Для чего вводят в стали легирующие элементы?

Легирующие элементы и примеси в сталях: краткий справочник

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 (O₂) 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:

1. Если легирующих элементов менее 2,5 %, стали относят к низколегированным.
2. При их содержании от 2,5 до 10 % стали считаются среднелегированными.
3. 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.

Влияние легирующих элементов на сталь – как делают идеальные сплавы?

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

1 Группы легирующих элементов и их обозначение

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

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

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

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

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

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

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

2 Какие свойства сплавов позволяют улучшить легирующие добавки?

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

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

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

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

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

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

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

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

3 Влияние конкретных химических элементов на свойства стали – коротко об основном

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

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

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

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

Легирование стали

Легирование стали необходимо для изготовления инструментов и полупроводников. В первом случае особое внимание обращают на механические свойства, а во втором — на токопроводящие характеристики. Это требует не только разных добавок (например, легирование стали алюминием), но и разных технологических процессов. Легированная сталь представляет собой железоуглеродистый сплав с дополнительными элементами (никель, хром, молибден, кобальт и алюминий) для придания этой стали особых характеристик, таких как: устойчивость к коррозии, гибкость и твердость, что делает ее лучше обычной углеродной стали.

Сплавы, как правило, обозначаются в соответствии с преобладающими элементами, такими как никелевая сталь, хромистая сталь и хромованадиевая сталь. Сплавы можно встретить практически во всех отраслях промышленности, от гражданского строительства до судостроения, в нефтяной, автомобильной и авиационной отраслях.

Разнообразие возможных сплавов практически бесконечно, как и разнообразие характеристик.

Процесс легирования

Легированная сталь может быть произведена несколькими способами. Легирование бывает поверхностным и объемным. В первом случае легирующие добавки вводятся только в верхний слой. Легирующий элемент проникает неглубоко, примерно на 1-2 мм. Это необходимо для создания на поверхности металла определенных свойств (например, антифрикционных). Поверхностное легирование намного лучше напыления, а поэтому часто применяется при изготовлении керамики и стекла. Введение добавок во весь объем металла предусматривается объемным легированием.

Легирующих добавок может быть несколько. Они могут быть как металлическими, так и не металлическими (например, фосфор). Для получения различных характеристик легирование может производиться на различных этапах плавки.

Добавление легирующих элементов направлено на создание микроструктурных изменений, которые, в свою очередь, способствуют изменению физико-механических свойств материала, позволяя ему выполнять определенные функции.

Легирование полупроводников проводится с помощью термодиффузии, нейтронно-трансмутационного легирования и ионной имплантацией. Ионное легирование проводится в два этапа. Сначала проводится загонка легирующих атомов, а затем их активируют. Распределение элементов зависит от температуры и времени, глубина вхождения — от энергии. При термодиффузии происходит осаждение легирующих элементов, отжиг и удаление легирующих элементов. Нейтронно-трансмутационное легирование происходит благодаря ядерным реакциям — в данном случае легирующие и легируемые элементы объединяются монокристаллический материал.

Свойства и назначение

Наиболее часто используемыми легирующими элементами являются никель, марганец, хром, кремний, свинец, селен и бор. Менее часто используются алюминий, медь, ниобий, цирконий и вольфрам.Назначение этих элементов очень разнообразно, и при использовании в нужных пропорциях стали получают с определенными характеристиками, которые, однако, не могут быть достигнуты с обычными углеродистыми сталями.Сплавы обычно классифицируются с учетом элементов, содержание которых наиболее велико, и которые называются базовыми компонентами. Элементы, которые находятся в меньшей пропорции, рассматриваются как вторичные компоненты.

Железо само по себе не особо прочное, но его прочность значительно возрастает, когда он легируется углеродом, а затем быстро охлаждается для производства стали. Некоторые характеристики стали — мягкая, полумягкая, полутвердая, твердая — в значительной степени обусловлены содержанием углерода, которое может составлять от 0,10 до 1,15%.

Риски

Некоторые ферросплавы производятся и используются в форме мелких частиц; переносимая по воздуху пыль представляет собой потенциальную опасность токсичности, пожара и взрыва. Кроме того, профессиональное воздействие паров при изготовлении некоторых сплавов может привести к серьезным проблемам со здоровьем. Ряд сплавов олова опасен для здоровья (особенно при высоких температурах) из-за вредных свойств металлов, с которыми можно легировать олово (например, свинец).

Практическое применение легирующих добавок

Никель, осмий, рутений, медь, золото, серебро и иридий легируются платиной для повышения твердости. Сплавы, образованные с кобальтом, приобрели значение благодаря своим ферромагнитным свойствам. Родий используется в качестве антикоррозийного электролитического покрытия для защиты серебра от потускнения. Родий легируется платиной и палладием, чтобы получить очень твердые сплавы.Цель легирования медью — повысить коррозионную стойкость.Также медью легируют серебро. В чистом виде серебро слишком мягкое для изготовления монет, столовых приборов и украшений, для всех областей применения оно упрочняется путем легирования медью.

Черные сплавы

Черные сплавы — это железо и его сплавы. Значительное содержание углерода делает чугун очень хрупким. Несмотря на свою хрупкость и более низкие механические свойства, чем у стали, их низкая себестоимость, простота литья и специфические характеристики делают их одним из самых ценных в мире продуктов с самым большим тоннажем производства.

Цветные сплавы

Цветные сплавы — это сплавы, которые не содержат железа или содержат относительно небольшое количество железа. Их характеристики — значительная коррозионная стойкость, высокая электро- и теплопроводность, низкая плотность и простота производства.

Нержавеющая сталь

Общие характеристики нержавейки делают ее универсальным материалом, который хорошо адаптируется к требованиям сегодняшнего дня. Любые виды сплавов имеют свои преимущества в зависимости от химического состава.

Эстетика. Существует ряд видов отделки поверхности: от матовой до глянцевой, от сатиновой до гравировки. Отделка также может быть узорчатой или окрашенной, что делает нержавеющую сталь уникальным и эстетичным материалом. Архитекторы часто выбирают этот материал для строительных работ, дизайна интерьера и городской мебели.

Механические свойства.Нержавейка обладает лучшими механическими свойствами при комнатной температуре по сравнению с другими материалами, что является преимуществом в строительном секторе, так как позволяет снизить вес на м² или уменьшить размеры элементов конструкции. Хорошая эластичность и твердость в сочетании с неплохой износостойкостью (трение, истирание, удары, эластичность…) позволяют использовать нержавейку в широком спектре проектов. Кроме того, нержавейка может устанавливаться на стройплощадке, несмотря на зимние температуры, без риска хрупкости или поломки, что не препятствует удлинению сроков строительства.

Огнеупорность. По сравнению с другими металлами, нержавейка обладает лучшей огнеупорностью в конструкции благодаря высокой температуре плавления (выше 800 °C). Нержавейка не выделяет токсичных паров. Коррозионная стойкость: при содержании хрома 10,5% нержавеющая сталь постоянно защищена пассивным слоем оксида хрома, который естественным образом образуется на ее поверхности при контакте с влажностью воздуха. При повреждении поверхности пассивный слой восстанавливается. Это обеспечивает коррозионную стойкость.

Классификация легированных сталей

Сплавы разделяются на три категории: низколегированные, среднелегированные и высоколегированные. На степень легирования стали влияет средний уровень количества других включенных элементов. Граница, разделяющая категории, не очень ясна.

Классификация по содержанию легирующих элементов:

• низколегированная (до 2,5%);
• среднелегированная (до 10%);
• высоколегированная (от 10% до 50%).

По практическому применению:

• конструкционные (машиностроительные или строительные);
• инструментальные;
• специального назначения.

Маркировка легированных сталей

Требования оговаривает ГОСТ 4543-71. Легирующие добавки обозначаются так:

• Н — никель,
• Г — марганец,
• Е — селен,
• А — азот,
• С — кремний,
• Т — титан,
• В — вольфрам,
• Ф — ванадий,
• Д — медь,
• М — молибден,
• X — хром.

ГОСТ 4543-71 Прокат из легированной конструкционной стали

После каждой буквы указывается количество элемента.Среднее содержание основных элементов указывается с точностью до 1%, углерод даётся в сотых долях процента. Первая цифра обозначает, сколько углерода содержит сталь.

Влияние основных легирующих элементов на свойства стали.

Влияние отдельных компонентов на свойства стали

Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Wo, V, А1, В, Ti и др.), а также Мn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.

Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15. 20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых сталей.

Влияние примесей

Постоянные (технологические) примеси являются обязательными компонентами сталей и сплавов, что объясняется трудностью их удаления как при выплавке (Р,S). Так и в процессе раскисления (Si, Mn) или из шихты — легированного металлического лома (Ni, Cr и др.).

К постоянным примесям относят углерод, марганец, кремний, серу, фосфор, а также кислород, водород и азот.

Углерод

При увеличении содержания углерода до 1,2% возрастают прочность, твердость, порог хладноломкости (0,1%С повышает температуру порога хладноломкости на 20С), предел текучести, величина электрического сопротивления и коэрцитивная сила. При этом снижаются плотность, теплопроводность, вязкость, пластичность, величины относительных удлинения и сужения, а также величина остаточной индукции.

Существенную роль играет то, что изменение физических свойств приводит к ухудшению целого ряда технологических характеристик — таких, как деформируемость при штамповке, свариваемость и др. Так, хорошей свариваемостью отличаются низкоуглеродистые стали. Сварка средне и особенно высокоуглеродистых сталей требует применения подогрева, замедляющего охлаждение, и других технологических операций, предупреждающих образование трещин.

Марганец

Марганец вводят в стали как технологическую добавку для повышения степени их раскисления и устранения вредного влияния серы. Марганец считается технологической примесью, если его содержание, не превышает 0,8%. Марганец как технологическая примесь существенного влияния на свойства стали не оказывает.

Кремний

Кремний также вводят в сталь для раскисления. Содержание кремния как технологической примеси обычно не превышает 0,37%. Кремний как технологическая примесь влияния на свойства стали не оказывает. В сталях, предназначенных для сварных конструкций, содержание кремния не должно превышать 0,12-0,25%.

Сера

Пределы содержания серы как технологической примеси составляют 0,035-0,06%. Повышение содержания серы существенно снижает механические и физико-химические свойства сталей, в частности, пластичность, ударную вязкость, сопротивление истиранию и коррозионную стойкость. При горячем деформировании сталей и сплавов большое содержание серы ведет к красноломкости. Кроме того, повышенное содержание серы снижает свариваемость готовых изделий.

Фосфор

Пределы содержания фосфора как технологической примеси составляют 0,025-0,045%. Фосфор, как и сера, относится наиболее вредным примесям в сталях и сплавах. Увеличение его содержания, даже на доли процента, повышая прочность, одновременно повышает текучесть, хрупкость и порог хладноломкости и снижает пластичность и вязкость. Вредное влияние фосфора особенно сильно сказывается при повышенном содержании углерода.

Кислород и азот

Кислород и азот растворяются в ничтожно малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями (оксидами, нитридами, газовой фазой). Они оказывают отрицательное воздействие на свойства, вызывая повышение хрупкости и порога хладноломкости, а также снижают вязкость и выносливость. При содержании кислорода более 0,03% происходит старение стали, а более 0,1% — красноломкости. Азот увеличивает прочность и твердость стали, но снижает пластичность. Повышенное количество азота вызывает деформационное старение. Старение медленно развивается при комнатной температуре и ускоряется при нагреве до 250oС.

Водород

Увеличение его содержания в сталях и сплавах приводит к увеличению хрупкости. Кроме того, в изделиях проката могут возникнуть флокены, которые развивает водород, выделяющийся в поры. Флокены инициируют процесс разрушения. Металл, имеющий флокены, нельзя использовать в промышленности.

Влияние легирующих элементов

Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15-20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых.

Все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости.

Классификация

По применимости для легирования можно выделить три группы элементов. Применимость для легирования различных элементов определяется не столько физическими, сколько, в основном, экономическими соображениями.

• Mn,Si,Cr,B;
• Ni,Mo;
• V, Ti, Nb, W, Zr и др.

Легирующие элементы по механизму их воздействия на свойства сталей и сплавов можно разделить на три группы:

• влияние на полиморфные (альфа-Fe -> гамма-Fe) превращения;
• образование с углеродом карбидов (Сг,Fе)₇С₃; (Сг,Ре)₂₃С₆; Мо₂С и др.;
• образование интерметаллидов (интерметаллических соединений) с железом — Fе₇Мо₆; Fe₃Nb и др.

По характеру влияния на полиморфные превращения легирующие элементы можно разделить на две группы:

• элементы (Cr, W, Mo, V, Si, Al и др.), достаточное содержание которых обеспечивает существование в сталях при всех температурах легированного феррита (ферритные ставы);
• элементы (Ni, Mn и др.), стабилизирующие при достаточной концентрации легированный аустенит при всех температурах (аустенитные сплавы). Сплавы, только частично претерпевающие превращение гамма->альфа, называются, соответственно, полуаустенитными или полуферритными.

Легирование феррита сопровождается его упрочнением. Наиболее значительно влияют на его прочность марганец и хром. Причем чем мельче зерно феррита, тем выше его прочность.
Многие легирующие элементы способствуют измельчению зерен феррита и перлита в стали, что значительно увеличивает вязкость стали. Однако все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости. Никель понижает порог хладноломкости.
Легированный аустенит парамагнитен, обладает большим коэффициентом теплового расширения. Легирующие элементы, в том числе азот и углерод, растворимость которого в аустените при нормальной температуре достигает 1%, повышают его прочность при нормальной и высокой температурах, уменьшают предел текучести.
Легированный аустенит является основной составляющей многих коррозионностойких, жаропрочных и немагнитных сплавов. Он легко наклепывается, то есть быстро и сильно упрочняется под действием холодной деформации.
Легирующие элементы (исключение кобальт), повышая устойчивость аустенита, снижают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость. Для многих аустенитных сплавов критическая скорость закалки снижается до 20°С/с и ниже, что имеет большое практическое значение.
Карбидообразующие элементы: Fe — Mn — Cr — Mo — W — Nb — V — Zr — Ti (за исключением марганца) препятствуют росту зерна аустенита при нагреве. Сталь, легированная этими элементами, при одинаковой температуре сохраняет более высокую дисперсность карбидных частиц, и соответственно большую прочность.
Интерметаллиды образуются при высоком содержании легирующих элементов между этими элементами или с железом. Примером таких соединений могут служить Fe₇Mo₆, Fe₃Nb₂ и др. Интерметаллиды, как правило, отличают повышенные твердость и хрупкость.

В следующей таблице показано влияние наиболее применяемых легирующих элементов на свойства стали.

Для чего легируют стали

Содержание

Изобретение легирования – великий дар науки человечеству. Термин «ligare» происходит от латинского – связывать, и обозначает усиление требуемых характеристик с помощью добавок. Таким образом, можно повысить прочность, стойкость к холоду, влаге и агрессивным веществам.

Стальной расплав получают из чугуна. Первоначально он имеет тот же химический состав: железо, углерод, незначительные доли кремния и марганца, вредные примеси в виде серы и фосфора, кроме этого присутствуют соединения атмосферных газов. В середине XIX века с изменением взгляда на химию, было открыто, что присадки некоторых металлов могут встраиваться в углеродную структуру, изменяя ее химические и физические свойства. Первым изобретением стал прототип режущих марок с присадками вольфрама, созданный английским металлургом Р. Мюшеттом в 1858 году.

Массовое применение легированных сталей началось в 1882 с производства цепей велосипедов, но главный толчок распространению технологии дали первые автомобильные концерны. Позже влияние легирующих элементов на качество металлов дало возможность возводить масштабные инфраструктурные сооружения: мосты, стадионы, сложные инженерные системы. Дополнительный толчок получили сферы производства трубопропроводной арматуры и сверхпрочных крепежей.

Производство легированной стали

Металлургическая промышленность во многом изменилась, так как обработка легированной стали требовала новых знаний. Сплавы оказались чувствительны к термическим режимам, было открыто явление отпускной хрупкости, заготовки начали остужать не на воздухе, а в воде или масле. Изменение показателей теплопроводности привело к поискам эффективных способов сварки.

Свойства легированных сталей

В основе легирования лежит образование новой структуры – перекристаллизация. Каркасом молекулярного строения служит твердый раствор, сформированный карбидами. Согласно правилам Юм-Розери, атомы присадок встраиваются в металл по алгоритмам внедрения или замещения. Для этого перед легированием из расплава частично удаляют углерод. Его концентрация в составе стали указывается в начале маркировки в сотых долях процента. Например, в сплаве 15Х25Т1 его содержание составляет 0,15%.

Характеристика конструкционных и легированных сталей

Дополнительная прочность легированных сталей достигается благодаря дисперсному твердению – выделению наноразмерных частиц. При нагреве легирующий элемент может целиком уйти в твердый раствор, а при охлаждении образует второстепенную фазу, равномерно распределяясь внутри кристаллической решетки.

Существует специальная категория коррозийно-стойких легированных сталей:

• Активное железо в системе Cr-Ni-Mn-Si связывается и не может взаимодействовать с агрессивными веществами.
• Некоторые добавки увеличивают жаростойкость – способность противостоять реагентам при высоких температурах.
• Марганец является активным раскислителем и не допускает образования оксидов.

Свариваемость легированных сталей благодаря современным методам находится на высоком уровне. Выбор способа зависит от количества добавок: учитывают терморежимы, подбирают защитную среду и присадочные материалы, подходящие всем компонентам.

Классификация легированных сталей

Чем выше содержание углерода, тем больше добавок можно связать твердым раствором. Однако у каждого компонента есть предел, при котором увеличение концентраций становится неэффективным. Дисперсионное твердение широко применяется с 1950-х годов. Частицы формируются из интерметаллидов, свободных от карбидных соединений. Упрочнение присуще комплекснолегированным материалам.

Стальные сплавы классифицируют по количеству присадок:

• Низколегированные (до 2,5%) – имеют улучшенные механические свойства в сравнении с нелегированными, применяются для изготовления ответственных сварных конструкций, подшипников, кованых изделий.
• Среднелегированные (2,5-10%) – стойкость в тяжелых условиях: агрессивные среды, ударные нагрузки.
• Высоколегированные (от 10%) – специального назначения, используемые во всех областях промышленности и в быту.

Баланс достигается благодаря взаимодействию нескольких элементов, это не только придает устойчивость химической структуре, но и создает комплекс уникальных качеств. Например, особо прочные медицинские инструменты проходят многоступенчатую закалку, но этот же материал без сложной термообработки можно использовать для работы с кислотосодержащими продуктами: в виноделии, на молочном производстве.

Какие стали относятся к легированным

Распространено определение, относящее сплав с нехарактерными примесями к легированным. Его нельзя назвать точным. Технологический процесс подразумевает замещение атомов углерода металлами, стабилизирующими молекулярное строение, придающими дополнительные качества.

Готовая легированная сталь

Сегодня разработано более тысячи стальных сплавов, применяемых в морском судостроении, в добывающей и перерабатывающей промышленности и других отраслях.

Примеры легированных сталей:

• Низколегированная сталь 09Г2С в сравнении с очищенными углеродными аналогами имеет высокую механическую прочность, что позволяет создавать более тонкие элементы масштабных сварных конструкций, а хорошая свариваемость позволяет быстро их монтировать. Отличительной особенностью является стойкость к охрупчиванию при низких температурах, благодаря чему 09Г2С широко используется для прокладки инженерных сетей и строительства зданий в условиях крайнего севера.
• Универсальный нержавеющий материал 08Х18Н10 широко применяется в пищевом производстве, изготовлении лестничных перил и мебели, кухонных и столовых приборов.
• Из 40ХН2МА производят тяжелонагруженные детали буровых установок, поршней, коленчатых валов. Ванадий и молибден усиливают прочностные характеристики, изделия подвергаются азотированию и поверхностные слои достигают высочайшей микротвердости, сердцевина при этом сохраняет ударную вязкость. Это свойство предотвращает образование трещин и обеспечивает долгую службу дорогостоящих установок.