Легирующие элементы: Что такое Легирующие элементы: виды, описание
alexxlab | 03.05.2023 | 0 | Разное
Как примеси и легирующие элементы влияют на свойства сталей
Характеристики углеродистых сталей далеко не всегда соответствуют требованиям, которые предъявляют к материалам различные отрасли промышленности. Чтобы откорректировать их свойства, используют легирование.
Чем отличаются легирующие элементы от примесей
В углеродистых сталях, помимо основных элементов – железа и углерода, есть и другие: марганец, сера, фосфор, кремний, водород и прочие. Их считают примесями и делят на несколько групп:
- К постоянным относят серу, фосфор, марганец и кремний. Они всегда содержатся в стали в небольших количествах, попадая в нее из чугуна или используясь в качестве раскислителей.
- К скрытым относят водород, кислород и азот. Они тоже присутствуют в любой стали, попадая в нее при выплавке.
- К случайным относят медь, мышьяк, свинец, цинк, олово и прочие элементы. Они попадают в сталь из шихтовых материалов и считаются особенностью руды.
Для каждой из перечисленных примесей характерно определенное процентное содержание. Так, марганца в стали, как правило, не более 0,8 %, кремния – не более 0,4 %, фосфора – не более 0,025 %, серы – не более 0,05 %. Если обычного содержания некоторых элементов недостаточно, для получения сталей с нужными свойствами в них дополнительно вносят в определенных количествах специальные примеси, которые называют легирующими добавками.
Химический состав стали, формируемый в процессе выплавки, напрямую влияет на ее механические свойства
Как примеси влияют на свойства сталей
Примеси оказывают разное влияние на характеристики сталей:
- Углерод (С) повышает твердость, прочность и упругость сталей, но снижает их пластичность.
- Кремний (Si) при содержании в стали до 0,4 % и марганец при содержании до 0,8 % не оказывают заметного влияния на свойства.
- Фосфор (P) увеличивает прочность и коррозионную стойкость сталей, но снижает их пластичность и вязкость.
- Сера (S) повышает хрупкость сталей при высоких температурах, снижает их прочность, пластичность, свариваемость и коррозионную стойкость.
- Азот (N2) и кислород (O 2) уменьшают вязкость и пластичность сталей.
- Водород (H2) повышает хрупкость сталей.
Как легирующие элементы влияют на свойства сталей
Легирующие добавки вводят в стали для изменения их характеристик:
- Хром (Cr) повышает твердость, прочность, ударную вязкость, коррозионную стойкость, электросопротивление сталей, одновременно уменьшая их коэффициент линейного расширения и пластичность.
- Никель (Ni) увеличивает пластичность, вязкость, коррозионную стойкость и ударную прочность сталей.
- Вольфрам (W) повышает твердость и прокаливаемость сталей.
- Молибден (Mo) увеличивает упругость, коррозионную стойкость, сопротивляемость сталей растягивающим нагрузкам и улучшает их прокаливаемость.
- Ванадий (V) повышает прочность, твердость и плотность сталей.
- Кремний (Si) увеличивает прочность, упругость, электросопротивление, жаростойкость и твердость сталей.
- Марганец (Mn) повышает твердость, износоустойчивость, ударную прочность и прокаливаемость сталей.
- Кобальт (Co) увеличивает ударную прочность, жаропрочность и улучшает магнитные свойства сталей.
- Алюминий (Al) повышает жаростойкость и стойкость сталей к образованию окалины.
- Титан (Ti) увеличивает прочность, коррозионную стойкость и улучшает обрабатываемость сталей.
- Ниобий (Nb) повышает коррозионную стойкость и устойчивость сталей к воздействию кислот.
- Медь (Cu) увеличивает коррозионную стойкость и пластичность сталей.
- Церий (Ce) повышает пластичность и прочность сталей.
- Неодим (Nd), цезий (Cs) и лантан (La) снижают пористость сталей и улучшают качество поверхности.
Виды легированных сталей
В зависимости от содержания легирующих элементов, стали делят на три вида:
- Если легирующих элементов менее 2,5 %, стали относят к низколегированным.
- При их содержании от 2,5 до 10 % стали считаются среднелегированными.
- Если легирующих элементов более 10 %, стали относят к высоколегированным.
Заключение
Примеси неизбежно присутствуют в сталях, но ряд из них являются вредными (к ним относятся скрытые примеси), поэтому их содержание стараются минимизировать. Легирующие элементы добавляют в стали целенаправленно для улучшения их свойств или получения специфических характеристик.
У нас вы найдете широкий ассортимент металлопроката по доступным ценам. Требуется консультация? Напишите на почту [email protected] или позвоните – наши менеджеры ответят на все вопросы.
Легирующие элементы в стали. Наиболее известные добавки.
|
|
|
Характеристики легирующих элементов
Присоединяйтесь к нам, поскольку наша техническая группа описывает основные элементы, используемые при пайке присадочных металлов, а также наиболее важные характеристики каждого элемента. Чем больше вы понимаете об этих элементах, тем лучше вы подготовлены к выбору и использованию правильных продуктов для вашей операции пайки.
Ниже приведены наиболее часто используемые легирующие металлы с их основными характеристиками:
Серебро (Ag) – температура плавления 1761°F/961°C
• Благородный металл
• Отличная электро- и теплопроводность
• Отличное проникновение в швы
• Ковкий металл
Медь (Cu) — температура плавления 1981°F/1083°C
• Более низкая стоимость, чем Ag
• Отличная электро- и теплопроводность
• Отличное соединение пенетрация
• Ковкий металл
• Сплавы/жидкости Fe
Медь образует сплавы с железом, кобальтом и никелем намного легче, чем серебро. Кроме того, медь удовлетворительно смачивает многие из этих металлов и их сплавов, а серебро — нет. Отсюда следует, что смачиваемость серебряно-медных присадочных металлов – по отношению к стали, нержавеющей стали, никель-хромовым сплавам – снижается по мере увеличения содержания серебра.
Цинк (Zn) – температура плавления 787°F/419°C
• Снижает температуру плавления сплавов меди и серебра
• Улучшает смачивание
• Высокое давление паров
• Хрупкий металл
Из элементов, обычно используемых для снижения температуры плавления и текучести присадочных металлов медь-серебро, цинк является наиболее полезным смачивающим агентом при соединении сплавов, состоящих из железа, кобальта или никеля.
Кадмий (Cd) – температура плавления 610°F/321°C
• Понижает температуру плавления
• Улучшает смачивание
• Высокое давление паров
• Лучшая коррозионная стойкость, чем Zn
• Канцерогенный – вызывает рак
Примечание. Пары кадмия токсичны, поэтому эти материалы следует использовать только в хорошо проветриваемых помещениях.
Фосфор (P) – температура плавления 111°F/44°C
• Химически активен (предохраняет Cu от оксида)
• Понижает температуру плавления
• Хрупкий элемент
Этот присадочный металл широко используется для обработки меди и меди сплавов, а иногда и на молибденовых и высокомолибденовых сплавах. Мы не рекомендуем его для стали или никеля, так как образуются хрупкие фосфиды. Вы можете использовать Sil-Fos без флюса на меди даже без контролируемой атмосферы. Часть фосфора окисляет и восстанавливает оксиды меди, а образующийся P2O5 действует как флюс для растворения оксида меди, поэтому присадочный металл является самофлюсующимся.
Никель (Ni) – температура плавления 2651°F/1455°C
• Добавляет прочность и ударную вязкость сплавам Ag
• Улучшает смачивание
• Повышенная коррозионная стойкость
Никель, марганец и (нечасто) кобальт служат твердые припои для соединения стеллитов, цементированных карбидов и других тугоплавких сплавов с высоким содержанием молибдена или вольфрама. Мы особенно рекомендуем присадочные металлы, содержащие небольшое количество никеля, когда соединения из нержавеющей стали будут подвергаться коррозии в соленой воде.
Примечание: При пайке нержавеющих сталей и других сплавов, образующих тугоплавкие оксиды в восстановительной или инертной атмосфере без флюса, серебряные припои, содержащие литий в качестве смачивающего агента, весьма эффективны.
Марганец (Mn) – температура плавления 2273°F/1245°C
• Улучшает смачивание и сцепление с никель-хромовыми сплавами и карбидами
• Высокая прочность при повышенных температурах
Олово (Sn) – температура плавления 440°F/ 227°C
• Снижает температуру плавления
• Увеличивает текучесть
• Хорошее смачивание и проникновение в швы
• Увеличивает хрупкость
Используйте индий или олово в серебряных припоях вместо цинка или кадмия для атмосферных или вакуумных печей, или когда вы впоследствии будете использовать сборки в высоком вакууме при промежуточные температуры. Добавление индия или олова оказывает практически такое же влияние на характеристики пайки припоев, хотя припои с индием обладают большей пластичностью. Обратите внимание, что присадочные металлы, содержащие цинк, смачивают черные металлы более эффективно, чем присадочные металлы, содержащие олово; там, где цинк допустим, предпочтительнее олово.
Пластичность присадочных металлов в зависимости от низких температур текучести
При увеличении общего содержания цинка и кадмия более чем на 40% пластичность снижается. Это накладывает практическое ограничение на то, насколько можно снизить температуру текучести серебряных припоев с добавками цинка и кадмия. Наши исследовательские лаборатории тщательно изучили сложные системы серебра, меди, цинка и кадмия; для каждого содержания серебра мы скорректировали наши составы, чтобы получить минимальные точки текучести, соответствующие безопасной пластичности.
Мы описали основные элементы, используемые при пайке присадочных металлов, а также наиболее важные характеристики каждого элемента. Чем больше вы понимаете об этих элементах, тем лучше вы подготовлены к выбору и использованию правильных продуктов для вашей операции пайки.
Мы рады предоставить экспертную информацию для Global Brazing Solutions® через наши блоги и обучающие видео. Не стесняйтесь поделиться этой публикацией с коллегами и сохранить наш блог в избранном.
Вопросы? Свяжитесь с нами по телефону 800.558.3856, чтобы получить рекомендации по продуктам для пайки, наилучшим образом отвечающим вашим потребностям.
Ссылка : Технический бюллетень Handy & Harman Brazing T-2
Отказ от ответственности: Lucas-Milhaupt, Inc. считает содержащуюся здесь информацию надежной. Однако Lucas-Milhaupt предоставляет техническую информацию бесплатно, и пользователь может использовать такую информацию по своему усмотрению и на свой риск.
Легирующие элементы в стали. Общие технические знания
1) Сталь представляет собой сочетание железа, углерода и некоторых других сплавов и нелегированных сплавов.
Сталь легируют различными элементами для улучшения физических свойств и придания особых свойств, таких как устойчивость к коррозии или нагреву. Различные элементы сплава по-разному влияют на механические и физические свойства стали.
Большинство элементов могут по-разному влиять на свойства сталей.
И другие факторы, влияющие на свойства материала:
– Температура, достигаемая до и во время сварки
– Подводимая теплота
– Скорость охлаждения после сварки и/или PWHT
2. Конкретные эффекты добавления таких элементов следующие: 9023 3 Железо (Fe):
Основной стальной компонент. Сам по себе относительно мягкий, пластичный, с низкой прочностью.
- Углерод (C):
Основной легирующий элемент в сталях, упрочняющий элемент, оказывающий большое влияние на твердость ЗТВ. Снижает свариваемость. обычно < ~ 0,25%
- Марганец ( Mn ):
Вторичный только углерод для прочности, ударной вязкости и пластичности, вторичный для раскислителя , а также реагирует с серой с образованием сульфидов марганца.
Обычно < ~0,8% является остаточным от раскисления стали и до ~1,6% (в C-Mn сталях) повышает прочность и ударную вязкость
Его вид оказывает следующие основные эффекты: очиститель, выводящий серу и кислород из расплава в шлак.
+ Увеличивает потенциал упрочнения и прочность на растяжение, но снижает пластичность.
+ Он соединяется с серой с образованием глобулярных сульфидов марганца, которые необходимы для легкорежущих сталей для хорошей обрабатываемости.
- Кремний (Si):
+ Остаточный элемент раскисления стали. обычно до ~ 0,35%.
+ Кремний является одним из основных раскислителей для стали . Кремний помогает выбрасывать пузырьки кислорода из расплавленной стали.
+ Кремний растворяется в железе и имеет тенденцию к его упрочнению, усиленной очистке и раскислению для сварки на загрязненных поверхностях. Так, эти присадочные металлы используются для сварки на чистых поверхностях, прочность полученного металла шва будет заметно повышена. Кремний увеличивает прочность и твердость, но в меньшей степени, чем марганец.
+ Возникающее в результате снижение пластичности может вызвать проблемы с растрескиванием.
- Фосфор (P):
Остаточный элемент из сталеплавильных минералов. Трудно снизить хрупкость ниже < ~ 0,015%.
Хотя он увеличивает прочность стали на растяжение и улучшает обрабатываемость, он обычно считается нежелательной примесью из-за его охрупчивающего действия.
Влияние элемента фосфора на сталь будет различным в зависимости от концентрации.
Максимальное количество фосфора в стали более высокого качества составляет от 0,03 до 0,05% из-за того, что он вреден. До 0,10% фосфора в низколегированных высокопрочных сталях повысит прочность, а также повысит коррозионную стойкость стали. Возможность охрупчивания увеличивается, когда содержание в закаленной стали слишком велико. Несмотря на то, что прочность и твердость улучшаются, пластичность и ударная вязкость снижаются .
Обрабатываемость стали, получаемой методом свободной резки, улучшается, но при содержании фосфора более 0,04 % во время сварки могут возникать хрупкость сварного шва и/или трещины в сварном шве. Фосфор также влияет на толщину слоя цинка при цинковании стали.
- Сера (S):
Остаточный элемент из сталеплавильных минералов .
Обычно < ~ 0,015 % в современных сталях < ~ 0,003 % в очень чистых сталях
Сера обычно считается примесью и оказывает неблагоприятное влияние на ударные свойства, когда сталь содержит много серы и мало марганца.
Сера улучшает обрабатываемость, но снижает поперечную пластичность и ударную вязкость с надрезом и мало влияет на продольные механические свойства.
В легкорежущие стали добавляется сера для улучшения обрабатываемости, обычно максимально до 0,35%.
Хотя влияние серы на сталь на определенных стадиях отрицательное, любое содержание серы менее 0,05% оказывает положительное влияние на марки стали.
- Алюминий (Al):
Раскислитель и контроль размера зерна. обычно от ~ 0,02 до ~ 0,05%
Алюминий является одним из наиболее важных раскислителей в очень малых количествах в материале, а также помогает формировать более мелкозернистую кристаллическую микроструктуру и повышать ударную вязкость марки стали.
- Хром (Cr):
Для сопротивления ползучести и сопротивления окислению (накипеобразованию) для работы при повышенных температурах. Широко используется в нержавеющих сталях для коррозионной стойкости, повышает твердость и прочность, но снижает пластичность. Обычно от 1 до 9% в низколегированных сталях
Cr присутствует в некоторых конструкционных сталях в небольших количествах. Он в основном используется для повышения прокаливаемости стали и повышения коррозионной стойкости, а также предела текучести стального материала.
Когда процентное содержание хрома в стали превышает 1,1%, образуется поверхностный слой, защищающий сталь от окисления.
- Никель (Ni) :
Используется в нержавеющих сталях, высокая стойкость к коррозии под действием кислот, повышает прочность и ударную вязкость
В дополнение к положительному влиянию на коррозионную стойкость стали, Ni добавляют в стали для повышения прокаливаемости. Никель улучшает поведение материала при низких температурах, повышая вязкость разрушения.
Свариваемость стали не снижается из-за способа этого элемента. Никель резко увеличивает ударную вязкость стали.
Никель часто используется в сочетании с другими легирующими элементами, особенно с хромом и молибденом. Это ключевой компонент в нержавеющих сталях, но в низких концентрациях встречается в углеродистых сталях.
Еще одним преимуществом добавления никеля в сплав является то, что он создает более яркие участки в дамасской стали.
- Молибден (Mo) :
Влияет на прокаливаемость. Стали, содержащие молибден, менее подвержены отпускной хрупкости, чем другие легированные стали. Повышает прочность стали на растяжение и ползучесть при высоких температурах. обычно от ~ 0,5 до 1,0%
Молибден оказывает такое же действие, как марганец и ванадий, и часто используется в сочетании с одним или другим. Этот элемент является сильным карбидообразователем и обычно присутствует в легированных сталях в количестве менее 1%. Он повышает прокаливаемость и прочность при повышенных температурах, а также улучшает коррозионную стойкость и увеличивает сопротивление ползучести. Он добавляется в нержавеющие стали для повышения их устойчивости к коррозии, а также используется в быстрорежущих инструментальных сталях.
- Ниобий ( Nb ) : ( Nb , ранее известный как Колумбий-Колумбий, Cb)
Ниобий является ключевым элементом для измельчения зерна, а также элементом, повышающим прочность при производстве стали. Ниобий является сильным карбидообразователем и образует очень твердые, очень маленькие простые карбиды. Повышает пластичность, твердость, износостойкость и коррозионную стойкость. Кроме того, улучшает структуру зерна. Ранее известный как Колумбиум.
- Ванадий (V) : измельчитель зерна, обычно ~ 0,05 %
Действие химического элемента ванадия аналогично действию Mn, Mo и Cb. При использовании с другими легирующими элементами он ограничивает рост зерна, уменьшает размер зерна, повышает прокаливаемость, вязкость разрушения и устойчивость к ударным нагрузкам. Размягчение при высоких температурах, усталостное напряжение и износостойкость улучшаются. При содержании выше 0,05% сталь может становиться хрупкой во время обработки для снятия термических напряжений.
Ванадий используется в азотируемых, жаропрочных, инструментальных и пружинных сталях вместе с другими легирующими элементами.
- Титан ( Ти ) :
Ti используется для контроля роста размера зерна, что повышает ударную вязкость. Также превращает сульфидные включения из удлиненной формы в шаровидную, повышая прочность и коррозионную стойкость, а также ударную вязкость и пластичность.
Ti — очень прочный и очень легкий металл, который можно использовать отдельно или в сплаве со сталями. Его добавляют в сталь, чтобы придать ей высокую прочность при высоких температурах. В современных реактивных двигателях используются титановые стали.
Предотвращает локальное истощение хрома в нержавеющих сталях при длительном нагреве.
Предотвращает образование аустенита в высокохромистых сталях.
Снижает мартенситную твердость и прокаливаемость среднехромистых сталей.
- Медь (Cu) : Присутствует в виде остатка (обычно < ~ 0,30%), добавляется к «атмосферостойким сталям» (~ 0,6%) для придания лучшей устойчивости к атмосферной коррозии
Медь является еще одним основным элементом коррозионной стойкости. Это также оказывает небольшое влияние на прокаливаемость. Обычно он содержится в количествах не менее 0,20% и является основным антикоррозионным компонентом таких марок стали, как A242 и A441.
Медь, которая чаще всего встречается в качестве остаточного агента в сталях, также добавляется для придания свойств дисперсионного твердения и повышения коррозионной стойкости.
3. Резюме, как показано ниже:
- Железо Fe
- Углерод C для прочности
- Марганец Mn для прочности (вторичный в диоксидере)
- Кремний Si < 0,3% Раскислитель
- Алюминий Al Зерноочиститель, <0,008% Раскислитель + Прочность
- Хром Cr Коррозионная стойкость и устойчивость к повышенным темп.
(уступает только Mo в сопротивлении ползучести)
- Молибден Mo 1% для сопротивления ползучести
- Ванадий V Прочность
- Никель Ni Применение при низких температурах и ударная вязкость
- Медь Cu Используется для атмосферостойких сталей (Corten)
- Сера S Остаточный элемент (может вызвать горячую нехватку)
- Фосфор P Остаточный элемент (может вызвать хрупкость) (хладноломкость)
- Titanium Ti Зерно, измельчитель, используется микролегирующий элемент (S&T)
- Ниобий Nb Зерноочиститель, Используется в качестве микролегирующего элемента (S&T)
Примечание: (S&T) = прочность и ударная вязкость
* Документ для справки:
- TWI
- http://www.otaisteel.com/technical-support/effects-of-common-alloying-elements-in-steel/
- https://online.tugraz.at/tug_online/voe_main2.getvolltext?pCurrPk=32837
- https://www.