Легирование стали

Легирование стали нужно для производства инструментов и полупроводников. В первом случае особенное внимание обращают на механические характеристики, а во 2-м — на токопроводящие свойства. Это просит не только лишь различных добавок (к примеру, легирование стали алюминием), да и различных технологических действий. Легированная сталь представляет собой железоуглеродистый сплав с доп элементами (никель, хром, молибден, кобальт и алюминий) для придания данной стали особенных черт, таковых как: устойчивость к коррозии, упругость и твердость, что делает ее лучше обыкновенной углеродной стали.

Сплавы, обычно, обозначаются в согласовании с преобладающими элементами, таковыми как никелевая сталь, хромистая сталь и хромованадиевая сталь. Сплавы можно повстречать фактически во всех отраслях индустрии, от штатского строительства до кораблестроения, в нефтяной, авто и авиационной отраслях.

Обилие вероятных сплавов фактически нескончаемо, как и обилие черт.

Процесс легирования

Легированная сталь быть может произведена несколькими методами. Легирование бывает поверхностным и большим. В первом случае легирующие добавки вводятся лишь в верхний слой. Легирующий элемент просачивается неглубоко, приблизительно на 1-2 мм. Это нужно для сотворения на поверхности сплава определенных параметров (к примеру, антифрикционных). Поверхностное легирование намного лучше напыления, а потому нередко применяется при изготовлении керамики и стекла. Введение добавок во весь размер сплава предусматривается большим легированием.

Легирующих добавок быть может несколько. Они могут быть как металлическими, так и не металлическими (к примеру, фосфор). Для получения разных черт легирование может выполняться на разных шагах плавки.

Добавление легирующих частей ориентировано на создание микроструктурных конфигураций, которые, в свою очередь, содействуют изменению физико-механических параметров материала, позволяя ему делать определенные функции.

Легирование полупроводников проводится при помощи термодиффузии, нейтронно-трансмутационного легирования и ионной имплантацией. Ионное легирование проводится в два шага. Поначалу проводится загонка легирующих атомов, а потом их активируют. Распределение частей зависит от температуры и времени, глубина вхождения — от энергии. При термодиффузии происходит осаждение легирующих частей, отжиг и удаление легирующих частей. Нейтронно-трансмутационное легирование получается благодаря ядерным реакциям — в этом случае легирующие и легируемые элементы соединяются воединыжды монокристаллический материал.

Характеристики и предназначение

Более нередко применяемыми легирующими элементами являются никель, марганец, хром, кремний, свинец, селен и бор. Наименее нередко употребляются алюминий, медь, ниобий, цирконий и вольфрам.Предназначение этих частей весьма многообразно, и при использовании в подходящих пропорциях стали получают с определенными чертами, которые, но, не могут быть достигнуты с обыкновенными углеродистыми сталями.Сплавы обычно классифицируются с учетом частей, содержание которых более велико, и которые именуются базисными компонентами. Элементы, которые находятся в наименьшей пропорции, рассматриваются как вторичные составляющие.

Железо {само по себе} не особо крепкое, но его крепкость существенно увеличивается, когда он легируется углеродом, а потом стремительно охлаждается для производства стали. Некие свойства стали — мягенькая, полумягкая, полутвердая, жесткая — в значимой степени обоснованы содержанием углерода, которое может составлять от 0,10 до 1,15%.

Опасности

Некие ферросплавы выполняются и употребляются в форме маленьких частиц; переносимая по воздуху пыль представляет собой потенциальную опасность токсичности, пожара и взрыва. Не считая того, проф действие паров при изготовлении неких сплавов может привести к суровым дилеммам со здоровьем. Ряд сплавов олова небезопасен для здоровья (в особенности при больших температурах) из-за вредных параметров металлов, с которыми можно легировать олово (к примеру, свинец).

Практическое применение легирующих добавок

Никель, осмий, рутений, медь, золото, серебро и иридий легируются платиной для увеличения твердости. Сплавы, образованные с кобальтом, заполучили значение благодаря своим ферромагнитным свойствам. Родий употребляется в качестве антикоррозийного электролитического покрытия для защиты серебра от потускнения. Родий легируется платиной и палладием, чтоб получить весьма твердые сплавы.Цель легирования медью — повысить коррозионную стойкость.Также медью легируют серебро. В чистом виде серебро очень мягкое для производства монет, столовых устройств и украшений, для всех областей внедрения оно упрочняется методом легирования медью.

Темные сплавы

Темные сплавы — это железо и его сплавы. Существенное содержание углерода делает чугун весьма хрупким. Невзирая на свою хрупкость и наиболее низкие механические характеристики, чем у стали, их низкая себестоимость, простота литья и специальные свойства делают их одним из самых ценных в мире товаров с самым огромным тоннажем производства.

Цветные сплавы

Цветные сплавы — это сплавы, которые не содержат железа либо содержат относительно маленькое количество железа. Их свойства — значимая коррозионная стойкость, высочайшая электро- и теплопроводимость, низкая плотность и простота производства.

Нержавеющая сталь

Общие свойства нержавейки делают ее всепригодным материалом, который отлично приспосабливается к требованиям нынешнего денька. Любые виды сплавов имеют свои достоинства зависимо от хим состава.

Эстетика. Существует ряд видов отделки поверхности: от матовой до глянцевой, от сатиновой до гравировки. Отделка также быть может кружевной либо окрашенной, что делает нержавеющую сталь неповторимым и эстетичным материалом. Архитекторы нередко выбирают этот материал для строй работ, дизайна интерьера и городской мебели.

Механические характеристики.Нержавейка владеет наилучшими механическими качествами при комнатной температуре по сопоставлению с иными материалами, что является преимуществом в строительном секторе, потому что дозволяет понизить вес на м² либо уменьшить размеры частей конструкции. Отменная упругость и твердость в сочетании с хороший износостойкостью (трение, истирание, удары, упругость…) разрешают применять нержавейку в широком диапазоне проектов. Не считая того, нержавейка может устанавливаться на стройплощадке, невзирая на зимние температуры, без риска хрупкости либо поломки, что не препятствует удлинению сроков строительства.

Огнеупорность. По сопоставлению с иными сплавами, нержавейка владеет наилучшей огнеупорностью в конструкции благодаря высочайшей температуре плавления (выше 800 °C). Нержавейка не выделяет ядовитых паров. Коррозионная стойкость: при содержании хрома 10,5% нержавеющая сталь повсевременно защищена пассивным слоем оксида хрома, который естественным образом появляется на ее поверхности при контакте с влажностью воздуха. При повреждении поверхности пассивный слой восстанавливается. Это обеспечивает коррозионную стойкость.

Систематизация легированных сталей

Сплавы делятся на три группы: низколегированные, среднелегированные и высоколегированные. На степень легирования стали влияет средний уровень количества остальных включенных частей. Граница, разделяющая группы, не весьма ясна.

Систематизация по содержанию легирующих частей:

• низколегированная (до 2,5%);
• среднелегированная (до 10%);
• высоколегированная (от 10% до 50%).

По практическому применению:

• конструкционные (машиностроительные либо строй);
• инструментальные;
• специального предназначения.

Маркировка легированных сталей

Требования клеветает ГОСТ 4543-71. Легирующие добавки обозначаются так:

Легирующие элементы. Легирующие элементы стали

Для производства неких инструментов и ножей используются особые стали с добавлением легирующих добавок. Легирование стали осуществляется на металлургических производствах. При всем этом некие добавки разрешают не только лишь сделать лучше свойства стали, да и значительно упростить процесс плавки. Технологический процесс легирования достаточно сложен, просит особенной точности и потому фактически неосуществим в домашних критериях.

1 Описание процесса, цели

Необходимо различать легирование стали, которая применяется для производства инструментов, и той, которая применяется для производства полупроводников. Так, в первом случае требуется увеличение конкретно механических черт, а во 2-м случае требуется увеличение токопроводящих параметров. Для этого используются разные легирующие добавки, также значительно различается технологический процесс. Для того, чтоб иметь понятие о действиях, в данном материале будут кратко рассмотрены базы легирования металлов для разных технических нужд.

Под легированием соображают добавление в состав сплава разных примесей (добавок), которые изменяют свойства и характеристики сплава. При всем этом процессы легирования делят на:

1. Металлургическое легирование (по-другому — объемное).
2. Поверхностное. Оно быть может выполнено несколькими методами: диффузией, ионным «обстрелом» и т.д.

Зависимо от того, для какой отрасли создают легирование стали, могут применяться разные технологии. Так, на металлургических производствах для легирования стали в расплавленный сплав в качестве добавки применяется сплав для легирования.

Легирование колченогом, молибденом, никелем, ниобием (ниобий применяется изредка) и т.д. Такие добавки разрешают значительно сделать лучше физико-химические характеристики материала. Чтоб железная заготовка владела определенными качествами (к примеру, сопротивляемость коррозии, повышение твердости и уменьшение износа), применяется поверхностное легирование. Технологический процесс легирования может выполняться на разных шагах плавки для получения разных черт готового проката.

Поверхностное легирование нередко используют для производства стекол и глиняних изделий. Это еще лучше, чем напыление, поэтому что происходит диффузия легирующей добавки и основного материала.

Главной целью легирования полупроводников является изменение проводимости, также концентрации носителей в данном количестве материала, при всем этом получая нужные характеристики (к примеру, плавность pn-перехода). Для этих целей более нередко используются добавки фосфора либо мышьяка, время от времени добавляют бор.

Сейчас существует несколько технологических методов легирования. Подробнее о их поведано в последующем разделе.

2 Разные методы

1-ый метод — ионное легирование (ионная имплантация) Таковой метод дозволит производить контроль устройств с наибольшей точностью. Эта разработка применяется в главном для легирования полупроводников. Ионное легирование условно можно поделить на 2 шага: загонка легирующих атомов в материал и активация загнанной в материал добавки. Проконтролировать процесс можно дозой (кол-вом добавки), энергей (от нее зависит глубина вхождения добавки), температурой (от нее зависит распределение добавки в материале), также временем протекания процесса.

Последующим идет нейтронно-трансмутационный процесс легирования. Он тоже применяется для легирования полупроводников. Принципы технологического процесса последующие: добавки не вводятся, а «мутируют» из начального материала при протекании ядерных реакций, которые вызываются при облучении материала нейтронами. В итоге выходит монокристаллический материал, в каком атомы распределены умеренно. Схожий метод в первый раз был использован на местности СССР (Союз Советских Социалистических Республик, также Советский Союз — государство, существовавшее с 1922 года по 1991 год на территории Европы и Азии) в 1980 году. Русскими учеными была подтверждена возможность легирования силиция в огромных количествах на энергоблоках АЭС (Атомная электростанция — ядерная установка для производства энергии в заданных режимах и условиях применения, располагающаяся в пределах определённой проектом территории, на которой для осуществления этой цели используются ядерный реактор), при всем этом не понижалась выработка электроэнергии и не ухудшались характеристики сохранности. С 1988 по 2004 года разработка была внедрена практически на всех АЭС (Атомная электростанция — ядерная установка для производства энергии в заданных режимах и условиях применения, располагающаяся в пределах определённой проектом территории, на которой для осуществления этой цели используются ядерный реактор) Рф и улучшена, что позволило прирастить поперечник слитков Si до 85 мм. Сейчас Наша родина лидирует в данной технологии.

Иным методом легирования полупроводников является термодиффузионный метод. Он условно делится на несколько шагов: осаждение добавки, отжиг (при котором происходит загонка добавки в материал), удаление добавки.

Электроискровое легирование происходит при обработке готовых изделий из сплава при использовании дуговых разрядов, при которых происходит перенос добавки с электрода на поверхность изделия. Нередко используют для форм и остальных изделий, которые употребляются в цветной и темной металлургии (в процессе разливки), так как обработанные детали и конструкции устойчивы к высочайшей температуре. Электроискровое легирование применяется лишь для особых изделий и устройств.

А вот в металлургии особое легирование начало употребляться не так издавна — приблизительно с начала 20 века. Главными причинами этого являются технологические трудности, связанные с действием и с тем, что отчасти происходило природное обогащение компонентами (так, применяемое метеоритное железо имело в собственном составе никель, а на рудниках — свои примеси серы, кремния и т.д.). Некие месторождения (к примеру, на юге Стране восходящего солнца) имели в составе руды и молибден, потому японское орудие числилось весьма надежным и крепким. В Европе уделили особенное внимание процессу легирования во 2-ой половине 19 века, 1-ый лабораторный эталон легированной стали был получен в 1858 году, 1-ая пробная партия получена в 1871-м, но технологически не приготовленное оборудование не дозволяло стремительно ввести эту технологию. Потому массово легировать сталь стали лишь к 1890-м годам.

Раздельно стоит поведать о технологии взрывного насыщения. Взрывное легирование употребляется при насыщении углеродистой стали медью. Это один из подвидов ионного метода, основное предназначение — защита железных изделий от коррозии.

3 На что влияют добавки

1-ое, что следует выделить — более нередко используемые добавки к стали. Такими являются: хром, никель, марганец, молибден, титан, ванадий. Медь легируют кадмием, что значительно наращивает ее износостойкость. Установка маленького количества присадок кадмия дозволяет повысить крепкость, упругость и износостойкость проводов и кабелей. В титан добавляют молибден, что дозволяет значительно повысить температурный спектр эксплуатации. При всем этом некие сплавы могут легировать сходу несколькими добавками.

Легирующие добавки для стали вводят для увеличения конкретно механических черт.

4 Расшифровка наименований

Нередко возникает необходимость выяснить состав сплава. Маркировка материала осуществляется с помощью букв и цифр, согласно ГОСТу 4543-71. Первыми идут числа, показывающие кол-во C в процентах (сотых), потом идут буковкы, показывающие добавку. Вероятные обозначения: Х — Cr, Н — Ni, К — Co, М — Mo, Т — Ti, В — W, А — N, Б — Nb, Д — Cu, Г — Mn, Р — B, Ю — Al, Ф — V, С — Si. В маркировке за буковкой, обозначающей добавку, ставится цифровое обозначение, которое показывает кол-во добавки в %, при всем этом цифра может округляться согласно правилам округления (т.е. реальное содержание добавки 0,88% будет округлено до 1%). Если кол-во добавки около 1 %, то цифровое обозначение опосля добавки не ставится совершенно. При всем этом нужно направить внимание, что принципиально размещение буковкы в наименовании.

Так, обозначение, содержащее «А», находящееся не в конце наименования стали, является обозначением добавки N как легирующей добавки, в случае, когда она крайняя в наименовании, обозначает сталь высочайшего свойства.

К примеру, распишем сталь 65Х13Н2МА. Установка расшифровки такая: кол-во углерода — 0,65%, 13% хрома, 2% никеля, 1% молибдена, сталь качественная.

В заключении необходимо отметить, что нужно верно смотреть за соотношением компонент в стали.

Легирование (от лат. ligo — связываю, соединяю), введение добавок в сплавы, сплавы и полупроводники для придания им определенных физических, хим либо механических параметров. Материалы, подвергнутые легированию, именуют легированными. К ним относятся легированные стали и чугуны, легированные цветные металлыи сплавы, легированные полупроводники, Для легирования употребляют сплавы, неметаллы (С, S, P, Si, В, N 2 и др.),ферросплавы (см. Железа сплавы) и лигатуры — вспомогательные сплавы, содержащие легирующий элемент. К примеру, главные легирующие элементы в сталях и чугунах — Сr, Ni, Mn, Si, Mo, W, V, Ti, Al, Nb, Co, Сu, в алюминия сплавах — Si, Cu, Mg, Ni, Cr, Co, Zn, в магния сплавах — Zn, Al, Mn, Si, Zr, Li, в меди сплавах -Zn, Sn, Pb, Al, Mn, Fe, Ni, Be, Si, P, в титана сплавах — Al, Mo, V, Mn, Сu, Si, Fe, Zn, Nb.

Легирование — высококачественное понятие. В любом сплаве либо сплаве из-за особенностей производственного процесса либо начального сырья находятся неминуемые примеси. Их не считают легирующими, потому что они не вводились специально. К примеру, уральские стальные руды содержат Сu, керченские — As, в сталях, приобретенных из этих руд, также имеются примеси соответственно Сu и As. Внедрение луженого, покрытого цинком, блестящего и др. металлолома приводит к тому, что в получаемый сплав попадают примеси Sn, Zn, Sb, Pb, Ni, Cr и др.

При легирование металлов и сплавов могут создаваться твердые смеси замещения, внедрения либо вычитания, консистенции 2-ух и наиболее фаз (напр., Ag в Fe), интерметаллиды, карбиды, нитриды, оксиды, сульфиды, бориды и остальных соединений легирующих частей с основой сплава либо меж собой.

В итоге легирование значительно изменяются физико-химические свойства начального сплава либо сплава и, до этого всего, электрическая структура. Легирующие элементы влияют на температуру плавления, область существования аллотропич. модификаций и кинетику фазовых перевоплощений, нрав изъянов кристаллической сетки, на формирование зернышек и узкой кристаллической структуры, на дислокационную структуру (затрудняется движение дислокаций), жаростойкость и коррозионную стойкость, электронные, магнитные, механические, технолегирование (к примеру, свариваемость, шлифуемость, обрабатываемость резанием), диффузионные и почти все остальные характеристики сплавов.

Легирование подразделяют на объемное и поверхностное. При объемном легировании легирующий элемент в среднем статистически распределяется в объеме сплава. В итоге поверхностного легирования легирующий элемент сосредоточивается на поверхности сплава. Легирование сходу несколькими элементами, определенное содержание и соотношение которых дает возможность получить требуемый комплекс параметров, наз. всеохватывающим легирование и соотв. сплавы — комплекснолегированными. Напр., в итоге легирование аустенитной хромоникелевой стали вольфрамом ее жаропрочность увеличивается в 2-3 раза, а при совместном использовании W, Ti и др. частей — в 10 раз.

Условно различают понятия: легирование, микролегирование и модифицирование. При легировании в сплав вводят 0,2-0,5% по массе и наиболее легирующего элемента, при микролегировании — почаще всего до 0,1 %, при модифицировании — меньше, чем при микролегировании, либо столько же, но задачки, решаемые микролегированием и модифицированием, различные. Микролегирование отлично влияет на строение и энергетическое состояние границ зернышек, при всем этом предполагается, что в сплаве будут реализованы два механизма упрочнения — благодаря легированию твердого раствора и в итоге дисперсионного твердения. Модифицирование содействует в процессе кристаллизации измельчению структуры, изменению геом. формы, размеров и распределения неметаллических включений, изменению формы эвтектических выделений, в целом улучшая механические характеристики. Для микролегирования употребляют элементы, владеющие приметной растворимостью в жестком состоянии (наиболее 0,1 ат. %), для модифицирования обычно служат элементы с жалкой растворимостью (>

Легированная сталь для трубопровода. Низколегированная и высоколегированная сталь

Когда добавляются разные железные и неметаллические элементы в определенном количестве к углеродистой стали, это изменяет характеристики углеродистой стали. Таковым образом можно управлять сиим процентным содержанием легирующих частей в стали, чтоб получить наилучшие характеристики, чем у обыкновенной углеродистой стали.

Легированная сталь классифицируется:

• Низколегированные стали, в каких общая сумма легирующих частей составляет <5%;
• Высоколегированные стали, в каких общая сумма легирующих частей составляет >5%.

Легирующие элементы

Почаще применяемые легирующие элементы:

Хром — увеличивает устойчивость к коррозии и окислению. Наращивает упрочняющую способность и износостойкость. Наращивает жаропрочность.

Никель — наращивает упрочняющую способность. Улучшает крепкость. Наращивает ударную вязкость при низкой температуре.

Молибден — увеличивает твердость, стойкость к высочайшим температурам и износостойкость. Увеличивает эффекты остальных легирующих частей. Убрать хрупкость нрава в сталях. Наращивает жаропрочность.

Марганец — наращивает способность затвердевания. Комбинируется с сероватой, чтоб уменьшить ее побочные эффекты.

Ванадий — увеличивает упрочняющую способность, высокотемпературную твердость и износостойкость. Улучшает сопротивление вялости.

Титан — самый мощный карбидообразующий элемент. Добавляется нержавеющая сталь для предотвращения осаждения карбида хрома.

Кремний — удаляет кислород при производстве стали. Улучшает крепкость. Наращивает твердость.

Бор — Наращивает упрочняющую способность. Обеспечивает маленький размер зерна.

Алюминий — образует нитрид в азотированных сталях. Образует маленький размер зерна в отливке. Удаляет кислород при выплавке стали.

Кобальт — увеличивает тепло и износостойкость.

Вольфрам — наращивает твердость при завышенных температурах. Улучшает размер зерна.

Роль легирующих частей

Зависимо от количества легирующих частей влияют последующие характеристики материала, такие как

• Устойчивость к коррозии
• Закаливаемость
• Способность поддаваться обработке
• Высочайшая либо низкая температурная стабильность
• Тягучесть
• Крепкость
• Наилучшая износостойкость
• Усовершенствованная свариваемость

Внедрение легированной стали

Легированная сталь может употребляться в тех областях, где углеродистая сталь имеет ограничения, такие как

• Высокотемпературные условия, такие как нагревательные трубки
• Низкотемпературные условия, такие как криогенная среда
• Условия весьма высочайшего давления, такие как парораспределители

Дальше указаны марки легированной стали, с которыми можно столкнуться.

• Для труб: ASTM A335 Gr P1, P5, P11, P9
• Для кованых фитингов: ASTM A234 Gr.WP5, WP9, WP11
• Для кованых фитингов: ASTM A182 F5, F9, F11 и т. д.

P5, WP5 и F5 имеют схожий хим состав, потому они могут свариваться совместно.