Для чего в сталь вводятся легирующие элементы?

Легирующие элементы в жаропрочных сплавах

Калькулятор металлопроката

В статье рассказывается про применение различных легирующих элементов при производстве жаропрочных сталей и сплавов.

Практически все жаропрочные сплавы создаются на металлургических производствах с использованием технологии легирования. Сущность технологии заключается в расширении химического состава и усложнении структуры базовой основы сплава путем введения в него различных легирующих элементов. В конечном итоге сплав приобретает жаропрочность – способность длительное время сохранять механическую прочность и коррозионную стойкость при высоких температурах эксплуатации.

Пластическая деформация и разрушение сплава при интенсивном нагреве объясняется ослаблением и нарушением межатомных связей и диффузной ползучестью материала, краевой дислокацией в структуре кристаллической решетки. Чтобы сделать сплав жаропрочным, необходимо стабилизировать его структуру, предотвратить или свести к минимуму деформационные процессы, протекающие под воздействием высоких температур.

Для решения этих задач сплавы упрочняют легирующими элементами, которые повышают энергию, прочность и стабильность кристаллических связей, замедляют диффузию, оказывая влияние на увеличение размера зерен и упрочнение их границ, препятствуют рекристаллизации. Для наибольшего эффекта легирование выполняется не одним, а несколькими химическими элементами, которые помимо жаропрочности придают сплаву дополнительные технологические свойства.

Например, молибден, титан и ниобий являются карбидообразователями. Связывая содержащийся в сплаве углерод в прочные карбиды, они обеспечивают эффективное торможение дислокаций и диффузий, усиливают межатомные связи, способствую формированию более стабильной структуры материала и повышению его жаропрочности. Наличие в сплаве никеля обуславливает его сопротивление к окислению на воздухе, а в комбинации с кобальтом, никель способствует повышению длительной прочности сплава.

В металлургии для получения разных марок жаростойких сплавов, используют специальные полупродукты на основе железа (Fe), содержащие определенный процент необходимого легирующего элемента – ферросплавы. Вводимые в жидкую субстанцию того или иного металла, ферросплавы, в виде чушек, блоков или гранул, значительно упрощают технологическую схему и сам процесс корректировки химического состава жаростойкого сплава.

Необходимо отметить, что ферросплавами условно называют и те полупродукты, где железо не является базовой основой, а содержится лишь в виде примеси. Сортамент ферросплавов для легирования жаростойких металлов весьма разнообразен. Наиболее важными ферросплавами в современной металлургии являются ферроникель, ферровольфрам, ферромолибден, феррованадий, феррониобий, ферротитан, феррокобальт.

Рисунок 1. Сводная таблица легирующих элеменнтов.

Никель

Никель повышает пластичность, вязкость, теплоемкость сплава, увеличивает его сопротивляемость к образованию трещин и коррозии, улучшает возможности термообработки. В связи с этим ферроникель – один из самых распространенных и востребованных ферросплавов глобальной металлургической отрасли. Мировые стандарты определяют пять марок ферроникеля, содержащего 20-70% никеля, плюс незначительное количество углерода (С), серы (S), фосфора (Р), кремния (Si), хрома (Cr), меди (Cu).

Легированные никелем жаропрочные сплавы, как правило, содержат 8-25% никеля, а некоторые до 35% и более. Однако из-за того, что никель снижает твердость сплава, для легирования его обычно используют не в чистом виде, а в сочетании с железом, хромом, молибденом, титаном, ниобием и другими элементами. В качестве примера можно привести сплавы марок 12Х18Н9Т (Fe – около 61%) и 10Х17Н13МЗТ (Fe – около 67%) с содержанием никеля 8-9,5% и 12-14% соответственно.

Молибден и вольфрам

На физические характеристики сталей и сплавов вольфрам и молибден оказывают схожее влияние, существенно увеличивая предел длительной механической прочности при температурах до 1800°C (в вакууме). Достаточно ввести 0,3-0,5% этих элементов в сплав, чтобы заметно усилить его сопротивление ползучести, укрепить межатомные связи кристаллической решетки, повысить температурный предел рекристаллизации. Для сталеплавильной и литейной промышленности производят легирующие ферросплавы из молибдена и вольфрама с железом: ферромолибден (55-60% Мо) и ферровольфрам (65-85% W).

Для легирования в сплавы обычно вводят относительно небольшое количество молибдена (около 0,2-20%) и вольфрама (до 10-12%), поскольку переизбыток этих элементов способен повысить хрупкость сплава при нагреве. В качестве примера сплава, легированного молибденом и вольфрамом можно привести жаропрочную низколегированную сталь 12Х1МФ (Fe – около 96%) с содержанием Мо 0,25-0,35 процента. В этом же ряду жаропрочная релаксационностойкая сталь 20Х3МВФ (Fe – около 93%) содержащая Мо 0,35-0,55% и W 0,3-0,5%, а также сплав на основе никеля ХН57МТВЮ (Мо 8.5-10%, W 1.5-2.5%, Fe 8-10% и т.п.)

Ванадий

Для легирования в сплавы обычно вводят относительно небольшое количество молибдена (около 0,2-20%) и вольфрама (до 10-12%), поскольку переизбыток этих элементов способен повысить хрупкость сплава при нагреве. В качестве примера сплава, легированного молибденом и вольфрамом можно привести жаропрочную низколегированную сталь 12Х1МФ (Fe – около 96%) с содержанием Мо 0,25-0,35 процента. В этом же ряду жаропрочная релаксационностойкая сталь 20Х3МВФ (Fe – около 93%) содержащая Мо 0,35-0,55% и W 0,3-0,5%, а также сплав на основе никеля ХН57МТВЮ (Мо 8.5-10%, W 1.5-2.5%, Fe 8-10% и т.п.)

С целью повышения характеристик по жаропрочности, состав легирующих элементов усложняется, часто вместе с ванадием в сплав вводятся молибден, хром, никель и т.п. Показательным примером такой технологии легирования может служить жаропрочный сплав на основе железа марки 12Х2МФСР (Fe – около 95%) с содержанием V 0,2-0,35%, Мо 0,5-0,7%, Cr 1,6-1,9%, Ni до 0,25% и т.д. Еще один пример мультилегирования сплава с применением ванадия – жаропрочная сталь 15Х2М2ФБС, включающая в себя V 0,25-0,4%, Мо 1,2-1,5 %, Cr 1,8-2,3%, Ni до 0,3% и т.д.

Специальные ферросплавы

Все используемые в литейном производстве жаропрочных сплавов ферросплавы условно делятся на две группы: первая — ферросплавы массового применения, вторая — специальные ферросплавы. Ко второй группе относятся соединения железа с титаном, кобальтом, ниобием и рядом других элементов. Специальные ферросплавы применяют в небольших пропорциях 4–6%, и не только для повышения рабочей температуры жаропрочных сплавов, но для придания им особых свойств.

Например, феррониобий применяется для легирования жаропрочных хромоникелевых сталей, поскольку ниобий эффективно препятствует межкристаллитной коррозии, разрушающей границы зерна и ведущей к потере прочности материала. В свою очередь ферротитан вводится в жаропрочные сплавы для усиления общих антикоррозийных характеристик. Кроме того, титан улучшает свариваемость нержавеющих сталей. Легирование жаропрочных сплавов феррокобальтом позитивно сказывается на их релаксационной стойкости, особенно это касается хромистых сталей.

Источник: https://www.metotech.ru/art_garsplavy_2.htm

Для чего в сталь вводятся легирующие элементы

Сталь – один из самых востребованных материалов в мире сегодня.

Без нее сложно представить любую существующую строительную площадку, машиностроительные предприятия, да и много других мест и вещей, которые нас окружают в повседневной жизни.

Вместе с тем, этот сплав железа с углеродом бывает достаточно различным, потому в данной статье будет рассмотрено влияние легирующих элементов на свойства стали, а также ее виды, марки и предназначение.

Общая информация

Сегодня многие марки стали широко применяются практически в любой сфере жизнедеятельности человека.

Это во многом объясняется тем, что в этом сплаве оптимально сочетается целый комплекс механических, физико-химических и технологических свойств, которые не имеют какие-либо другие материалы.

Процесс выплавки стали непрерывно совершенствуется и потому ее свойства и качество позволяют получить требуемые показатели работы получаемых в итоге механизмов, деталей и машин.

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

• Конструкционная.
• Инструментальная.
• Специального назначения с особыми свойствами.

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

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

Специальные стали имеют свое разделение, которое предусматривает следующие группы:

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

Группы сталей по химическому составу

Классификацией озвучиваются стали в зависимости от образующих их химических элементов:

• Углеродистые марки стали.
• Легированные.

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

• Низкоуглеродистые (карбона менее 0,3%).
• Среднеуглеродистые (концентрация карбона равно 0,3 – 0,7 %).
• Высокоуглеродистые (карбона более 0,7%).

Что такое легированная сталь?

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

Несколько слов о качестве стали

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

• Химический состав.
• Однородность структуры.
• Технологичность.
• Механические свойства.

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

Легированная сталь и изменение ее свойств

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

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

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

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

Низколегированная сталь (марки: 20ХГС2, 09Г2, 12Г2СМФ, 12ХГН2МФБАЮ и другие). Особое место занимает сплав 13Х, который достаточно тверд для изготовления из него хирургического, гравировального, ювелирного оборудования, бритв.

Расшифровка

легирующих элементов в стали можно определить по ее маркировке. Каждая из таких вводимых в сплав составляющих имеет своё буквенное обозначение. Например:

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

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

Воздействие легирующих элементов

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

хрома в стали напрямую влияет на ее коррозионную стойкость. Этот химический элемент формирует на поверхности сплава в агрессивной окислительной среде тонкую защитную оксидную пленку. Однако для достижения такого эффекта в стали хрома должно быть не менее 11,7%.

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

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

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

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

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

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

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

Источник: https://steelfactoryrus.com/dlya-chego-v-stal-vvodyatsya-legiruyuschie-elementy/