь EonCoat

В отличие от барьерных покрытий, EonCoat работает как обработка поверхности, которая легирует углеродистую сталь, что позволяет ей защитить себя.Легирование металлической поверхности предотвращает развитие ржавчины. Давайте подробнее рассмотрим процесс легирования.

Определение сплава

Сплав - это металл, который в сочетании с другими веществами создает новый металл с превосходными свойствами. Например, сплав может быть прочнее, тверже, жестче или податливее исходного металла. Часто считается, что сплавы представляют собой смесь двух или более металлов. Однако это заблуждение, поскольку сплавы могут состоять из одного металла и других неметаллических элементов.

Преобладающий металл в сплаве называется основным металлом. Другие металлы или элементы, добавленные в сплав, называются легирующими элементами.

Примеры сплавов

Помимо увеличения прочности металла, легирование может изменять другие свойства, включая сопротивление нагреванию, коррозионную стойкость, магнитные свойства или электропроводность.

  • Сталь изготавливается из железа и углерода. Железо - хрупкий металл, поэтому его нельзя использовать в качестве строительного материала для строительства мостов и зданий.Структуры, созданные из железа, в конечном итоге разрушатся. Благодаря своей прочности и высокой прочности на разрыв сталь является идеальным строительным материалом.
  • Нержавеющая сталь , сплав железа и хрома, более устойчива к коррозии и образованию пятен при контакте с водой, чем железо и углеродистая сталь.
  • Алюминий мягкий и относительно прочный. Его прочность можно повысить, добавив другие элементы, в том числе цинк, медь, магний и марганец.Когда алюминий содержит дополнительные элементы, он известен как алюминиевый сплав.

Процесс легирования

Для создания сплава металлы (или металл и неметаллический элемент) нагревают до расплавления. Два элемента смешивают, и раствор заливают в металлические или песчаные формы для застывания. Полученный сплав представляет собой комбинацию двух элементов. Обычно сначала плавят первичный ингредиент, а к нему добавляют остальные.

Использование легирования для предотвращения коррозии

Мы увидели, что сплавы могут быть созданы для повышения устойчивости металла к коррозии.Традиционный метод, используемый для предотвращения коррозии, заключался в нанесении на металл поверхностного покрытия, такого как полимер. Это создает барьер между поверхностью металла и элементами.

EonCoat не является барьерным покрытием. Принципиально отличается от полимера, который вы рисуете на поверхности металла, это обработка поверхности, при которой на самом деле легируется сталь, с которой он соприкасается. Поскольку ржавчина начинается на поверхности металла, если поверхность легированная, на ней ничего не обнажается, и, следовательно, нет места для образования ржавчины.

Как работает EonCoat

EonCoat распыляется непосредственно на сталь. Кислота в формуле реагирует со сталью, образуя слой аморфного фосфата магния и железа толщиной всего 2 микрона, который является первой линией защиты от коррозии. Химически связанная фосфатная керамика EonCoat - это вторая линия защиты; керамическое финишное покрытие постоянно выщелачивает фосфат, чтобы предотвратить образование ржавчины.

Важно помнить, что EonCoat не только покрывает металл.Он фактически становится частью металла в виде сплава, чего не могут сделать полимерные покрытия. Полимер опирается на более слабые механические связи и просто располагается поверх металла. Как только полимерное покрытие поцарапано, влага может проникнуть внутрь и вступить в контакт с металлом. Как только это произойдет, ржавчина неизбежна. Вот почему традиционные покрытия могут только отсрочить начало коррозии, в то время как EonCoat фактически предотвращает образование ржавчины.

Узнайте об обычных легирующих агентах

Сталь в основном состоит из железа и углерода, легированных некоторыми дополнительными элементами.Процесс легирования используется для изменения химического состава стали и улучшения ее свойств по сравнению с углеродистой сталью или для корректировки их в соответствии с требованиями конкретного применения.

В процессе легирования металлы объединяются для создания новых структур, которые обеспечивают более высокую прочность, меньшую коррозию или другие свойства. Нержавеющая сталь является примером легированной стали с добавлением хрома.

Преимущества легирующих добавок для стали

Различные легирующие элементы или добавки по-разному влияют на свойства стали.Некоторые из свойств, которые можно улучшить за счет легирования, включают:

  • Стабилизирующий аустенит : Такие элементы, как никель, марганец, кобальт и медь, увеличивают диапазон температур, в котором существует аустенит.
  • Стабилизирующий феррит : Хром, вольфрам, молибден, ванадий, алюминий и кремний могут помочь снизить растворимость углерода в аустените. Это приводит к увеличению количества карбидов в стали и сокращает диапазон температур, в котором существует аустенит.
  • Формирование карбида : Многие второстепенные металлы, включая хром, вольфрам, молибден, титан, ниобий, тантал и цирконий, образуют прочные карбиды, которые - в стали - повышают твердость и прочность. Такие стали часто используются для производства быстрорежущей стали и инструментальной стали для горячих работ.
  • Графитизация : Кремний, никель, кобальт и алюминий могут снизить стабильность карбидов в стали, способствуя их разрушению и образованию свободного графита.

В приложениях, где требуется уменьшение концентрации эвтектоидов, добавляются титан, молибден, вольфрам, кремний, хром и никель.Все эти элементы снижают концентрацию эвтектоида углерода в стали.

Для многих сталей требуется повышенная коррозионная стойкость. Для достижения этого результата сплавили алюминий, кремний и хром. Они образуют защитный оксидный слой на поверхности стали, тем самым защищая металл от дальнейшего разрушения в определенных средах.

Обычные легирующие агенты для стали

Ниже приведен список часто используемых легирующих элементов и их влияние на сталь (стандартное содержание в скобках):

  • Алюминий (0.95-1,30%): раскислитель. Используется для ограничения роста зерен аустенита.
  • Бор (0,001-0,003%): агент, повышающий упрочняемость, улучшающий деформируемость и обрабатываемость. Бор добавляется к полностью обезвоженной стали, и его нужно добавлять только в очень малых количествах, чтобы иметь эффект упрочнения. Добавки бора наиболее эффективны в низкоуглеродистых сталях.
  • Хром (0,5-18%): ключевой компонент нержавеющих сталей. При содержании более 12 процентов хром значительно улучшает коррозионную стойкость.Металл также улучшает закаливаемость, прочность, реакцию на термическую обработку и износостойкость.
  • Кобальт: Повышает прочность при высоких температурах и магнитную проницаемость.
  • Медь (0,1-0,4%): чаще всего встречается в качестве остаточного агента в сталях, медь также добавляется для получения свойств дисперсионного твердения и повышения коррозионной стойкости.
  • Свинец: несмотря на то, что он практически нерастворим в жидкой или твердой стали, свинец иногда добавляют в углеродистые стали путем механического диспергирования во время разливки, чтобы улучшить обрабатываемость.
  • Марганец (0,25-13%): Повышает прочность при высоких температурах, устраняя образование сульфидов железа. Марганец также улучшает прокаливаемость, пластичность и износостойкость. Как и никель, марганец является элементом, образующим аустенит, и может использоваться в аустенитных нержавеющих сталях серии AISI 200 в качестве заменителя никеля.
  • Молибден (0,2-5,0%): Обнаруженный в небольших количествах в нержавеющей стали, молибден повышает прокаливаемость и прочность, особенно при высоких температурах.Молибден, который часто используется в хромоникелевых аустенитных сталях, защищает от точечной коррозии, вызываемой хлоридами и серосодержащими химическими веществами.
  • Никель (2-20%): еще один легирующий элемент, важный для нержавеющих сталей, никель добавляется в высокохромистую нержавеющую сталь в количестве более 8%. Никель увеличивает прочность, ударную вязкость и ударную вязкость, а также повышает стойкость к окислению и коррозии. Он также увеличивает ударную вязкость при низких температурах при добавлении в небольших количествах.
  • Ниобий: обладает преимуществом стабилизации углерода за счет образования твердых карбидов и часто встречается в жаропрочных сталях.В небольших количествах ниобий может значительно увеличить предел текучести и, в меньшей степени, предел прочности сталей, а также иметь умеренное усиление эффекта осаждения.
  • Азот: Повышает аустенитную стабильность нержавеющих сталей и улучшает предел текучести таких сталей.
  • Фосфор: фосфор часто добавляют с серой для улучшения обрабатываемости низколегированных сталей. Это также добавляет прочности и увеличивает коррозионную стойкость.
  • Селен: Повышает обрабатываемость.
  • Кремний (0,2–2,0%): этот металлоид улучшает прочность, эластичность, кислотостойкость и приводит к увеличению размера зерен, что приводит к большей магнитной проницаемости. Поскольку кремний используется в качестве раскислителя при производстве стали, он почти всегда присутствует в некотором процентном соотношении во всех марках стали.
  • Сера (0,08-0,15%): добавленная в небольших количествах, сера улучшает обрабатываемость, не вызывая горячей короткости. С добавлением марганца жаростойкость еще больше снижается из-за того, что сульфид марганца имеет более высокую температуру плавления, чем сульфид железа.
  • Титан: Повышает прочность и коррозионную стойкость, ограничивая размер зерна аустенита. При содержании титана 0,25-0,60% углерод соединяется с титаном, позволяя хрому оставаться на границах зерен и противостоять окислению.
  • Вольфрам: производит стабильные карбиды и измельчает размер зерна для увеличения твердости, особенно при высоких температурах.
  • Ванадий (0,15%): подобно титану и ниобию, ванадий может давать стабильные карбиды, повышающие прочность при высоких температурах.За счет создания мелкозернистой структуры можно сохранить пластичность.
  • Цирконий (0,1%): увеличивает прочность и ограничивает размер зерен. Прочность можно значительно повысить при очень низких температурах (ниже точки замерзания). Сталь, содержащая цирконий до 0,1%, будет иметь меньший размер зерен и сопротивляться разрушению.
.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *