II. Преимущества легированной стали
IV. Легирование инструментальной стали
V. Легирование нержавеющей стали
VII. Применение легированной стали
Легированная сталь отличается от обычной благодаря добавлению элементов, которые улучшают ее свойства: прочность, устойчивость к коррозии, способность выдерживать высокие температуры и магнитные свойства. Она находит применение в авиации, автомобилестроении, энергетике и других. Например, легированная сталь применяется для изготовления двигателей и компонентов авиационной и автомобильной техники, а также для создания трубопроводов в энергетических установках.
I. Легирующие элементы
Существует множество элементов, которые могут быть использованы для легирования. За исключением того, что почти все добавки улучшат твердость и прочность, перечислим несколько, выделив их основные свойства:
- Хром (Cr). Улучшает ее коррозионную стойкость и устойчивость к окислению.
- Никель (Ni). Защищает металл от коррозии и делает его хладостойким.
- Молибден (Mo). Повышает прочность и устойчивости к высоким температурам, износу, ржавчине.
- Ванадий (V). Повышает устойчивость стали к ударам и улучшает ее способность к термической обработке.
- Марганец (Mn). Способствует обработке и контролю гранулы, стабилизирует кристаллическую структуру.
- Кобальт (Co). Повышает прочность, твердость и магнитные свойства, стойкость к высоким температурам.
Аустенитообразующие элементы
Аустенит образуется, когда сталь нагревается до 750°С и углерод входит внутрь ячейки гамма-железа. Так как в углеродистой стали аустенитная структура существует только при температуре выше 727°С, то чтобы структура сохранилась при комнатной, добавляются легирующие элементы: марганец или никель. Например, к аустенитному классу относятся марки нержавейки AISI 304, 08Х18Н10Т.
Аустенитная сталь хладостойкая, хорошо деформируется, а в зависимости от легирующих элементов и их процентного содержания в составе приобретает немагнитные, жаропрочные и иные свойства.
Ферритообразующие элементы
Феррит — сплав углерода с легирующим элементом. Ферритно-образующими являются хром, цинк, алюминий, кремний, ниобий, титан. Хром — основной элемент, он стабилизирует ферритную структуру, а также образует на поверхности металла защитную пленку. Кремний повышает прочность и делает материал устойчивым, а молибден повышает термостойкость. Эти и другие лигатуры влияют на формирование ферритной структуры и определяют магнитные, коррозионные и тепловые свойства.
II. Преимущества легированной стали
Рассмотрим основные отличия легированной стали от железа и углеродистой стали:
Химический состав
Легирующие элементы повышают устойчивость к коррозии и улучшают другие характеристики, что делает сталь более прочной и способной выдерживать различные условия.
Механические свойства
Элементов улучшают прочность, твердость и устойчивость к износу.
В целом, легированная сталь является более продвинутым и улучшенным материалом по сравнению с обычным железом и углеродистой сталью.
III. Легирующие элементы в конструкционной стали
В конструкционной стали распространены следующие элементы:
- Марганец (Mn). Помогает сформировать тонкий и однородный грануловидный перлит, что улучшает пластичность и ударную вязкость.
- Хром (Cr). Образует хромовые оксидные пленки на поверхности стали, они защищают от окисления и коррозии. Хром в содержании 2% в составе феррита уменьшает его склонность к хрупкому разрушению, то есть металл становится прочнее и выдерживает более низкие температуры.
- Никель (Ni). Сильнее других элементов улучшает прочность и устойчивость к разрушению стали при низких температурах.
- Вольфрам (W). Повышает твердость и прочность стали при высоких температурах. Используется в высокотемпературных средах, в авиационной и энергетической промышленности.
- Ванадий (V). Образует карбиды, которые улучшают структуру и способствуют формированию твердых и износостойких поверхностей.
Другие легирующие элементы (молибден, титан, ниобий, алюминий, бор) тоже добавляют в конструкционную сталь. Маркируется конструкционная сталь цифрами и буквами, в начале ставится округленное до целого числа процентное содержание углерода, а затем буквы, обозначающие добавки. Если перед буквами нет цифр, значит содержание элемента меньше 1%.
IV. Легирование инструментальной стали
Распространенные элементы в инструментальной стали:
- Вольфрам (W). Один из наиболее важных легирующих элементов в инструментальной стали. Повышает твердость и износостойкость, что делает ее идеальной для производства режущих инструментов, таких как сверла, фрезы и пластины.
- Молибден (Mo). Повышает твердость, прочность и термическую стойкость, устойчивость к износу и окислению.
- Ванадий (V). Способствует формированию тонкой и однородной структуры, что улучшает ее прочность и пластичность, делает сталь твердой и устойчивой к износу и истиранию.
- Хром (Cr). Как и в конструкционных, защищает от коррозии и ржавчины, окисления в средах и при высоких температурах.
- Кобальт (Co). Способствует образованию твердых карбидных частиц, что улучшает износостойкость и стабильность режущего инструмента. Положительно влияет на устойчивость к высоким температурам, добавляется для жаропрочности.
Выбор и сочетание легирующих элементов зависит от требований к конкретному инструменту и условий его эксплуатации. Маркировка у инструментальных сталей такая же, как у конструкционных
V. Легирование нержавеющей стали
Ниже приведены некоторые распространенные легирующие элементы и примеры их процентного содержания:
- Хром (Cr). Ведущий легирующий элемент, который и придает антикоррозийные свойства. Процентное содержание хрома варьируется от 10% до 30% и более.
- Никель (Ni). Улучшает механические свойства и способствует сохранению прочности и твердости при низких температурах. Процентное содержание никеля обычно составляет от 8% до 25%.
- Молибден (Mo). Повышает сопротивление критической коррозии, особенно в агрессивных средах, таких как морская вода и хлориды. Процентное содержание от 2% до 6%.
- Марганец (Mn). Помогает контролировать образование фаз и стабилизирует структуру. Содержание составляет от 2% до 6%.
- Кремний (Si). Улучшает сопротивление коррозии при высоких температурах. Процентное содержание кремния от 0,5% до 3%.
- Медь (Cu). Повышает механическую прочность. Процентное содержание меди составляет до 3%.
Примеры марок нержавеющей стали, которые получаются в результате легирования:
- AISI 304: Содержит 18% Cr и 8% Ni. Применяется в пищевой, химической, медицинской и других отраслях.
- AISI 316: Содержит около 16% Cr, 10% Ni и 2% Mo. Обладает лучшими механическими свойствами по сравнению с AISI 304.
- AISI 410: Содержит около 11,5% Cr. Используется в производстве износостойких инструментов и деталей.
- AISI 2205: Принадлежит к классу дуплексных нержавеющих сталей и содержит примерно 21–24% Cr, 5,8% Ni и 3% Mo. Обладает отличной коррозионной стойкостью и применяется в нефтегазовой и химической промышленности.
Указанные процентные соотношения варьируются в зависимости от стандарта, спецификаций и требований конкретного применения нержавейки.
VI. Методы легирования
Рассмотрим способы легирования, которые используются в наше время.
Объемное легирование:
- Металлургический способ, при котором металл сплавляется с легирующим элементом в печах.
- При механическом способе легированные элементы вбиваются и вдавливаются в исходный материал с помощью валков. Происходит это в специальных барабанах — аттриторах.
- Совместное восстановление — это смешивание добавок в виде порошков с восстановителем, который восстанавливает порошковые оксиды до металла. В это же время все компоненты смешиваются, состав выравнивается и сплав в виде порошка отправляется на следующую переработку.
Электроискровое
Между металлом и легирующим элементом создают плотный ток, в результате которого легирующая добавка плавится и оседает на поверхности. Расплавленные частицы проникают в лунку, образованную после тока, привариваются и проникают в металл. Так получается легированный металл.
Легирование полупроводников
Для полупроводников существуют свои методы легирования. В процессе не только вводятся легирующие примеси, но и специально создаются структурные дефекты. В комплексе это помогает изменить свойства материала.
- Радиационное легирование — кристаллы полупроводников облучают ядерными частицами, в результате чего некоторые атомы проводника превращаются в атомы других химических элементов. У проводника, легированного радиацией, самая лучшая однородность.
- Диффузионное — проводится при температуре выше 1000°С и в течении долгого времени. Подразделяется на общую и локальную. При общей диффузия распределяется по всей поверхности пластины, а при локальной — на определенных участках, но проникновение происходит не только вглубь материала, но и в стороны.
- Ионное — создает тонкие легированные слои. Ускоренные ионы очень быстро ударяются и бьются о поверхность полупроводника, вбивая частицы примесей. Минус такого метода — дефекты в структуре кристаллической решетки.
VII. Применение легированной стали
Вот некоторые области, где легированная сталь находит свое применение:
- Авиация: крылья, стойки шасси, двигатели и компоненты самолетов.
- Автомобилестроение: детали двигателя, подвески, трансмиссии.
- Энергетика: трубопроводы и оборудование для нефтяных и газовых скважин, турбины.
Применение легированной стали не ограничивается только указанными отраслями, она также используется в производстве инструментов, электроники, судостроении, производстве нефтяных и газовых сооружений и многих других областях, где требуется сочетание прочности, стойкости и долговечности.
VIII. Источники
«Основы легирования стали» Меськин В. С. Металлургия, 1964