О легировании стали никелем, хромом, молибденом

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.

Основная цель — изменить тип проводимости и концентрацию носителей в объёме полупроводника для получения заданных свойств (проводимости, получения требуемой плавности pn-перехода). Самыми распространёнными легирующими примесями для кремния являются фосфор Р и мышьяк As (позволяют получить n-тип проводимости) и бор В (p-тип).

В настоящее время технологически легирование производится тремя способами: ионная имплантация , нейтронно-трансмутационное легирование (НТЛ) и термодиффузия.

Ионная имплантация позволяет контролировать параметры приборов более точно, чем термодиффузия, и получать более резкие pn-переходы. Технологически проходит в несколько этапов:

• Загонка (имплантация) атомов примеси из плазмы (газа).
• Активация примеси, контроль глубины залегания и плавности pn-перехода путем отжига .

Ионная имплантация контролируется следующими параметрами:

• доза — количество примеси;
• энергия — определяет глубину залегания примеси (чем выше, тем глубже);
• температура отжига — чем выше, тем быстрее происходит перераспределение носителей примеси;
• время отжига — чем дольше, тем сильнее происходит перераспределение примеси.

При нейтронно-трансмутационном легировании легирующие примеси не вводятся в полупроводник, а образуются («трансмутируют») из атомов исходного вещества (кремний, арсенид галлия) в результате ядерных реакций , вызванных облучением исходного вещества нейтронами. НТЛ позволяет получать монокристаллический кремний с особо равномерным распределением атомов примеси. Метод используется в основном для легирования подложки, особенно для устройств силовой электроники .

Когда облучаемым веществом является кремний, под воздействием потока тепловых нейтронов из изотопа кремния 30 Si образуется радиоактивный изотоп 31 Si, который затем распадается с образованием стабильного изотопа фосфора 31 P. Образующийся 31 P создаёт проводимость n-типа.

В России возможность нейтронно-трансмутационного легирования кремния в промышленных масштабах на реакторах АЭС и без ущерба для производства электроэнергии была показана в 1980 году. К 2004 году была доведена до промышленного использования технология по легированию слитков кремния диаметром до 85 мм, в частности, на Ленинградской АЭС . .

Термодиффузия содержит следующие этапы:

• Осаждение легирующего материала.
• Термообработка (отжиг) для загонки примеси в легируемый материал.
• Удаление легирующего материала.

Легирование в металлургии

Легирование стало целенаправленно применяться сравнительно недавно. Отчасти это было связано с технологическими трудностями. Легирующие добавки просто выгорали при использовании традиционной технологии получения стали. Поэтому для получения дамасской (булатной) стали использовали достаточно сложную по тем временам технологию.

Примечательно то, что первыми сталями , с которыми познакомился человек были природнолегированные стали. Еще до начала железного века применялось метеоритное железо , содержащее до 8,5 % никеля .

Высоко ценилось и природнолегированные стали, изготовленные из руд , изначально богатых легирующими элементами . Повышенная твёрдость и вязкость японских мечей с возможностью обеспечить остроту кромки возможно объясняются наличием в стали молибдена .

Современные взгляды о влиянии на свойство стали различных химических элементов начали складываться с развитием химии во второй четверти XIX века .

По-видимому, первым удачным использованием целенаправленного легирования можно считать изобретение в 1858 г. Мюшеттом стали, содержащей 1,85 % углерода , 9 % вольфрама и 2,5 % марганца . Сталь предназначалась для изготовления резцов металлообрабатывающих станков и явилась прообразом современной линейки быстрорежущих сталей . Промышленное производство этих сталей началось в 1871 г.

Принято считать, что первой легированной сталью массового производства стала Сталь Гадфильда , открытая английским металлургом Робертом Эбботом Гадфильдом в 1882 г . Сталь содержит 1,0 — 1,5 % углерода и 12 — 14 % марганца, обладает хорошими литейными свойствами и износостойкостью . Без особых изменений химического состава эта сталь сохранилась до настоящего времени.

Для улучшения физических, химических, прочностных и технологических свойств металлы легируют, вводя в их состав различные легирующие элементы. Для легирования сталей используются хром, марганец, никель, вольфрам , ванадий , ниобий , титан и другие элементы. Небольшие добавки кадмия в медь увеличивают износостойкость проводов, добавки цинка в медь и бронзу — повышают прочность, пластичность, коррозионную стойкость. Легирование титана молибденом более чем вдвое повышает температурный предел эксплуатации титанового сплава благодаря изменению кристаллической структуры металла. Легированные металлы могут содержать один или несколько легирующих элементов, которые придают им специальные свойства.

Легирующие элементы вводят в сталь для повышения ее конструкционной прочности. Основной структурной составляющей в конструкционной стали является феррит , занимающий в структуре не менее 90 % по объему . Растворяясь в феррите, легирующие элементы упрочняют его. Твердость феррита (в состоянии после нормализации) наиболее сильно повышают кремний, марганец и никель. Молибден, вольфрам и хром влияют слабее. Большинство легирующих элементов, упрочняя феррит и мало влияя на пластичность , снижают его ударную вязкость (за исключением никеля). Главное назначение легирования: повышение прочности стали без применения термической обработки путем упрочнения феррита, растворением в нем легирующих элементов; повышение твердости, прочности и ударной вязкости в результате увеличения устойчивости аустенита и тем самым увеличения прокаливаемости; придание стали специальных свойств, из которых для сталей, идущих на изготовление котлов, турбин и вспомогательного оборудования, особое значение имеют жаропрочность и коррозионная стойкость . Легирующие элементы могут растворяться в феррите или аустените, образовывать карбиды , давать интерметаллические соединения, располагаться в виде включений, не взаимодействуя с ферритом и аустенитом, а также с углеродом. В зависимости от того, как взаимодействует легирующий элемент с железом или углеродом, он по-разному влияет на свойства стали. В феррите в большей или меньшей степени растворяются все элементы. Растворение легирующих элементов в феррите приводит к упрочнению стали без термической обработки. При этом твердость и предел прочности возрастают, а ударная вязкость обычно снижается. Все элементы, растворяющиеся в железе, изменяют устойчивость феррита и аустенита. Критические точки легированных сталей смещаются в зависимости от того, какие легирующие элементы и в каких количествах присутствуют в ней. Поэтому при выборе температур под закалку , нормализацию и отжиг или отпуск необходимо учитывать смещение критических точек.

Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления , они являются технологическими примесями. Марганец вводят в сталь до 2 %. Он распределяется между ферритом и цементитом. Марганец заметно повышает предел текучести, порог хладноломкости , прокаливаемость стали, но делает сталь чувствительной к перегреву. В связи с этим для измельчения зерна с марганцем в сталь вводят карбидообразующие элементы. Так как во всех сталях содержание марганца примерно одинаково, то его влияние на сталь разного состава остается неощутимым. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности стали.

Альтернативная версия написанного выше:

Кремний не является карбидообразующим элементом, и его количество в стали ограничивают до 2 %. Он значительно повышает предел текучести и прочность стали и при содержании более 1 % снижает вязкость, пластичность и повышает порог хладноломкости . Кремний структурно не обнаруживается, так как полностью растворим в феррите , кроме той части кремния, которая в виде окиси кремния не успела всплыть в шлак и осталась в металле в виде силикатных включений.

Марка легированной качественной стали в России состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих её химический состав. Легирующие элементы имеют следующие обозначения: хром (Х), никель (Н), марганец (Г), кремний (С), молибден (М), вольфрам (В), титан (Т), тантал (ТТ), алюминий (Ю), ванадий (Ф), медь (Д), бор (Р), кобальт (К), ниобий (Б), цирконий (Ц), селен (Е), редкоземельные металлы (Ч). Цифра, стоящая после буквы, указывает на содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра не указана, то легирующего элемента содержится 0,8-1,5 %, за исключением молибдена и ванадия (содержание которых в солях обычно до 0.2-0.3 %) А также бора (в стали с буквой Р его должно быть до 0.010 %). В конструкционных качественных легированных сталях две первые цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента.Пример: 03Х16Н15М3Б — высоколегированная качественная сталь, которая содержит 0,03 % C, 16 % Cr, 15 % Ni, до 3 % Mo, до 1,0 % Nb

Отдельные группы сталей обозначаются несколько иначе:

• Шарикоподшипниковые стали маркируют буквами (ШХ), после которых указывают содержания хрома в десятых долях процента;
• Быстрорежущие стали (сложнолегированые) обозначаются буквой (Р), следующая цифра обозначает содержание вольфрама в процентах;
• Автоматные стали обозначают буквой (А) и цифрой обозначают содержание углерода в сотых долях процента.

Влияние химического состава сталей на их структурно-фазовое состояние и коррозионную стойкость

При изготовлении оборудования для переработки нефти и газа весьма широко используются стали, для которые основными легирующими компонентами являются хром и никель. Композиция на основе железа, содержащая 18% хрома и 10% никеля, является базовой. Около 70% выплавляемых в России и за рубежом коррозионно-стойких сталей приходится на группу Х18Н10. Дополнительное легирование этой композиции позволяет придать стали дополнительные свойства. Хром и никель оказывают на фазовое состояние стали противоположное влияние. Хром, являясь ферритообразующим элементом, стабилизирует у-фазу. Никель, аустенитообразующий эле мент, соответственно стабилизирует у-фазу. Остальные легирующие элементы, вводимые в металл для придания ему повышен ной коррозионной стойкости и хороших механических и технологических свойств, также по-разному могут влиять на фазовое состояние стали. Молибден, титан, ниобий, кремний являются ферритообразующими, тогда как углерод, марганец, азот стабилизируют аустенит. Для определения фазового состоянии хромоникелевых сталей часто пользуются диаграммой Шеффлера (рис. 5.16), в которой учитывается суммарное содержание феррито- и аустенитообразующих элементов. Из диаграммы видно, что наиболее распространенная коррозионно-стойкая сталь 12Х18Н10Т (08Х18Н10Т) имеет в основном аустенитную структуру с содержанием ферритной фазы около 5(6)%. Именно аустенит придает этой стали высокую пластичность и вязкость, выгодно отличающие ее от хромистой стали с 18% хрома. Стали аустенитного класса, как было показано ранее, проявляют повышенную устойчивость к развитию коррозионного разрушения за счет повышенной термодинамической устойчивости объемно-центрированной кристаллической решетки этой фазы. Высокая коррозионная стойкость сталей этого класса определяется, с одной стороны, легкой пассивируемостью, которую обеспечивает легирование хромом, а с другой — высокой термодинамической устойчивостью аустенита, образующегося благодаря легированию стали никелем. Структура, обеспечивающая высокие коррозионную стойкость и вязкость стали (аустенит с 5—6% феррита), образуется у сталей рассматриваемого класса в результате закалки или нормализации с температуры 1000—1100°С (обычный для этих сталей вид термической обработки). В случаях, когда в процессе эксплуатации они долго пребывают в температурном интервале 600—930°С, возможно выделение интерметаллических соединений (у-фазы), которое сопровождается сильным охрупчиванием стали и появлением трещин при охлаждении аппаратуры с рабочих температур в период остановок оборудования. Нагрев до температуры 1000—1100°С приводит к растворению у-фазы и восстановлению первоначальных свойств металла.

При нагреве до температуры 400—600°С происходит выделение карбидов хрома, преимущественно по границам зерен. Это, как было показано ранее, приводит к связыванию хрома в карбиды и обеднению хромом границ зерен. Следствием таких процессов является развитие у стали склонности к MKK. При нагреве стали до температуры 900—950°С (стабилизирующий отжиг) диффузия хрома к границе зерна восстанавливает необходимое для надежной пассивации количество хрома на границах зерен и ликвидирует возникшую склонность к MKK. Легирование стали элементами, образующими более стабильные карбиды, чем хром (титаном, ниобием, танталом), а также уменьшение содержания углерода, снижает вероятность возникновения склонности хромо-никелевых сталей к MKK при нагреве в опасном интервале температур. В случаях, когда содержание углерода в стали типа 18-10 не достигает 0,03%, стали свойственна высокая устойчивость против MKK даже без введения в нее дополнительного количества активных карбидообразующих элементов.

Молибден вводится в стали типа 18-10 в количестве 2—3%. Он является ферритообразующим элементом. Поэтому для сохранения аустенитного состояния введение молибдена требует повышение содержания никеля в стали. Молибден входит в состав пассивирующих слоев и способствует повышению их защитных свойств. Поэтому стали, легированные молибденом, проявляют более высокую коррозионную стойкость, чем стали без молибдена. По этой же причине легированные молибденом стали имеют больший инкубационный период при развитии питтинговой коррозии. В то же время легирование молибденом расширяет температурный интервал образования у-фазы, существенно ускоряя этот процесс. Это увеличивает опасность охрупчивания сталей, легированных молибденом, при эксплуатации их в интервале температур 650—950°С. Существует мнение, что легирование молибденом сопровождается изменением дислокационной структуры стали с ячеистой, с неупорядоченным расположением дислокаций, на компланарную, с расположением дислокаций по плоскостям. Стали с компланарной дислокационной структурой проявляют, как правило, пониженное сопротивление развитию трещины. Поэтому влияние молибдена на сопротивление питтинговой коррозии и хлоридному коррозионному растрескиванию неоднозначно: с одной стороны, существенно увеличивается инкубационный период разрушения, а с другой — снижается сопротивление его развитию.

Легирование кремнием, ферритообразующим элементом, несколько снижает вязкость стали и соответственно сопротивление коррозионному растрескиванию. Для сохранения исходной аус-тенитной структуры введение кремния требует повышенного содержания аустенитообразующих элементов (углерода, никеля). Положительная роль кремния связана с повышение защитных свойств поверхностных слоев, возникающих как при электрохимической коррозии, так и, особенно, при коррозии, протекающей по неэлектрохимическому механизму при высоких температурах.

Введение в сталь большего количества хрома (до 25%) и необходимого для сохранения аустенитного фазового состояния никеля (13—18%) обеспечивают еще более легкое пассивирование стали, а также еще большую устойчивость к высокотемпературным видам коррозии при сохранении таких механических свойств, как высокая вязкость и пластичность. Введение в сплав с высоким содержанием хрома и никеля молибдена и меди существенно повышает его стойкость в неорганических кислотах, особенно в серной.

Легирование стали марганцем и азотом способствует стабилизации аустенита и в ряде случаев позволяет сэкономить дефицитный в России дорогостоящий никель без ущерба для коррозионной стойкости сталей. Для изготовления оборудования перерабатывающих заводов допускается использование сталей, содержащих до 8% марганца. Чисто хромомарганцевые стали существенно уступают хромоникелевым по стойкости к питтинговой коррозии и МКК. Они более склонны к развитию 475°-й хрупкости. При сварке этих сталей в зоне термического влияния сварного соединения образуется о-фаза, в результате чего вязкость сварного шва падает. Введение в хромомарганцевую сталь никеля (до 4%) улучшает коррозионные и механические свойства этих сталей. Азот — сильный аустенитообразователь. Он позволяет существенно снизить содержание никеля в стали. Однако введение его в сталь способствует выделению второй фазы — нитридов. Это снижает гомогенность стали и делает ее менее устойчивой к коррозии.

Другой путь экономии никеля связан с использованием хромоникелевых двухфазных, феррито-аустенитных, сталей. Для изготовления нефтегазовой аппаратуры рекомендованы стали, содержащие (в %) 20—25 хрома, 5—8 никеля и до 3 молибдена. При таком составе соотношение ферритной и аустенитной фаз могут сильно различаться. Как правило, используют стали с содержанием ферритной фазы от 40 до 70%. В большинстве сред, характерных для переработки нефти и газа, стали этого класса не уступают по стойкости электрохимической коррозии сталям аустенитного класса. Считается, что по стойкости против питтинговой коррозии и хлоридного коррозионного растрескивания они даже несколько превосходят аустенитные стали, причем стойкость эта повышается по мере увеличения содержания в них ферритной фазы. Стойкость против MKK достигается путем легирования сталей титаном и ниобием и ограничения содержания углерода. По стойкости к MKK и межкристаллитному коррозионному растрескиванию феррито-аустенитные стали также не только не уступают, но превосходят аустенитные. Это связывают с тем, что, во-первых, для двухфазных сталей характерна мелкозернистая структура, а следовательно, большая протяженность границ зерен, обуславливающая меньшую концентрацию карбидных выделений. Во-вторых, при образовании карбидов типа Ме23С6 на границе аустенита с ферритом из-за высокого содержания хрома в ферритной фазе и повышенной скорости диффузии легирующих элементов в объемно-центрированной решетке аустенита облегчается выравнивание химического состава в приграничных областях, и концентрация хрома не опускается ниже допустимого уровня. По прочности аустенито-ферритные стали существенно превосходят стали аустенитного класса, что позволяет понизить металлоемкость изготавливаемых из них конструкций. Это, наряду с пониженным содержанием в них никеля, дает возможность рассматривать их как заменителей аустенитных сталей, применение которых позволяет экономить никель.

Помимо указанных коррозионно-стойких материалов на нефте- и газоперерабатывающих заводах применяют аппараты и элементы металлоконструкций, изготовленные из биметалла. В биметалле основным слоем служит углеродистая, или низколегированная, сталь, а плакирующим — нержавеющая (хромистая или хромоникелевая). Биметалл обладает рядом преимуществ по сравнению с коррозионно-стойким монометаллом. Благодаря тому, что металл основы имеет обычно более высокую прочность, чем плакирующий слой, биметаллическая металлоконструкция существенно менее металлоемка. Применение биметалла позволяет уменьшить расход дорогостоящих высоколегированных сталей. Биметалл с плакирующим слоем из стали типа 18-10 лучше противостоит питтинговой коррозии и хлоридному коррозионному растрескиванию, чем сталь типа 18-10: зародившийся питтинг не может преодолеть линию сплавления. В то же время применение биметалла требует определенной осторожности. He рекомендуется использовать биметалл для работы в средах, содержащих сероводород: продиффундировавший сквозь плакирующий слой водород способен скапливаться под плакирующим слоем и отрывать его от основного металла. Кроме того, в случае, когда плакировка — сталь типа 18-10, при сварке биметалла в зоне сплавления может образоваться мартенсит, по которому легко распространяется коррозионная трещина в наводороженном металле.

Помимо сталей (сплавов на основе железа) для изготовления элементов металлоконструкций в ряде случаев используются сплавы на основе меди (латуни) и никеля (монель-металл). Латуни хорошо противостоят питтинговой коррозии в нейтральных и слабокислых средах. Их используют для изготовления трубных пучков холодильников, предназначенных главным образом для охлаждения головного погона атмосферных колонн установок АВТ. Применение защелачивания и ингибирования головных погонов позволяет обходиться для этих целей углеродистыми сталями. Монель-металл (сплав никеля с молибденом) практически не подвергается питтинговой коррозии и хлоридному коррозионному растрескиванию даже в кислых средах, и рекомендовался для плакикрования верхней части атмосферных колонн на установках первичной переработки нефти, работавших без блока (установки) ЭЛОУ. Повсеместное введение подобных блоков и установок избавило от необходимости применения этого дорогостоящего материала. Применение латуней и монель-металла в наше время весьма ограничено и не считается перспективным. Поэтому в настоящем пособии особенности влияния их химического состава и структуры на коррозионное поведение не рассматривается.

Ссылки

• «Легирование» — статья в «Химической энциклопедии»
• «Легирование» — статья в «Металлургическом словаре»
• «Легирование» — статья в «Энциклопедии Кирилла и Мефодия»

Wikimedia Foundation . 2010 .Синонимы :

— (нем. legieren сплавлять от лат. ligo связываю, соединяю), 1) Введение в состав металлических сплавов т. н. легирующих элементов (напр., в сталь Cr, Ni, Mo, W, V, Nb, Ti и др.) для придания сплавам определенных физических, химических или… … Большой Энциклопедический словарь

— (нем. Legirung, от лат. ligare связывать). Сплавливание благородного металла с каким либо другим. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. ЛЕГИРОВАНИЕ нем. Legirung, от лат. ligare, связывать. Сплавление… … Словарь иностранных слов русского языка

— (немецкое legieren сплавлять, от латинского ligo связываю, соединяю), введение в металлический расплав или шихту элементов (например, в сталь хрома, никеля, молибдена, вольфрама, ванадия, ниобия, титана), повышающих механические, физические и… … Современная энциклопедия

Металл серебристо-белого цвета, тяжелый (плотность 8900 кг/м 3), температура плавления чуть меньше, чем у железа (1453 °С), прочность — 40-50 кгс/мм 2 , твердость — НВ80, доста­точно пластичный, имеет высокую коррозионную стойкость, химическую стойкость к воде, воздуху и кислотам. Исключение составляют серосодержащие соединения. При взаимодействии с ними на поверхности металла образуются сульфиты и сульфаты (пленки зеленого и коричневого цвета).

Чистый никель не токсичен, хорошо полируется, характерный металлический блеск сохраняется длительное время, поэтому ис­пользуется в качестве защитно-декоративных покрытий столовых приборов и посуды, а также для изготовления инструментов, метал­лической мебели, деталей автомобилей, мотоциклов, велосипедов.

Никель хорошо сохраняет свои свойства при работе в агрессив­ных средах, поэтому применяется для производства химической аппаратуры.

Из никеля изготовляют металлогалантерею: пряжки одежные и обувные, заколки, зажимы, металлические пуговицы.

Никель широко используется в качестве легирующего элемента в сплавах с железом и медью.

Металл серо-стального цвета, тяжелый (плотность -7140 кг/м 3), температура плавления (1910 °С) выше, чем у железа.

Металл химически малоактивен, устойчив даже к атмосферному кислороду, но имеет высокую хрупкость, поэтому не применяется в качестве конструкционного материала.

В основном используется в качестве защитно-декоративных покрытий. Хромовые покрытия обеспечивают высокую износо­стойкость и стойкость к коррозии. Хромируют инструменты (бе­лые, блестящие), корпуса и детали часов. Часто хромированные часы изготовляются вместе с браслетом. Иногда хромированные часы с браслетом имеют на корпусе крышку, тогда они выглядят как блестящий браслет.

Хромируются детали велосипедов, мотоциклов, машин (бам­перы, решетки радиаторов) и др.

В металлургии хром используется в качестве легирующего элемента, особенно в легированных сталях, в нихромах (сплавах железа, никеля и хрома).

Хром является необходимым элементом при получении дубите­лей для производства кож в кожевенно-обувной промышленности, а также красителей для тканей в текстильной промышленности.

Цинк— металл светло-серого цвета с синеватым отливом, тяжелый (плотность — 7140 кг/м 3), легкоплавкий (419 °С), проч­ность — не более 15 кгс/мм 2 , пластичен.

Марки: ЦО (99,975% цинка) и ЦЗ (97,5% цинка). В цинке всегда присутствуют вредные примеси: свинец, мышьяк, сурьма, кадмий, от которых трудно избавиться.

На воздухе покрывается оксидной пленкой, которая и предох­раняет металл от коррозии.

Более половины добываемого цинка используется в качестве защитно-декоративных покрытий стальных изделий, например, оцинкованная листовая сталь и оцинкованная посуда. Оцинковке подвергаются днища кузовов автомобилей.

Оцинковка проводится в электролитической ванне (тогда по­крытие будет дозированным, т. е. определенной толщины) или обычным окунанием (тогда покрытие будет недозированным).

Оцинкованная посуда (миски и ведра) обязательно должна иметь маркировку «Не для термической обработки: токсично!».

Металпохозяйственные товары

Эта посуда предназначена для хранения продуктов, но не для при­готовления пищи.

Сейчас оцинкованные ведра, миски и лейки все более заменя­ются изделиями из пластмасс.

Цинк применяют в качестве легирующих элементов многих сплавов, особенно медных (латунь, нейзильбер).

Олово— металл серебристо-белого цвета, тяжелый (плотность 7300 кг/м 3), один из самых легкоплавких (232 °С), очень мягкий и пластичный, легко прокатывается в фольгу, прочность -2-3 кгс/мм 2 , твердость — НВ5. Олово устойчиво к действию большинства пище­вых продуктов и не образует токсичных соединений, поэтому его широко применяют как защитное покрытие изделий из углеродистых конструкционных сталей, для лужения посуды и изготовления кон­сервных банок. Правда, в последнее время олово стараются заменить другими материалами из-за его высокой стоимости. Олово входит в состав бронз и многокомпонентных латуней.

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 – элемент, добавление которого к стали позволяет улучшить такие характеристики, как ковкость и твердость.

Влияние молибдена на свойства сталей

Молибден с готовностью образует в сталях карбиды. Он растворяется в цементите только немного. Молибден образует карбиды молибдена, как только содержание углерода в стали становится достаточно высоким. Молибден способен обеспечивать дополнительное термическое упрочнение в ходе отпуска закаленных сталей. Он повышает сопротивление сталей ползучести низколегированных при высоких температурах.

Добавки молибдена способствуют измельчению зерна сталей, повышают упрочняемость сталей термической обработкой, увеличивают усталостную прочность сталей. Легированные стали с содержанием молибдена 0,20-0,40 % или такое же количество ванадия замедляют возникновение отпускной хрупкости, но не устраняют ее полностью. Молибден повышает коррозионную стойкость сталей и поэтому широко применяется в высоколегированных ферритных нержавеющих сталях и в хромоникелевых аустенитных нержавеющих сталях. Высокое содержание молибдена снижает склонность нержавеющей стали к точечной (питтинговой) коррозии. Молибден оказывает очень сильное упрочнение твердого раствора аустенитных сталей, которые применяются при повышенных температурах.

Источник: Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies, ed. G. E. Totten, 2006

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:

1. Конструкционные. Сталь, используемая при изготовлении деталей, узлов и конструкций.
2. Инструментальная. Металл характеризуется содержанием углерода на уровне 0.9 – 1.4%. Дополнительные легирующие элементы в сталях инструментальных: хром, ванадий, вольфрам, кремний, марганец и прочие. Суммарная концентрация примесей, исключая углерод, не превышает 5%. Используются в производстве инструмента ударного и режущего воздействия.

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

Физико-химические свойства нержавеющих сталей

При кристаллизации аустенитные стали образуют однофазную систему с кристаллической решеткой гранецентрированного типа. Один из наиболее ярких представителей класса – сплав 08Х18Н10. Благодаря высокому содержанию никеля в нержавейках этого класса (до 30%) аустенитная фаза сохраняет устойчивость вплоть до – 200 °C, содержание углерода не превышает 0,12%. Стали с такой структурой характеризуются отсутствием магнитных свойств. Большинство из них имеет хорошую механическую обрабатываемость.

Аустенитные стали обязательно подвергаются термообработке – закалке, отпуску или отжигу. Скорость охлаждения практически не изменяет твердости, однако оказывает влияние на устойчивость к жидким и газообразным агрессивным средам, стабилизирует размер зерна устойчивость к деформации.

В системы легирования аустенитных хромоникелевых сталей вводят дополнительные элементы:

• молибдена – для предотвращения питтинга и эксплуатации в восстановительных атмосферах
• титана и ниобия – для защиты от межкристаллической коррозии.
• кремния – для повышения кислотостойкости;
• марганца – для улучшения литейных качеств.

В этот класс входят хромистые стали с низким содержанием углерода. Они имеют объемно-центрированную кубическую решетку, определяющую магнитные свойства. Ферритные стали обладают меньшей коррозионную устойчивость в сравнении с аустенитными, не могут быть упрочнены термообработкой, но имеют более высокие технологические свойства. Они легче подвергаются механической обработке и лучше свариваются, а их себестоимость значительно ниже. При температуре 300 – 400 °C стали приобретают высокую пластичность, и из них можно получать объемные штампованные детали сложной формы.

Содержание хрома в таких сталях достигает 27 %. В качестве стабилизирующих добавок используют молибден, титан и алюминий.

Сплавы этого класса содержат не менее 0,15 % углерода и 11 % хрома. Мартенсит имеет микроскопическую игольчатую структуру и при увеличении выглядит так же, как и углеродистая сталь после закалки. Кристаллическая решетка имеет тетрагональную форму и характеризуется высокими внутренними напряжениями. Это определяет высокие прочностные свойства и твердость. Например, для 40Х13 она составляет до 52 – 55 HRC. В качестве дополнительных легирующих элементов вводятся молибден, ниобий, ванадий и вольфрам. Мартенситные стали из-за высокой твердости плохо поддаются резанию и имеют низкую пластичность.

Одно из основных технологических свойств коррозиестойких сталей с такой структурой – способность к самозакаливанию. Мартенситное превращение происходит при охлаждении на воздухе. Для повышения жаропрочности сталь после закалки подвергают отпуску на сорбит или троостит.

Конструкционные легированные стали

Классификация этого вида низкоуглеродистого железа достаточно обширна. Среди параметров, определяющих сортировку конструкционной стали присутствуют:

• форма и габариты;

• процентная масса легирующих элементов;

• химический состав и базовая примесь;

• качество металла, его поверхности (две различные категории);

• вид обработки.

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, . 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:

• высоколегированный – доля добавок более 10%;

• умеренный от 2.5 до 10%;

• низкое содержание примесей — менее 2,5%.

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:

1. По степени раскисления. Параметр напрямую зависит от процентного вхождения кремния. Стали содержащие не более 0.07% называют кипящими, свыше 0.12% — спокойными. Интервал 0.07 – 0.12% соответствует полуспокойным маркам металла.
2. Непосредственно маркировка. Формируется из нескольких элементов. Первый – буквенное обозначение Б или В (группа А не обозначается) с последующим «Ст». Например, Ст1кп2; БСт2пс; ВСт6сп3. Второй – цифра, соответствующая номеру ГОСТ. Третий символ: буква «Г», присутствие которой указывает на повышенно содержание марганца. Далее идут степень раскисления металла и номер категории стали.
3. Применение. Параметр, указывающий, где используют легированные конструкционные стали. Маркировки Ст1, Ст2 отводятся под проволоку и изделия из прутков: гвозди или заклепки. Крепежные детали обозначаются Ст3, Ст4 а осевые элементы или валы под слабой нагрузкой – Ст5, Ст6.

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.

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:

• режущий;

• измерительный;

• штампы.

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.

Сварка легированных сталей: особенности

Легированные сплавы обладают хорошей пластичностью, поэтому из них можно изготовить сложные конструкции методом сварки. По причине различного содержания добавок каждый тип легированных изделий имеет свои особенности.

Особенность сварных соединений низколегированных сталей заключается в высокой сопротивляемости холодным трещинам и хрупкому разрушению. Но, такие свойства соединительного шва можно достичь только при правильном сваривании.

Если процесс предварительного нагрева будет нарушен либо сварной шов подвергнется слишком быстрому остыванию металл может получить в местах соединения микроскопические повреждения, которые значительно уменьшат прочность всей конструкции.

Низколегированные стали марки 10Г2СД, а также 14ХГС и 15ХСНД свариваются с использованием аппарата постоянного тока с обратной полярностью. Электроды для сваривания должны иметь фтористо-кальциевое покрытие. Величина сварочного тока должна точно соответствовать типу электрода, толщине металла и типу сплава. Несоблюдение этого требования также отразится на качестве сварного шва и, как следствие, на прочности изготавливаемой конструкции.

Сварка низколегированной стали должна осуществляться без перерыва, чтобы весь шов был выполнен без при температуре металла не менее 200 градусов. Средняя скорость сварки составляет 20 м/ч, при напряжении 40 В и силе тока 80 А.

При изготовлении конструкций из среднелегированных сталей необходимо использовать сварочные материалы, в которых содержание легирующих элементов должно быть меньше, чем в свариваемом материале.

Только при использовании таких материалов можно добиться получения шва с высокой устойчивостью к деформации. Если при изготовлении изделий из среднелегированных сталей толщина листа не превышает 5 мм, то высокого качества соединения можно достичь при использовании аргонодуговой сварки.

Если для соединения деталей используется газовая сварка, то в качестве источника горения следует применять ацетилен в смеси с кислородом.

Если для производства металлических деталей применяется высоколегированная сталь, то в этом случае следует применять сварочное оборудование с минимальным тепловым захватом материала. Это необходимо для снижения вероятности коробления металла во время сварки, по причине большого содержания в составе металла различных примесей.

Электрическая сварка высоколегированных сплавов осуществляется с использованием электродов с фтористокальциевым покрытием. В этом случае удаётся добиться высоких показателей механической и химической прочности сварного шва.

Применение газовой сварки при изготовлении конструкций из высоколегированных сталей нежелательно. В исключительных случаях возможно использование газовой сварки для соединения жаропрочного высоколегированного стального листа толщиной не более 2 мм.

Применение легированных сплавов при изготовлении металлических деталей и конструкций позволяет придать ним необходимые физические качества. При работе с такими металлами обозначение легирующих элементов в стали помогает подобрать заготовку с нужными параметрами, из которой затем будет изготовлена конструкция.

При использовании таких сплавов необходимо не только знать их состав, но и способы соединения при помощи сварки. Поэтому если следовать рекомендациям изложенным в данной статье, то можно получить высококачественное изделия с заданными параметрами.

Легированный металлолом

Обзор рынка легированного лома касается не только стали, но и чугуна. Действительно, доля купим легированный , 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, 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 .

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.

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.

Что такое легированная сталь

Это углеродистая сталь для улучшения технологических свойств которой введены специальные легирующие элементы. Процент добавок в составе невелик, но даже при незначительной концентрации, физические свойства металла улучшаются в несколько раз.

В зависимости от вида используемых добавок при производстве стали металл приобретает следующие свойства:

• неподверженность коррозии;
• упругость;
• тугоплавкость;
• прочность.

Для придания перечисленных качеств в состав добавляют следующие металлы:

• хром;
• никель;
• молибден;
• вольфрам;
• медь.

Зачастую в углеродистую сталь достаточно добавить 1 — 3% легирующих элементов для придания ей необходимых свойств и качеств.