Легирование стали: в чем заключается цель процесса, для чего используют легированный металл

Содержание статьи

В зависимости от назначения материала и специфических условий эксплуатации, бывают разные способы изготовления стальных элементов. В статье расскажем, в чем заключается процесс легирования металлов и сталей, с какой целью проводят, что используют для процедуры.

Интересно, что легированные инструменты для резки были созданы еще в 19 веке ученым Мюшеттом вместе с созданием металлорежущих станков. А Роберт Гадфильд уже в 20 веке поставил изготовление на промышленные рельсы, теперь такой состав применяется повсеместно. При этом марка, разработанная в то время, практически не потерпела изменений в рецептуре. Делаются только небольшие изменения, которые подготовлены специально для особых назначений, например, устойчивость к экстремально низким или высоким температурам.

Легированная сталь – это сплав, который содержит большое количество примесей, увеличивающих прочность, пластичность, коррозионную устойчивость и прочие свойства. Она активно применяется для изготовления инструментов и полупроводников, поскольку учитываются не только механические характеристики, но и токопроводящие.

Важно при создании не только то, какие вещества добавляются в качестве примесей (алюминий, никель, хром и др), но и технология производства. В зависимости от преобладающей легирующей добавки марки имеют названия – хромистая сталь, хромоникелевая, хромованадиевая и пр. Использование стальных конструкций и деталей происходит практически во всех производственных сферах – от обычного бытового строительства до нефтяной и металлургической отраслей.

Процесс и основы легирования сталей

Различают два основных способа:

Поверхностное. В такой ситуации добавки легируется исключительно верхний слой – его ширина зависит от многих факторов, в том числе от требуемых характеристик. В среднем толщина не превышает 1-2 мм. Так на поверхности образуется пленка, которая обладает необходимыми свойствами, например, антифрикционными. Такой вариант является относительно недорогим, но качественным (лучше, чем, например, напыление). Его используют не только для металлов, но и для работы с керамическими и стеклянными изделиями.
Объемное. Оно предполагает введение дополнительных веществ непосредственно в весь объем сплава. Процесс может быть осуществлен на различных стадиях выплавки с добавлением различных элементов – как металлов, так и не металлических, наиболее распространенным из которых является фосфор.

Изменения происходят на микроструктурном уровне. Они, в свою очередь, изменяют физико-химические особенности всего стального элемента.

Отдельно стоит рассказать про легирование полупроводников. Оно проводится с помощью таких способов как:

термодиффузия – используется разность температур для диффузионного процесса;
нейтронно-трансмутационный процесс – активно применяется для кремния, полупроводников;
ионная имплантация – в поверхностный слой бомбардируются пучки ионов.

Таким образом, вне зависимости от того, что используется (ядерные реакции, тепло или энергия ионов), есть несколько стадий процесса – подготовительная, нанесение слоя из различных прибавок, а также финишная, которая состоит в дополнительном воздействии.

Свойства и назначение: с какой целью осуществляется легирование сталей

С развитием промышленности активно увеличивается количество необходимых разновидностей металлических составов. В зависимости от того, какие свойства необходимо получить, могут быть добавлены разные элементы – хром, кремний, медь и пр. Насколько различные имеют свойства эти вещества, настолько и разнообразны полученные эффекты. Очень важно при этом достигнуть необходимых пропорций. Именно по этому свойству все сплавы классифицируются – по базовой примеси, а те компоненты, которые находятся в наименьшем количестве, называются вторичными ингредиентами.

Железо, которое берется за основу, на самом деле не очень прочное. Оно нуждается в обработке и улучшении. самый стандартный, привычный способ – это добавка углерода во время нагрева с последующим быстрым охлаждением. И в зависимости от того, какое процентное соотношение этого вещества (от 0,1 до 1,15 процента от состава, можно различать мягкую, полумягкую, полутвердую и твердую сталь.

Риски при легировании

К сожалению, любые химические добавки при определенных условиях могут быть не столько полезными, сколько воздействовать негативно. Так, например, один компонент, который увеличивает твердость одновременно может повысить хрупкость. Есть еще несколько угроз, вот они:

большинство ферросплавов изготавливается в очень мелких частицах, фактически это металлическая пыль, которая является взрывоопасной – пожар, токсичность, взрывы, это все может привести к повышенным рискам;
пары, которые могут образовываться во время производственных процессов, негативно воздействуют на здоровье – мельчайшие частицы пыли могут оседать на легких;
если в сплав добавлено олово в сочетании со свинцом, то нужно быть особенно осторожным при нагреве, поскольку состав является токсичным при воздействии высоких температур.

Практическое применение: что дает легирование стали

Получаемых характеристик настолько много, что все это зависит от конкретного случая. Мы приведем несколько конкретных ситуаций:

Повышение твердости. Это необходимо особенно для базовых металлических конструкций, чтобы они могли выдерживать очень высокие, особенно статичные нагрузки. Для этого зачастую добавляют платину.
Ферромагнитные свойства. Чтобы добиться того, чтобы железо потеряло свои магнитные качества, необходимо, чтобы сплав содержал кобальт.
Чтобы серебро не тускнело, а также не подвергалось коррозии, можно прибавить родий. Он может также быть дополнен палладием или платиной, чтобы увеличить его прочность.
Использование меди в качестве легирующей добавки – повышение коррозионной стойкости. Второе применение – для серебряных изделий, поскольку серебро само по себе слишком мягкое.
Повышение твердости и прочности без изменения уровня пластичности. Возможно, когда ионы кристаллической решетки железа замещаются атомами легирующего элемента.
Растворение в составе определенных неметаллов приводит к тому, что они буквально вытесняют вредные примеси, существенно влияющие на качества изделий.
Изменение зернистости сплава. Это может стать причиной увеличения пластичности, небольшой анизотропности после прокатки.

Это неполный перечень ситуаций, во время которых применяется данная процедура.

Назначение и применение очень разнообразно. Одним из основных можно отметить – изготовление инструмента для металлообработки. В зависимости от использования все способы легирования сталей делятся на три вида – это конструкционная, инструментальная и особого назначения.

Черные сплавы

Это металлы, которые имеют в основе железо. Распространенным вариантом является чугун, который из-за большого содержания углерода не только очень прочный, но и хрупкий. Вся эта категория имеет не самые высокие механические свойства (кроме отборной стали), но из-за своей невысокой стоимости, а также из-за достаточно простого изготовления путем отлива все черносплавные материалы обладают очень большим производством.

Цветные сплавы

Это составы, в основе которых все остальные металлы, кроме железа. Все они подразделяются на легкие и тяжелые. Первые имеют невысокую плотность до 5 мг на кубический сантиметр. Они основываются на магние, титане и алюминие. Вторые, напротив, более плотные (от 5 мг/см3 и выше), они основываются на меди и цинке. В них входят бронзы – оловянные и безоловянные – и латуни. Практически все из перечисленных материалов имеют следующие характеристики:

устойчивость к коррозии, что позволяет использовать сплав даже в условиях повышенной влажности и при постоянном контакте с кислородом;
высокая теплопроводность и электропроводность – именно это позволяет использовать вещество при изготовлении электрических деталей, элементов, контактов, проводов;
малая плотность и, как следствие, вес;
простой и отлаженный процесс изготовления.

Нержавеющая сталь

Всем известная нержавейка также относится к легированным сталям. Она является настолько универсальной, что применяется буквально повсеместно – от изготовления обычной посуды для бытового использования до специфических отраслей металлургии. Основная особенность состава, которая лежит и в его названии, это устойчивость к коррозии. Но, кроме этого, есть еще несколько особых характеристик:

Эстетичный внешний вид. Так как можно использовать легирование стали с различной сущностью технологических процессов, то и получить можно поверхность качественно различных характеристик. Это может быть глянцевый блеск или матовое отражение, нанесенная гравировка. На верхний слой очень легко нанести узор, а также произвести окрашивание. Все это позволяет использовать материал не только в производственных целях, но и при декоративной отделке помещений, при создании мебели.
Отличные механические свойства. Высокая прочность, износостойкость, неподверженность сильным температурным перепадам, эластичность, ударопрочность – все это делает изделия применимыми в большой сфере производства. Особенно стоит отметить то, что при низких температурах (мороз) не увеличивается хрупкость,поэтому можно работать с нержавейкой даже зимой.
Огнеупорность. Это качество обнаруживается из-за высокой температуры плавления – до 800 градусов. Поэтому даже при постоянном контакте с огнем не выделяется токсичных испарений, а также не происходит деформаций.
Устойчивость к коррозии. Как мы отметили, одно из основных свойств. Оно достигается тем, что в сплаве находится хром в достаточно большом количестве – от 10,5%. Он вступает в химическую реакцию с кислородом и приводит к образованию оксидной пленки. Именно этот оксид и является защитой от ржавления.

Есть и некоторые недостатки. Так, например, достаточно сложно обрабатывать нержавейку. Многие отмечают сложности при образовании сварного шва.

Классификация легированных сталей

Есть три степени легирования, согласно которым меняется процентное содержание добавочных веществ. Отсюда материал может быть:

низколегированным – до 2,5% примесей в составе;
среднелегированным – до 10%;
высоколегированным – до 50% добавок.

Различается также молекулярная структура, согласно ей все сплавы классифицируют на:

мартенситные – с полностью такой зернистостью;
ферритные;
аустенитные, а также различные виды комбинированных сталей.

Наиболее часто в качестве примеси используется углерод, он отвечает за повышенную прочность и стойкость к ударам. В связи с этим классифицируют сплавы:

низкоуглеродистые – до 0,25% содержания;
среднеуглеродистые – до 0,65%;
высокоуглеродистые – более 0,65%.

Структура также подразумевает деление на следующие классы:

доэвтектоидные – в сплаве есть участки феррита;
эвтектоидные – в основе перлит;
ледебуритные или заэвтектоидные – с первичными/вторичными карбидами.

Также мы уже отмечали, что по назначению все делятся на:

конструкционные – они, в свою очередь, подразделяются на строительные и машиностроительные;
инструментальные – для создания инструментов металлообработки;
с особыми свойствами, в том числе устойчивые к температурным перепадам, огнестойкие и другие.

Отдельно различают:

жаропрочные – в них добавляют хром, ванадий, молибден, они используются в сфере энергетики, а также для других отраслей с высокими температурными показателями;
улучшаемые – их дополнительно подвергают термообработке, обычно закалке, они отличаются повышенной прочностью и чувствительностью к концентрации напряжения;
цементуемые – они сперва проходят цементацию, а уже после этого закалку, отлично подходят для производства шестерен, валов и прочих элементов, для которых важна износостойкость;
быстрорежущие – очень большая твердость и красностойкость до высокой температурной границы;
нержавеющие – имеют покрытие из оксидной пленки, предотвращающее ржавление;
с улучшенными магнитными или электрическими качествами.

Если более подробно классифицировать легированные стали строительного назначения, то различают:

массовые – применяются фактически всюду;
мостостроительные;
судостроительные – очень устойчивы ко хрупкому разрушению;
для горячего водоснабжения и пара – относится к жаропрочным;
низкоопущенные – активно используются в самолетостроении и пр.

Кроме того, все сплавы можно классифицировать по основной примеси, а также делить на двухкомпонентные, трехкомпонентные и так далее по конкретной рецептуре.

Маркировка легированных сталей

Так как данный класс материалов очень обширен, то возникла необходимость в обозначении отдельных элементов. К сожалению, нет единых во всем мире правил по тому, как ставить клеймо. Мы будем перечислять правила, характерные для российского производства.

В основе маркировке – цифры и буквы. Литеры могут означать особые свойства или принадлежность к узкому классу, но наиболее часто они отвечают за компонент, который находится в составе:

А – азот.
К – кобальт.
С – кремний.
Т – титан.
Е – селен.
Б – ниобий.
Г – марганец.
М – молибден.
П – фосфор.
Ф – ванадий.
Ц – цирконий.
В – вольфрам.
Д – медь.
Н – никель.
Х – хром.
Р – бор.
Ю – алюминий.

Российский государственный стандарт

За маркировку отвечает ГОСТ 4543-71. Согласно документу, по букве, которая стоит спереди, можно определить, к какому классу относится вещество:

Ж – нержавеющий сплав.
Х – хромистый.
Е – магнитный.
Я – хромоникелевая нержавейка.
Ш – шарикоподшипниковый.
Р – инструментальный быстрорежущий.
А – высококачественный.
Н – полученный нагартованным прокатом.
ТО – способ термической обработки.

Также следует смотреть на цифры. Первая позволяет понять, сколько в составе углерода, а затем вместе с буквой стоит процент содержания другой легирующей добавки.

Вот пример маркировки хромистого соединения:

Разница между легированием и примесями

Добавки вводятся специально в значительном количестве (более 0,1% от всего состава), их влияние на результат высоко. В то время как нечаянные примеси – это неизбежные, зачастую оказывающие вредное воздействие вещества, которые примешиваются в малом количестве. И чем выше качество материала, тем их меньше.

Например, для легирования сталей с целью последующей холодной штамповки используют хром (до 12%) – это, безусловно, добавка. Если требуется дополнительная консультация – обращайтесь в компанию «Рокта», мы реализуем ленточнопильные станки и готовы оказать помощь в подборе оборудования, свяжитесь с нами по контакному телефону. В качестве завершения статьи посмотрим несколько видео:

Процесс и основы легирования сталей