Что такое легированный металл
Легирование (металлургия)
В разных отраслях применяются разные технологии легирования.
В металлургии легирование производится в основном введением в расплав или шихту дополнительных веществ (например, в сталь — хрома, никеля, молибдена), улучшающих механические, физические и химические свойства сплава.
Для изменения различных свойств (повышения твёрдости, износостойкости, коррозионной стойкости и т. д.) приповерхностного слоя металлов и сплавов применяются также и разные виды поверхностного легирования.
Легирование проводится на различных этапах получения металлического материала с целями повышения качества металлургической продукции и металлических изделий.
При изготовлении специальных видов стекла и керамики часто производится поверхностное легирование. В отличие от напыления и других видов покрытия, добавляемые вещества диффундируют в легируемый материал, становясь частью его структуры.
При изготовлении полупроводниковых приборов под легированием понимается внесение небольших количеств примесей или структурных дефектов с целью контролируемого изменения электрических свойств полупроводника, в частности, его типа проводимости.
Связанные понятия
Упоминания в литературе
Связанные понятия (продолжение)
Термической (или тепловой) обработкой называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твёрдых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счёт изменения внутреннего строения и структуры. Тепловая обработка используется либо в качестве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости давлением, резанием, либо как окончательная операция технологического процесса, обеспечивающая заданный уровень свойств изделия.
Твёрдые растворы — фазы переменного состава, в которых атомы различных элементов расположены в общей кристаллической решётке.
Интерметалли́д (интерметаллическое соединение) — химическое соединение двух или более металлов. Интерметаллиды, как и другие химические соединения, имеют фиксированное соотношение между компонентами.
Особенности легирования стали
Легировать сталь научились ещё в XIX веке – учёный Мюшетт изобрёл состав стали, содержащий 1,85% углерода, 9% вольфрама и 2,5% марганца, она использовалась для получения резцов, применяемых в металлорежущих станках.
Сталь для массового производства появилась благодаря разработкам английского металлурга Роберта Гадфильда. Легирование стали позволило получить состав: 1,0–1,5% углерода и 12–14% марганца, она отличалась повышенной износостойкостью и хорошим качеством литья. Эта марка практически без изменений сохранилась до наших дней.
Легированная сталь обладает большей прочностью, коррозионной стойкостью и пластичностью.
Виды легированных сталей
Стали имеют определённую классификацию в зависимости от структуры и области применения.
По структуре делятся на классы:
По процентному соотношению легирующих добавок сталь подразделяют на:
Дополнительная классификация
Легированные конструкционные сплавы подходят для изготовления деталей машин и механизмов в машиностроительной отрасли – производят крупногабаритные детали, которые закаляют и подвергают высокому отпуску. Большая часть легирующих добавок в стали повышают прокаливаемость. Внедрение добавок должно быть достаточным, но не чрезмерным. Большая степень легирования может вызвать:
Исключение – никель, он смещает порог хладноломкости в область низких температур, поэтому для машин, работающих в условиях Севера, механизмы изготавливают из никельсодержащих сталей. Пружинная легированная сталь содержит 0,5–0,7% углерода, а в качестве добавок вводят хром, молибден и вольфрам. Такой состав должен обеспечивать высокое сопротивление малым пластическим деформациям и высокой усталостной стойкости.
Шарикоподшипниковые – относят к заэвтектоидным – углерод около 1% с дополнительным легированием металла хромом (1,3–1,65%). В теплостойких подшипниках хром увеличивают до 5%. К подшипниковым – предъявляют особые требования по металлургической чистоте. Применение рафинирующих переплавов, вакуумные способы переплавки, обработка синтетическими шлаками позволяют уменьшить долю и размер неметаллических включений, тем самым повышают сопротивление контактной усталости.
Инструментальные виды
Легированная инструментальная сталь предназначается для производства металлорежущего инструмента, эксплуатируемого при режимах с высокой скоростью резания и для изготовления штампового инструмента.
Быстрорежущие стали способны сохранять высокую твёрдость и износостойкость режущей кромки инструмента. В такую сталь добавляют молибден, ванадий, вольфрам, хром и кобальт.
Штамповые стали для холодной деформации с содержанием 1,0–2,0% углерода обладают износостойкостью и ударной вязкостью. Их легируют хромом до 12%, ванадием, вольфрамом, молибденом.
Штамповые стали для горячей деформации содержат углерод в пределах 0,3–0,5%, обладают высокой теплостойкостью, ударной вязкостью, сопротивлением термической усталости. В качестве добавок вводят вольфрам, молибден, ванадий.
Основные цели легирования
Слово «легирование» происходит от немецкого «legieren» (связывать, соединять). Положительное воздействие легирующих компонентов на свойства стали связано с обеспечиванием протекания двух физико-химических процессов.
Процесс №1
Образование термодинамических устойчивых растворов замещения, сопровождающееся замещением части атомов (ионов) железа в его кристаллической решётке (ионами) легирующего элемента. Это ведёт к искажению кристаллической решётки железа, поскольку радиусы ионов (катионов) легирующих элементов отличаются от радиуса катионов железа, что повышает твёрдость и прочность железа с сохранением его пластичности.
Процесс №2
Возникновение прочных и практически нерастворимых в жидком железе химических соединений между введёнными в расплавленный металл легирующими добавками и растворёнными в нём неметаллами (кислород, азот, сера, углерод и др.).
Результатами образования таких соединений являются:
А также происходит выделение (выпадение) из жидкого металла таких мелких неметаллических включений, которые служат центрами кристаллизации и приводят к получению мелкозернистой первичной и вторичной структуры стали. Благодаря этому она имеет лучшую пластичность, малую анизотропность свойств после прокатки и т. д. Выделяющиеся во время кристаллизации мелкие неметаллические включения обладают склонностью скапливаться на поверхности растущих кристаллов, понижая скорость роста граней, а это, в свою очередь, уменьшает зернистость стали.
Процесс легирования
Основным способом легировать сталь является метод объёмного металлургического легирования. Заключается в сплавлении основного элемента с легирующими в печах разного вида (индукционные, вакуумно-дуговые, тигельные, конвертеры, дуговые, плазменные, и др.). При этом способе возможна существенная потеря активных веществ (марганца, хрома, молибдена, и др.).
Механическое легирование выполняют в аттриторах – барабанах, в центре которых находится вал с кулачками. В них закладывают порошкообразные компоненты для получения нужного сплава. Во время вращения кулачки «ударяют» по смеси, и происходит «вбивание» легирующих добавок в основу.
При совместном восстановлении перемешивают оксиды элементов сплава с восстановителем, например, с гидридом кальция (СаН2) и производят нагрев. Идёт реакция восстановления оксидов до металлов, синхронно происходит процесс диффузии, выравнивающий состав сплава. Полученный оксид кальция (СаО) промывают водой, а сплав (в виде порошка) идёт в следующую обработку. Металлотермическое восстановление подразумевает использование металлов (магния, кальция, алюминия и др.) в качестве восстановителей.
С помощью поверхностного легирования поверхности изделия придают особые свойства. На верхний слой наносится определённый элемент или сплав в виде небольшого пласта, затем на неё воздействуют с помощью энергии (лазерного излучения, плазмы, тока высокой частоты др.) — поверхность оплавляется, и на ней формируется новый сплав.
Разница между легированием и примесями
Обычные легирующие добавки — это компоненты, которые вводят в металл в значительных количествах — более 0,10%. Они вызывают изменение кристаллической решётки железа, образуя растворы внедрения, повышают прочностные и других свойства железа (матрицы).
В качестве металлов для легирования используют:
Их внедряют в сталь в разных количествах и сочетаниях.
Примеси
Существует деление вредных примесей на обычные и остаточные. К обычным вредным примесям относят те, содержание которых в металле можно уменьшить во время плавки – это фосфор, сера, кислород, азот, углерод, т. е., неметаллы.
Под остаточными вредными примесями принято понимать такие, содержание которых невозможно снизить во время плавки ни при окислительном рафинировании, ни при обычном легировании. Это характерно для химических элементов, имеющих растворимость в жидком железе. В производственной практике обычно встречающимися вредными остаточными примесями являются:
Маркировка легированных сталей
В России и СНГ действует система обозначения марок, состоящая из букв и цифр.
Обозначения конструкционных легированных сплавов
Маркировка такой стали состоит из цифр и букв. Буквы – это основные легирующие добавки, цифры после каждой из букв показывают содержание обозначенного элемента, округлённого до целого числа (если содержание легирующего компонента – до 1,5%, то цифра за буквой не пишется). Содержание углерода в процентах, умноженное на 100, пишется в начале наименования стали.
Маркировка основных легирующих компонентов:
| Элемент | Обозначение |
| Никель | Н |
| Кобальт | К |
| Молибден | М |
| Хром | Х |
| Марганец | Г |
| Бор | Р |
| Медь | Д |
| Цирконий | Ц |
| Фосфор | П |
| Кремний | С |
| Ниобий | Б |
| Вольфрам | В |
| Титан | Т |
| Азот | А (в середине наименования) |
| Ванадий | Ф |
| Алюминий | Ю |
| Редкоземельные металлы | Ч |
Если сталь с ограничением содержанием серы S и фосфора P
Легирование (металлургия)
Из Википедии — свободной энциклопедии
Леги́рование (нем. legieren «сплавлять» от лат. ligare «связывать») — добавление в состав материалов примесей для изменения (улучшения) физических и/или химических свойств основного материала. Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур, различают объёмное (металлургическое) и поверхностное (ионное, диффузное и др.) легирование.
В разных отраслях применяются разные технологии легирования.
В металлургии легирование производится в основном введением в расплав или шихту дополнительных веществ (например, в сталь — хрома, никеля, молибдена), улучшающих механические, физические и химические свойства сплава. Для изменения различных свойств (повышения твёрдости, износостойкости, коррозионной стойкости и т. д.) приповерхностного слоя металлов и сплавов применяются также и разные виды поверхностного легирования. Легирование проводится на различных этапах получения металлического материала с целями повышения качества металлургической продукции и металлических изделий.
При изготовлении специальных видов стекла и керамики часто производится поверхностное легирование. В отличие от напыления и других видов покрытия, добавляемые вещества диффундируют в легируемый материал, становясь частью его структуры.
При изготовлении полупроводниковых приборов под легированием понимается внесение небольших количеств примесей или структурных дефектов с целью контролируемого изменения электрических свойств полупроводника, в частности, его типа проводимости.
Легирование
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.
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 %).
Легированная сталь — описание, маркировка, состав и где применяется
Среди металлов на первом месте находится сталь – наиважнейший ресурс любого государства. Различают много видов и марок этого железо-углеродистого сплава. Ниже будет подробно рассказано о легированной стали — что это, чем она отличается от углеродистой (нелегированной) продукции, какая существует классификация сплавов и как расшифровывать маркировку.
Что такое сталь
Сплав на основе железа (не менее 45%) называют сталью. В зависимости от процентного содержания второго исходного компонента – углерода, различают сплавы высокоуглеродистые (0,6-2,14% С), среднеуглеродистые (0,25-0,6% С), и низкоуглеродистые (не более 0,25% С). Чем выше данный показатель, тем более прочная и упругая сталь, но в то же время с пониженной пластичностью и сопротивляемостью ударам.
Обязательными компонентами в составе сплава являются раскислители – марганец и кремний. Эти химические элементы присутствуют в незначительном количестве, и на свойства не влияют. Их цель – нейтрализация вредного действия кислорода.
Даже качественная сталь содержит вредные примеси, от которых нельзя избавиться. Это:
Кроме перечисленных компонентов, в углеродистых сплавах всегда есть и другие вещества, которые попадают вместе с исходными материалами при выплавке: медь, цинк, хром, никель, свинец. Уровень их содержания настолько ничтожен, что они не оказывают ни положительного, ни отрицательного влияния.
Свойства и виды сталей
Стали присущи такие свойства:
Чтобы существенно изменить свойства сплава, в сталь вводятся легирующие элементы – другие металлы и неметаллы. Такая технология была создана еще в 19 ст. Стали называются легированными, если доля каждого элемента составляет не менее 0,1%.
Отличия
Сталь легированная от нелегированной отличается химическим составом. Первая, кроме железа и углерода, содержит большой набор дополнительных компонентов, которые оказывают влияние на ее свойства. Углеродистая (классическая) сталь содержит следы случайных примесей, которые не оказывают значительного влияния на ее свойства.
Другие отличия от обычных углеродистых сплавов:
Легирующие добавки
Для легирования сталей используют химические элементы из разных групп таблицы Менделеева. Легирующие металлы (в русскоязычной маркировке сплавов обозначаются русскими буквами) вводятся в сплав для изменения следующих характеристик:
Список дополняют неметаллические добавки:
Расшифровка маркировки стали
Чтобы определить марку стали, разработано специальное обозначение, согласно ГОСТ 4543-71. В его основе цифры и буквы. Первая литера показывает, к какой группе сталей относится сплав. Например:
Если буква отсутствует, это означает принадлежность к классическому сплаву с использованием добавок.
Первая цифра в маркировке обозначает сотые доли процентного содержания углерода. Далее идут буквы и цифры, указывающие на легирующие добавки и их содержание, также в процентах. Например, маркировку Х5Х18Н10 следует читать так: хромистая сталь, содержащая 0,05% углерода, 18% хрома, 10% никеля. На английском языке маркировка выглядит иначе: X5CrNi18-10.
Процентное соотношение добавок записывается целыми числами, без десятых и сотых долей.
В конце маркировки (справа) также могут присутствовать буквы: А – высококачественная, Ш – особовысококачественная сталь. Другие буквы обозначают способ производства: ТО (Т) – термически обработанная, Н – нагартованный прокат.
Классификация легированных сталей
Классификация и маркировка легированных сталей осуществляется по нескольким параметрам.
По качеству
В зависимости от количества вредных примесей (сера, фосфор), легированные стали бывают качественные (S≤0,04%, P≤0,035%), высококачественные (S≤0,025%, P≤0,025%), особо высококачественные: (S≤0,06%, P≤0,07%).
По количеству добавок
В зависимости от общего количества добавок, различают такие виды легированной стали:
В зависимости от химического состава, стали называются: хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые, марганцовистые и другие. В маркировке обозначаются соответствующими буквами.
По назначению
По практическому применению различают стали конструкционные (машиностроительные, строительные, улучшаемые, цементуемые), инструментальные (для штампов, режущего и измерительного инструментов) и с особыми свойствами.
Состав и применение легированных сталей
Применение сплавов обусловлено их химическим составом. Так, строительные низколегированные стали используются для металлических конструкций с равномерно распределенной нагрузкой между всеми элементами. Единственное требование – хорошая свариваемость.
Виды конструкционных сталей:
Инструментальные стали для фрез, резцов, метчиков легируются хромом, ванадием, титаном и др. добавками. Это очень дорогие быстрорежущие сплавы, поэтому используются только в режущих плоскостях. Для измерительных инструментов сталь легируют хромом, вольфрамом и марганцем. Это обеспечивает твердость и сохранение первоначальных размеров.
Стали с особыми свойствами:
К этой группе относятся также жаропрочные, жароустойчивые, магнитные, немагнитные, реостатные, с высоким электросопротивлением сплавы.
Стальной металлолом
Цена на стальной лом зависит от 2-х параметров: вид добавки и качество стали. Легирующие сплавы с высоким содержанием цветных металлов ценятся выше чугуна, (особенно нержавейка и быстрорез). При низком содержании цветных металлов стальной металлолом идет по цене черного металла.