Что такое легирование металла
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:
По практическому применению:
Маркировка легированных сталей
Требования оговаривает ГОСТ 4543-71. Легирующие добавки обозначаются так:
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.
Что значит легирующие металлы
Легирование (в переводе с латинского ligare – «связывать») – это процесс введения в состав материала (металла, сплава, полупроводника) определенных примесей. Применяется легирование для изменения или улучшения физических и химических свойств металлов, сплавов. В особенности, для придания металлам и сплавам повышенной коррозионной стойкости. Металл, подвергшийся легированию, называется легированным.
Легирование может быть объемным и поверхностным. Объемное легирование предусматривает введение добавок в весь объем металла. Поверхностное же легирование – введение легирующих добавок только в верхний (поверхностный) слой. Существует много технологий легирования, как поверхностного, так и объемного. Поверхностное обогащение предусматривает проникновение легирующего элемента в слой, глубиной около одного – двух миллиметров. Для создания определенных свойств на поверхности металла (например, антифрикционных). Выбор технологии и легирующих добавок во многом зависит от отрасли, в которой металлическое изделие будет использоваться.
Подвергаются легированию различные марки сталей, чугунов, также чистые металлы, полупроводники. Добавки могут быть как металлические (алюминий, никель, хром, цинк, кобальт и др.), так и неметаллические (кремний, сера, фосфор и т.д.). Легирующих добавок может быть одна или несколько, которые придают основному металлу специальные свойства. Изменение жаростойкости, твердости, коррозионной стойкости, прочности, пластичности и других характеристик – вот основная цель легирования металлов и сплавов.
Легирование является эффективной защитой металлов от коррозии в различных средах, как при обычных температурах, так и при повышенных.
Легирование очень эффективно (в целях повышения коррозионной стойкости), если происходит соединение активного и пассивного металлов. Образовавшийся сплав отличается устойчивостью к воздействию агрессивных сред за счет способности второго металла легко пассивироваться. Например, легирование железа алюминием либо хромом способствует повышению его сопротивления к окислению. Медь и никель добавляют в основной металл, если необходимо, чтоб он не подвергался атмосферной коррозии.
Легирование стали
Легирование сталей проводится для повышения их коррозионной стойкости и придания некоторых механических свойств. С железом легирующие элементы образуют твердые растворы, а при взаимодействии с неметаллическими включениями в стали – избыточные фазы и неметаллические включения.
Каждая марка стали изготавливается по определенной технологии и химический состав должен соответствовать стандартам. В России и Украине – это ГОСТ, Германии (ФРГ) – DIN, Чехословакии (Чехии) – CSN, Франции – A.F.N.O.R, США – AISI, в Великобритании – B.S., Швеции – SIS, Венгрии – MSZ и т.д.
Отечественное обозначение сталей (маркировка) состоит из сочетания цифр и букв. Буквы показывают, какой химический элемент входит в состав данной марки стали. Цифры же – определяют его количество. Легирующим элементам принято присваивать определенную букву из русского алфавита. Вот обозначения некоторых из них:
За каждым буквенным обозначением химического элемента, который используется для легирования стали, следует цифровое значение, которое указывает концентрацию данной легирующей присадки. Число, которое стоит с самого начала, дает нам информацию о том, сколько углерода содержит данная марка стали (в сотых долях масс. %).
Такая номенклатура позволяет быстро определять состав стали только по ее названию (марке).
В зависимости от того, сколько содержится в стали легирующих элементов, ее классифицируют на: высоколегированную сталь (больше 10%), среднелегированную сталь (2,5 – 10% легирующих элементов), низколегированную (до 2,5 %).
Всем известно отличие стальных конструкций от чугунных аналогов. Фактически, две раз новидности черного металла различаются по концентрации углерода относительно железа. Предельная величина концентрации углерода составляет 2.14% и выбрана не случайно. Это пороговое значение растворимости элемента C в аустените – высокотемпературной модификации Fe с гранецентрированной решеткой. Современные технологии позволяют преодолевать предельное значение: содержание углерода в высокоуглеродистых сталях составляет до 3.4%.
Впрочем, суть эпилога в другом: сталь – это легированное углеродом железо, а добавление других металлов, позволяет управлять свойствами черного металла. Процесс аналогичен игре ребенка с конструктором, когда, зачастую, только практический эксперимент позволяет определить эффективность легирования. Действительно, влияние легирующих элементов на свойства стали — часто остается на эмпирическом уровне и не следует определенной логике. Исключение составляет, пожалуй, только Ванадий – элемент, добавление которого к стали позволяет улучшить такие характеристики, как ковкость и твердость.
Легированные стали классификация и маркировка
Базовая сортировка низкоуглеродистого железа позволяет разделить его на две разновидности. Фактически, основная классификация легированных сталей ведется по способу их использования:
Классификация легированных сталей по назначению
Первый вопрос общего плана что значит легированная сталь? Уже получил ответ выше. Это разновидность низкоуглеродистого железа, имеющая внедрения других металлов для улучшения определенных параметров. Этот термин дает ответ и на следующий вопрос: для чего в сталь вводятся легирующие элементы? Таким образом, разобравшись, что такое легированная и нелегированная сталь можно перейти к рассмотрению двух базовых разновидностей этого металла.
Маркировка легированных сталей
Конструкционные легированные стали
Толстостенные трубы из конструкционной стали
Классификация этого вида низкоуглеродистого железа достаточно обширна. Среди параметров, определяющих сортировку конструкционной стали присутствуют:
В частности, различают такие виды проката конструкционной легированной стали: круглый (марка 40х), квадратный, шестигранный, профильный под косые шайбы и полосы. Также, согласно ГОСТ 1113-88, конструкционная сталь производится в виде кованых прутков квадратного и круглого сечения. Обособленная разновидность этого вида легированного черного метала – сталь со специальной отделкой поверхности (ГОСТ 14955).
Разобраться какие стали называются легированными (конструкционный металл) поможет ГОСТ 4543-71. Соответственно этому документу изготовляется конструкционное низкоуглеродистое железо. Таким образом, вопрос «дайте определение легированных сталей», сводится к ассортименту добавок, вводимых в металл для улучшения его характеристик. Это: азот, хром, кремний, бор, тугоплавкие металлы. Дополняют ряд никель, медь, алюминий и прочие цветные металлы.
Рассматривая конструкционные легирующие стали, следует обратить внимание на такой критерий, как общее содержание примесей. Он сортирует металл на три класса:
Во всех случаях указывается массовый процент легирующей добавки.
Химический состав – еще один фактор классификации. Классификация конструкционной легированной стали, разделяющий ее на качественную, высококачественную, маркируемую литерой «А» и металл электрошлакового переплава — особо высококачественная разновидность с ведущей «Ш» в маркировке.
Аналогично качеству химического состава, различают три категории легированной конструкционной стали, соответственно качеству обработки поверхности. Дополнительный критерий сортировки в этом случае – вид обработки. Это, во-первых, кованый или горячекатаный прокат, калиброванный металл, а также сталь со специальной отделкой поверхности.
Уровень термической обработки отражает маркировка легированных сталей. В частности, литера «Т» говорит о термически обработанном металле, «Н» – нагартованном. Обозначение легирующих элементов в стали указывается после содержания углерода (первая пара цифр).
Нагартовка — это упрочнение металлов и сплавов вследствие изменения их структуры и фазового состава в процессе пластической деформации при температуре ниже температуры рекристаллизации (определение из Википедии)
Дополнительные обозначения легированных сталей указывают на следующие особенности:
Альтернативная классификация конструкционных сталей по сфере использования, разделяет металл на подшипниковый, рессорно-пружинный и теплоустойчивый. В первых двух случаях наименования говорят сами за себя, тогда как последний вариант соответствует металлу, сектор применения которого — энергетическое машиностроение. Подобные конструкционные стали используются в производстве котлов, паронагревателей или сосудов.
Инструментальные легированные стали
Инструментальные легированные стали
Данный вид низкоуглеродистого железа обладает иными приоритетным параметрами, сосредоточенными на высоких показателях твердости и износостойкости. Обе характеристики улучшаются с повышением концентрации углерода в металле.
Первоочередно вопрос, затрагивающий легированные стали – применение этого вида металла. Область использования, как указывалось ранее, соответствует названию категории. Подобная сталь – это материал для производства трех основных групп инструментов:
Первая категория объединяет резцы, фрезы, долбяки. К ней относится и класс быстрорежущей стали, отличающейся красностойкостью, а также сохранением режущих характеристик при нагреве до температуры 700 0 С. Другая отличительная особенность быстрорежущей стали – скорость обработки металла, превышающая аналогичный параметр обычных инструментальных марок в пять раз. Маркировка быстрорежущих марок производится литерой «Р», где последующие цифры указывают процентное вхождение вольфрама.
Документ, описывающий инструментальные легированные стали — ГОСТ 5950 – 73. Данная разновидность обладает улучшенной теплостойкостью, диапазон значений данного параметра переносится в интервал 250 – 300 0 С. Увеличение данной характеристики сказывается на скорости резания, повышая ее значение на 20 – 40%.
Рассматривая, как влияют легирующие элементы на свойства стали, остановимся на нескольких элементах.
Кремний, марка – 9ХС. Введение элемента в состав инструментальной стали повышает ее прокаливаемость до 40 мм. Дополнительный эффект связан с улучшением стойкости мартенсита при отпуске. Впрочем, элемент приносит и отрицательные нюансы в легируемый металл. Стали, содержащие кремний плохо поддаются резанию.
Изделия из легированной конструкционной стали
Марганец, марки – ХВГ, 9ХВСГ. Легирование этим металлом приводит к снижению деформации инструмента в процессе закалки. Наиболее эффективен данный тип легирования для протяжек – инструментов, обладающих большим соотношением длины к диаметру поперечного сечения.
Хром. Легирование элементом применяется для улучшения твердости стали после закалки.
Легированный металлолом
Обзор рынка легированного лома касается не только стали, но и чугуна. Действительно, доля объявлений купим легированный лом чугуна, не особо уступает спросу на вторичное низкоуглеродистое железо. Прием легированного лома осуществляется практически всеми пунктами, работающими с черным металлом, однако по существенно более высокой стоимости.
Стоит понимать: для пунктов приема металлолома такого разделения по легированным сталям нет (как в справочнике) — для них есть черный лом, лом нержавеющей стали и лом быстрорезов. Если с нержавейкой и быстрорезом все понятно, то в черный лом могут включаться такие стали, как: 09Г2с и другие марки, которые востребованы в данном конкретном регионе. Некоторые предприятия специализированно закупают лом стали из 09г2с.
Естественно, учитывая специфику легированных отходов и лома легированной стали, цена такого лома за килограмм определяются вхождением определенных металлов — легирующих элементов. Например, вторичная сталь, с содержанием никеля более 9.3%, может приниматься до 60 рублей за кг, тогда как более низкая концентрация Ni, приравнивает отходы к обычному черному стальному лому – 11000 за тонну.
Особую ценность представляют быстрорежущие марки, ценность которых даже в виде металлолома существенно выше. Однако сами по себе отходы быстрорезов многие приемщики разделяют на две категории. К первой группе относятся марки Р6М5, Р18, применяемые для обработки металлов, тех же легированных конструкционных сталей. Вторая – включает сорта Р9 и Р12, используемые для работ по камню и менее твердым материалам — см. статью лом быстрорежущей стали.
Лом быстрорежущей стали
Таким образом, стоимость лома легированной стали определяется в основном парой параметров: содержание и тип добавки, а также качество самой стали. С другой стороны, лом быстрорезов, в отличие от других стальных отходов, может быть использован как деловой. Многие инструменты, даже отработав эксплуатационный ресурс, остаются привлекательными для дальнейшего использования. Сфера их применения может включать как бытовой сектор, так и небольшие частные предприятия.
Металлические материалы не обладают достаточными высокими механическими и физико-химическими свойствами. Для получения необходимых свойств вводят легирующие элементы: Cr, Ni, W, Mo, V, Mn, Si, Nb, Ti, Al, B, Co и др. Процесс называется легированием.
Элементы легирующие
Далее приведены некоторые характеристики влияния легирующих элементов на стали:
Хром Cr – широко применяется. Стали характеризуются прочностью, твердостью, износоустойчивостью. При содержании более 13% Cr сталь становится нержавеющей. Дальнейшее увеличение содержания хрома придает стали антикоррозийность при высоких температурах, а также магнитоустойчивость. Изготавливают подшипники качения, вводят в состав быстрорежущей стали, в конструкционных сталях до 3%.
Никель Ni придает прочность, высокую пластичность, вязкость. Если необходимо получить немагнитную сталь и повышенную антикоррозионность. Для легирования инструментальных сталей не применяется, в конструкционных содержится от 1 до 5% Ni.
Вольфрам W способствует образованию мелкозернистой структуры, повышает твердость и прочность. В повышенных количествах (но не более 22%) вводится в инструментальную сталь для улучшения режущих свойств и является непременной присадкой в быстрорежущих сталях. Присутствие W желательно в жаропрочных сталях. В конструкционных до 1,5%.
Молибден Mo ( в конструкционных 0,2-0,6%) в инструментальных сталях повышает красностойкость. Жаропрочность.
V ванадий вводимый в небольших количествах в конструкционные (0,1-0,3%), инструментальные (0,15-0,65%), быстрорежущие (до 2,5%) стали повышает твердость, способствует образованию мелкозернистой структуры, повышает упругость и сопротивление усталости.
Mn марганец (в конструкционных не более 2%) является неизбежной примесью стали, способствует глубокой прокаливаемости стали и улучшает её механические свойства. При повышенных содержаниях Mn придает износоустойчивость и магнитоустойчивые свойства.
Si кремний также неизбежная примесь стали (в конструкционных до 2%), повышает прочность и упругость при сохранении вязкости (пружинные и рессорные стали). Повышенное содержание ( до 2-4%) увеличивает электросопротивление и магнитную проницаемость сталей.
Nb ниобий и Ti титан добавляют в небольших количествах (0,1-0,2%). В нержавеющих хромоникелевых сталях Nb и Ti предупреждают возникновение межкристаллитной коррозии, придают мелкозернистое строение, благоприятно отражаются на механических свойствах.
Al алюминий вводится для повышения твердости азотируемой стали. Кроме того, при содержании 5-6% стали приобретают окалиностойкость. 12-15% Al вводится в сплавы, предназначенные для мощных постоянных магнитов.
Бор B, введенный в незначительных количествах (до 0,002%), существенно увеличивает прокаливаемость стали. Присутствие бора повышает ударную вязкость стали после низкого отпуска. Даже 0,01% B повышает жаропрочность сплавов.