Развитие отождествляется с совершенствованием. Улучшение промышленных и бытовых возможностей осуществляется с помощью использования материалов с прогрессивными характеристиками. Это, в частности, Их разнообразие определяется возможностями коррекции количественного и качественного состава
Природно-легированная сталь
Первое выплавленное железо, которое по своим свойствам отличалось от сородичей, было природно-легированным. В выплавляемом доисторическом содержалось повышенное количество никеля. Его находили в древнеегипетских захоронениях 4-5 тысячелетий до н. э., из такого же сооружен памятник архитектуры Кутаб Минар в Дели (V век). Японские булатные мечи изготавливались из железа, насыщенного молибденом, а дамасская сталь содержала вольфрам, характерный для современной быстрорежущей. Это были металлы, руда для которых добывалась из определенных мест.
Сплавы современного производства могут содержать природные компоненты металлического и неметаллического происхождения, которые отражаются на их характеристиках и свойствах.
Исторический путь
Фундамент для развития легирования был заложен обоснованием тигельного способа плавления стали в Европе в XVIII веке. В более примитивном варианте тигли использовались еще в древние времена, в том числе для выплавки булатной и дамасской стали. В начале 18 века эта технология получила совершенствование в промышленных масштабах и позволяла корректировать состав и качество исходного материала.
- Одновременное открытие все новых и новых химических элементов, подталкивало исследователей на экспериментальные опыты выплавки.
- Установлено негативное влияние меди на качество стали.
- Открыта латунь, содержащая 6 % железа.
Проводились опыты с точки зрения качественного и количественного влияния на стальной сплав вольфрама, марганца, титана, молибдена, кобальта, хрома, платины, никеля, алюминия и прочих.
Первое промышленное производство стали, легированной марганцем, налажено в начале XIX века. Оно же получило развитие с 1856 года в рамках бессемеровского процесса выплавки.
Особенности легирования
Современные возможности позволяют выплавлять легированные металлы любого состава. Основные принципы рассматриваемой технологии:
- Компоненты считаются легирующими только в том случае, если они вводятся целенаправленно и содержание каждого превышает 1 %.
- Сера, водород, фосфор считаются примесями. В качестве неметаллических включений используются бор, азот, кремний, редко - фосфор.
- Объемное легирование - это введение компонентов в расплавленную субстанцию в рамках металлургического производства. Поверхностное представляет собой способ диффузионного насыщения поверхностного слоя необходимыми химическими элементами под действием высоких температур.
- В ходе процесса добавки изменяют кристаллическую структуру «дочернего» материала. Они могут создавать растворы проникновения или исключения, а также размещаться на границах металлической и неметаллической структур, создавая механическую смесь зерен. Большую роль тут играет степень растворимости элементов друг в друге.
Легирующие компоненты
Согласно общей классификации, все металлы делятся на черные и цветные. К черным относятся железо, хром и марганец. Цветные делятся на легкие (алюминий, магний, калий), тяжелые (никель, цинк, медь), благородные (платина, серебро, золото), тугоплавкие (вольфрам, молибден, ванадий, титан), легкие, редкоземельные и радиоактивные. К легирующим металлам относится значительное разнообразие легких, тяжелых, благородных и тугоплавких цветных, а также все черные.
В зависимости от соотношения этих элементов и основной массеы сплава последние делятся на низколегированные (3 %), среднелегированные (3-10 %) и высоколегированные (более 10 %).
Легированные стали
Технологически процесс не вызывает сложностей. Ассортимент очень широк. Основные цели для сталей следующие:
- Повышение прочности.
- Улучшение результатов термической обработки.
- Увеличение коррозионной стойкости, жаростойкости, жаропрочности, теплостойкости, устойчивости к агрессивным условиям работы, срока службы.
Основные составляющие - черные легирующие и тугоплавкие металлы, к которым относятся Cr, Mn, W, V, Ti, Mo, а также цветные Al, Ni, Cu.
Хром и никель - главные компоненты, определяющие нержавеющую сталь (Х18Н9Т), а также жаропрочную, условия работы которой характеризуются высокими температурами и ударными нагрузками (15Х5). В количестве до 1,5% используются для подшипников и деталей трения (15ХФ, ШХ15СГ)
Марганец - основополагающая составляющая износостойких сталей (110Г13Л). В небольших количествах способствует раскислению, снижению концентрации фосфора и серы.
Силиций и ванадий - элементы, которые в определенном количестве повышают упругость и используются для изготовления пружин и рессор (55С2, 50ХФА).
Алюминий применим для железа с большим электрическим сопротивлением (Х13Ю4).
Значительное содержание вольфрама характерно для быстрорежущих устойчивых инструментальных Легированное сверло по металлу из такого материала намного более производительное и стойкое к срабатыванию, чем тот же инструмент из углеродистой стали.
Вошли в повседневное использование. Одновременно известны так называемые сплавы с удивительными свойствами, полученные также методами легирования. Так «деревянная сталь» содержит 1 % хрома и 35 % никеля, что определяет ее высокую теплопроводность, характерную для дерева. Алмазная же включает 1,5 % углерода, 0,5 % хрома и 5 % вольфрама, что характеризует ее как особо твердую, сродни алмазу.
Легирование чугуна
Чугуны отличаются от сталей значительным содержанием углерода (от 2,14 до 6,67 %), высокой твердостью и коррозионной стойкостью, однако незначительной прочностью. С целью расширения диапазона показательных свойств и сфер применения, его легируют хромом, марганцем, алюминием, силицием, никелем, медью, вольфрамом, ванадием.
В связи с особыми характеристиками данного железоуглеродистого материала, его легирование - более сложный процесс, чем для стали. Каждый из компонентов влияет на преобразование форм карбона в нем. Так марганец способствует формированию «правильного» графита, что повышает прочность. Введение других же имеет следствием переход углерода в свободное состояние, отбеливание чугуна и снижение его механических свойств.
Технология усложняется невысокой температурой плавления (в среднем, до 1000 ˚С), тогда как для большинства легирующих элементов она значительно превышает этот уровень.
Наиболее эффективно для чугунов комплексное легирование. Одновременно, следует учитывать повышение вероятности ликвации таких отливок, риска трещинообразования, дефектов литья. Осуществлять технологический процесс более рационально в электромагнитных и индукционных печах. Обязательным последовательным этапом является качественная термообработка.
Хромистые чугуны характеризуются высокой износостойкостью, прочностью, жаростойкостью, устойчивостью к старению и коррозии (ЧХ3, ЧХ16). Применяются в химическом машиностроении и в производстве металлургического оборудования.
Кремнием, отличаются высокой коррозионной стойкостью и устойчивостью к влиянию агрессивных химических соединений, хотя и удовлетворительными механическими свойствами (ЧС13, ЧС17). Формируют детали химической аппаратуры, трубопроводов и насосов.
Примером высокопродуктивного комплексного легирования являются жаропрочные чугуны. Они содержат в своем составе черные и легирующие металлы, такие как хром, марганец, никель. Для них характерна высокая стойкость к коррозии, износостойкость и устойчивость к высоким нагрузкам в условиях высокотемпературных воздействий - детали турбин, насосов, двигателей, аппаратуры химической промышленности (ЧН15Д3Ш, ЧН19Х3Ш).
Важным компонентом является медь, которая задействована в комплексе с другими металлами, при этом повышает литейные характеристики сплава.
Легированная медь
Используется в чистом виде и в составе медных сплавов, которые имеют широкое разнообразие в зависимости от соотношения основных и легирующих элементов: латуни, бронзы, мельхиоры, нельзийберы и другие.
Чистая латунь - сплав с цинком - не легируется. Если в ее состав входят легирующие цветные металлы в определенном количестве - она считается многокомпонентной. Бронзы - это сплавы с другими металлическими составляющими, могут быть оловянными и не содержащими олова, легируются во всех случаях. Улучшение их качества осуществляется с помощью Mn, Fe, Zn, Ni, Sn, Pb, Be, Al, P, Si.
Содержание кремния в медных соединениях повышает их коррозионную стойкость, прочность и упругость; олово и свинец - определяют антифрикционные качества и позитивные характеристики относительно обрабатываемости резанием; никель и марганец - составляющие, так называемых, деформируемых сплавов, которые также положительно влияют на устойчивость к коррозии; железо улучшает механические свойства, а цинк - технологические.
Применяются в электротехнике, как основное сырье для изготовления разнообразных проводов, материал для изготовления ответственных деталей для химического оборудования, в машиностроении и приборостроении, в трубопроводах и теплообменниках.
Легирование алюминия
Используется в виде деформируемых или литейных сплавов. Легированные металлы его основе представляют собой соединения с медью, марганцем или магнием (дуралюмины и другие), последние - соединения с силицием, так называемые силумины, при этом все их возможные варианты легируются с помощью Cr, Mg, Zn, Co, Cu, Si.
Медь повышает его пластичность; кремний - текучесть и качественные литейные свойства; хром, марганец, магний - улучшают прочность, технологические свойства обрабатываемости давлением и коррозионную стойкость. Также в качестве легирующих компонентов, способствующих устойчивости к старению и к агрессивным условиям работы, могут приниматься B, Pb, Zr, Ti, Bi.
Железо - нежелательный компонент, однако в небольших количествах применяется для производства алюминиевой фольги. Силумины используются для литья ответственных деталей и корпусов в машиностроении. Дуралюмины и штамповочные сплавы на основе алюминия - важное сырье для изготовления корпусных элементов, в том числе силовых конструкций, в авиастроении, судостроении и машиностроении.
Легированные металлы задействованы во всех сферах промышленности как те, которые имеют повышенные механические и технологические характеристики, в сравнении с исходным материалом. Ассортимент легирующих элементов и возможности современных технологий позволяют производить разнообразные модификации, расширяющие возможности в науке и технике.
В строительстве, промышленности и некоторых направлениях сельского хозяйства можно наблюдать активное применение металлических изделий. Причем один и тот же металл в зависимости от сферы использования раскрывает разные технико-эксплуатационные свойства. Объяснить это можно процессами легирования. Технологической процедуры, в рамках которой базовая заготовка обретает новые качества или улучшается по имеющимся характеристикам. Этому способствуют активные элементы, легирующие свойства которых вызывают химические и физические процессы изменения металлической структуры.
Основные легирующие элементы
Большое, но неоднозначное значение в процессах легирования имеет углерод. С одной стороны, его концентрация в структуре металла порядка 1,2% способствует повышению прочности, твердости и уровня хладноломкости, а с другой - он же снижает теплопроводность и плотность материала. Но даже не это главное. Как и все элементы легирующие, его добавляют при выполнении технологической переработки под сильным температурным воздействием. Однако, далеко не все примеси и активные компоненты сохраняются в структуре после завершения операции. Как раз углерод может оставаться в металле и в зависимости от требуемых характеристик конечного изделия технологи принимают решение о доработке металла или сохранении его текущих качеств. То есть они варьируют уровень содержания углерода посредством специальной операции легирования.
Также в перечень основных элементов легирования можно внести кремний и марганец. Первый вносится в целевую структуру в минимальном проценте (не более 0,4%) и особого влияния на изменение качеств заготовки не оказывает. Тем не менее этот компонент, как и марганец имеет существенное значение как раскисляющее и связующее вещество. Эти свойства легирующих элементов обуславливают базовую целостность структуры, которая еще в процессе легирования делает возможным органичное восприятие других, уже активных элементов и примесей.
Вспомогательные легирующие элементы
В данную группу элементов обычно включают титан, молибден, бор, ванадий и т.д. Наиболее заметным представителем этого звена является молибден, который чаще используют в хромистых сталях. В частности, с его помощью повышается прокаливаемость металла, а также снижается порог хладоломкости. Полезно для строительных марок сталей и применение молибденовых компонентов. Это эффективные легированные элементы в стали, которые обеспечивают динамическую и статическую прочность металлов, устраняя при этом риски внутреннего окисления. Что касается титана, то его применяют нечасто и только для одной задачи - измельчения структурных зерен в хромомарганцевых сплавах. Целенаправленными можно назвать также добавки кальция и свинца. Их используют для металлических заготовок, которые в дальнейшем подвергаются операциям резки.
Классификации элементов легирования
Помимо весьма условного разделения легирующих элементов на основные и вспомогательные, также применяются и другие, более точные признаки различия. Например, по механике воздействия на характеристики сплавов и сталей элементы делятся на три категории:
- Оказывающие влияние с образованием карбидов.
- С полиморфными превращениями.
- С формированием интерметаллических соединений.
Важно учитывать, что в каждом из трех случаев влияние легирующих элементов на свойства интерметаллидов также зависит от сторонних примесей. Например, значение может иметь концентрация того же углерода или железа. Также существует классификация уже элементов полиморфного превращения по характеру воздействия. В частности, выделяются элементы, которые допускают наличие в сплаве легированного феррита, а также их аналоги, способствующие стабилизации оптимального содержания аустенита независимо от температуры.
Влияние легирования на сплавы и стали
Можно выделить несколько направлений, по которым могут быть улучшены качественные характеристики стали. В первую очередь это физические качества, определяющие технический ресурс материала. Легирование в этой части позволяет увеличить прочность, пластичность, прокаливаемость и твердость. Другим направление положительного влияния от легирующих элементов является улучшение защитных свойств. В этом плане стоит выделить сопротивляемость ударам, красностойкость, жаропрочность и высокий порог коррозийного поражения. Для некоторых сфер применения металлы готовят и с учетом электрохимических качеств. В данном случае элементы легирующие могут использоваться для повышения электро- и теплопроводности, сопротивления окислению, магнитопроницаемости и т. д.
Особенности влияния вредных примесей
Типичными представителями вредных примесей являются фосфор и сера. Что касается фосфора, то он при условии соединения с железом способен формировать хрупкие зерна, которые сохраняются после легирования. В итоге полученный сплав утрачивает высокую степень плотности, а также наделяется хрупкостью. Впрочем, соединение с углеродом дает и положительную характеристику, улучшая процесс отделения стружки. Это качество облегчает процессы механической обработки. Сера, в свою очередь, является еще более опасным веществом. Если влияние легирующих элементов на сталь в целом призвано улучшать сопротивляемость материала внешним воздействиям, то данная примесь нивелирует эту группу качеств. Например, ее высокая концентрация в структуре приводит к увеличению истираемости, снижению сопротивления усталости металла и минимизации коррозионной стойкости.
Технология выполнения легирования
Обычно легирование выполняется в рамках металлургического производства и представляет собой внесение в шихту или массу расплава дополнительных элементов, которые рассматривались выше. В результате термической обработки в структуре происходят химические и физические процессы соединения отдельных веществ, а также деформации. Таким образом, элементы легирующие позволяют улучшать качества металлургических изделий.
Заключение
Легирование является сложным технологическим процессом изменения характеристик металла. Сложность его главным образом заключается в первичном подборе оптимальных рецептов для достижения желаемого набора свойств заготовки. Как уже говорилось, влияние легирующих элементов разнопланово и неоднозначно. Один и тот же компонент активной добавки может, например, одновременно улучшать прочность металла и ухудшать его теплопроводность. Задача технологов заключается в разработке выигрышных комбинаций элементов, которые позволят сделать металлическую деталь или конструкцию наиболее приемлемой по своим качествам с точки зрения использования в конкретных целях.
Легирование (от лат. ligo - связываю, соединяю), введение добавок в металлы, сплавы и полупроводники для придания им определенных физических, химических или механических свойств. Материалы, подвергнутые легированию, называют легированными. К ним относятся легированные стали и чугуны, легированные цветные металлыи сплавы, легированные полупроводники, Для легирования используют металлы, неметаллы (С, S, P, Si, В, N 2 и др.),ферросплавы (см. Железа сплавы) и лигатуры - вспомогательные сплавы, содержащие легирующий элемент. Например, основные 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 - качественное понятие. В каждом металле или сплаве из-за особенностей производственного процесса или исходного сырья присутствуют неизбежные примеси. Их не считают легирующими, так как они не вводились специально. Например, уральские железные руды содержат Сu, керченские - As, в сталях, полученных из этих руд, также имеются примеси соответственно Сu и As. Использование луженого, оцинкованного, хромированного и др. металлолома приводит к тому, что в получаемый металл попадают примеси Sn, Zn, Sb, Pb, Ni, Cr и др.
При легирование металлов и сплавов могут образовываться твердые растворы замещения, внедрения или вычитания, смеси двух и более фаз (напр., Ag в Fe), интерметаллиды, карбиды, нитриды, оксиды, сульфиды, бориды и других соединений легирующих элементов с основой сплава или между собой.
В результате легирование существенно меняются физико-химические характеристики исходного металла или сплава и, прежде всего, электронная структура. Легирующие элементы влияют на температуру плавления, область существования аллотропич. модификаций и кинетику фазовых превращений, характер дефектов кристаллической решетки, на формирование зерен и тонкой кристаллической структуры, на дислокационную структуру (затрудняется движение дислокаций), жаростойкость и коррозионную стойкость, электрические, магнитные, механические, технолегирование (например, свариваемость, шлифуемость, обрабатываемость резанием), диффузионные и многие другие свойства сплавов.
Легирование подразделяют на объемное и поверхностное. При объемном легировании легирующий элемент в среднем статистически распределяется в объеме металла. В результате поверхностного легирования легирующий элемент сосредоточивается на поверхности металла. Легирование сразу несколькими элементами, определенное содержание и соотношение которых дает возможность получить требуемый комплекс свойств, наз. комплексным легирование и соотв. сплавы - комплекснолегированными. Напр., в результате легирование аустенитной хромоникелевой стали вольфрамом ее жаропрочность возрастает в 2-3 раза, а при совместном использовании W, Ti и др. элементов - в 10 раз.
Условно различают понятия: легирование, микролегирование и модифицирование. При легировании в сплав вводят 0,2-0,5% по массе и более легирующего элемента, при микролегировании - чаще всего до 0,1 %, при модифицировании - меньше, чем при микролегировании, или столько же, однако задачи, решаемые микролегированием и модифицированием, разные. Микролегирование эффективно влияет на строение и энергетическое состояние границ зерен, при этом предполагается, что в сплаве будут реализованы два механизма упрочнения - благодаря легированию твердого раствора и в результате дисперсионного твердения. Модифицирование способствует в процессе кристаллизации измельчению структуры, изменению геом. формы, размеров и распределения неметаллических включений, изменению формы эвтектических выделений, в целом улучшая механические свойства. Для микролегирования используют элементы, обладающие заметной растворимостью в твердом состоянии (более 0,1 ат. %), для модифицирования обычно служат элементы с ничтожной растворимостью (}
