Легирующие элементы. Легирующие элементы стали. Влияние легирующих элементов. Назначение легирующих элементов. Хромансиль.

Легирующие элементы – химические элементы, специально вводимые в сталь для получения заданных свойств. Улучшают механические, физические и химические свойства основного материала.

Маркировка сталей. Маркировка углеродистых сталей. Маркировка легированных сталей. Маркировка инструментальных сталей.
Легированные стали. Классификация легированных сталей. Классификация легированных сталей по микроструктуре. Маркировка легированных сталей.

Основным легирующим элементом является хром (0,8…1,2)%. Он повышает прокаливаемость, способствует получению высокой и равномерной твердости стали. Порог хладоломкости хромистых сталей — (0…-100)^oС.

Влияние углерода на сталь. Влияние углерода на свойства стали.
Влияние примесей на свойства. Влияние примесей на свойства сталей. Красноломкость. Флокены.

Дополнительные легирующие элементы:

• Бор — 0.003%. Увеличивает прокаливаемость, а такхе повышает порог хладоломкости (+20…-60 ^oС.
• Марганец – увеличивает прокаливаемость, однако содействует росту зерна, и повышает порог хладоломкости до (+40…-60)^oС.
• Титан (см. Титан и его сплавы) (~0,1%) вводят для измельчения зерна в хромомарганцевой стали.
• Введение молибдена (0,15…0,46%) в хромистые стали увеличивает прокаливаемость, снижает порог хладоломкости до –20…-120^oС. Молибден увеличивает статическую, динамическую и усталостную прочность стали, устраняет склонность к внутреннему окислению. Кроме того, молибден снижает склонность к отпускной хрупкости сталей, содержащих никель.
• Ванадий в количестве (0. 1…0.3) % в хромистых сталях измельчает зерно и повышает прочность и вязкость.
• Введение в хромистые стали никеля, значительно повышает прочность и прокаливаемость, понижает порог хладоломкости, но при этом повышает склонность к отпускной хрупкости (этот недостаток компенсируется введением в сталь молибдена). Хромоникелевые стали, обладают наилучшим комплексом свойств. Однако никель является дефицитным, и применение таких сталей ограничено.Значительное количество никеля можно заменить медью, это не приводит к снижению вязкости.

При легировании хромомарганцевых сталей кремнием получают, стали – хромансиль (20ХГС, 30ХГСА). Стали обладают хорошим сочетанием прочности и вязкости, хорошо свариваются, штампуются и обрабатываются резанием.Кремний повышает ударную вязкость и температурный запас вязкости.

Добавка свинца, кальция – улучшает обрабатываемость резанием. Применение упрочнения термической обработки улучшает комплекс механических свойств.

Усталостная прочность. Предел выносливости. Живучесть материалов.
Ударная вязкость. Определение ударной вязкости. Испытания на ударную вязкость.

Распределение легирующих элементов в стали.

Легирующие элементы растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов ( феррит, аустенит, цементит), или образуют специальные карбиды. Растворение легирующих элементов в Fe_α происходит в результате замещения атомов железа атомами этих элементов. Эти атомы создают в решетке напряжения, которые вызывают изменение ее периода. Изменение размеров решетки вызывает изменение свойств феррита – прочность повышается, пластичность уменьшается. Хром, молибден и вольфрам упрочняют меньше, чем никель, кремний и марганец. Молибден и вольфрам, а также кремний и марганец в определенных количествах, снижают вязкость.

Компоненты железоуглеродистых сплавов. Фазы железоуглеродистых сплавов.

В сталях карбиды образуются металлами, расположенными в таблице Менделеева левее железа (хром, ванадий, титан), которые имеют менее достроенную d – электронную полосу.

В процессе карбидообразования углерод отдает свои валентные электроны на заполнение d – электронной полосы атома металла, тогда как у металла валентные электроны образуют металлическую связь, обуславливающую металлические свойства карбидов.

При соотношении атомных радиусов углерода и металла более 0,59 образуются типичные химические соединения: Fe₃C, Mn₃C, Cr₂₃C₆, Cr₇C₃, Fe₃W₃C – которые имеют сложную кристаллическую решетку и при нагреве растворяются в аустените.

При соотношении атомных радиусов углерода и металла менее 0,59 образуются фазы внедрения: Mo₂C, WC, VC, TiC, TaC, W₂C – которые имеют простую кристаллическую решетку и трудно растворяются в аустените.

Все карбиды обладают высокой твердостью и температурой плавления.

Как примеси и легирующие элементы влияют на свойства сталей

Характеристики углеродистых сталей далеко не всегда соответствуют требованиям, которые предъявляют к материалам различные отрасли промышленности. Чтобы откорректировать их свойства, используют легирование.

Чем отличаются легирующие элементы от примесей

В углеродистых сталях, помимо основных элементов – железа и углерода, есть и другие: марганец, сера, фосфор, кремний, водород и прочие. Их считают примесями и делят на несколько групп:

• К постоянным относят серу, фосфор, марганец и кремний. Они всегда содержатся в стали в небольших количествах, попадая в нее из чугуна или используясь в качестве раскислителей.
• К скрытым относят водород, кислород и азот. Они тоже присутствуют в любой стали, попадая в нее при выплавке.
• К случайным относят медь, мышьяк, свинец, цинк, олово и прочие элементы. Они попадают в сталь из шихтовых материалов и считаются особенностью руды.

Для каждой из перечисленных примесей характерно определенное процентное содержание. Так, марганца в стали, как правило, не более 0,8 %, кремния – не более 0,4 %, фосфора – не более 0,025 %, серы – не более 0,05 %. Если обычного содержания некоторых элементов недостаточно, для получения сталей с нужными свойствами в них дополнительно вносят в определенных количествах специальные примеси, которые называют легирующими добавками.

Химический состав стали, формируемый в процессе выплавки, напрямую влияет на ее механические свойства

Как примеси влияют на свойства сталей

Примеси оказывают разное влияние на характеристики сталей:

• Углерод (С) повышает твердость, прочность и упругость сталей, но снижает их пластичность.
• Кремний (Si) при содержании в стали до 0,4 % и марганец при содержании до 0,8 % не оказывают заметного влияния на свойства.
• Фосфор (P) увеличивает прочность и коррозионную стойкость сталей, но снижает их пластичность и вязкость.
• Сера (S) повышает хрупкость сталей при высоких температурах, снижает их прочность, пластичность, свариваемость и коррозионную стойкость.
• Азот (N₂) и кислород (O₂) уменьшают вязкость и пластичность сталей.
• Водород (H₂) повышает хрупкость сталей.

Как легирующие элементы влияют на свойства сталей

Легирующие добавки вводят в стали для изменения их характеристик:

• Хром (Cr) повышает твердость, прочность, ударную вязкость, коррозионную стойкость, электросопротивление сталей, одновременно уменьшая их коэффициент линейного расширения и пластичность.
• Никель (Ni) увеличивает пластичность, вязкость, коррозионную стойкость и ударную прочность сталей.
• Вольфрам (W) повышает твердость и прокаливаемость сталей.
• Молибден (Mo) увеличивает упругость, коррозионную стойкость, сопротивляемость сталей растягивающим нагрузкам и улучшает их прокаливаемость.
• Ванадий (V) повышает прочность, твердость и плотность сталей.
• Кремний (Si) увеличивает прочность, упругость, электросопротивление, жаростойкость и твердость сталей.
• Марганец (Mn) повышает твердость, износоустойчивость, ударную прочность и прокаливаемость сталей.
• Кобальт (Co) увеличивает ударную прочность, жаропрочность и улучшает магнитные свойства сталей.
• Алюминий (Al) повышает жаростойкость и стойкость сталей к образованию окалины.
• Титан (Ti) увеличивает прочность, коррозионную стойкость и улучшает обрабатываемость сталей.
• Ниобий (Nb) повышает коррозионную стойкость и устойчивость сталей к воздействию кислот.
• Медь (Cu) увеличивает коррозионную стойкость и пластичность сталей.
• Церий (Ce) повышает пластичность и прочность сталей.
• Неодим (Nd), цезий (Cs) и лантан (La) снижают пористость сталей и улучшают качество поверхности.

Виды легированных сталей

В зависимости от содержания легирующих элементов, стали делят на три вида:

1. Если легирующих элементов менее 2,5 %, стали относят к низколегированным.
2. При их содержании от 2,5 до 10 % стали считаются среднелегированными.
3. Если легирующих элементов более 10 %, стали относят к высоколегированным.

Заключение

Примеси неизбежно присутствуют в сталях, но ряд из них являются вредными (к ним относятся скрытые примеси), поэтому их содержание стараются минимизировать. Легирующие элементы добавляют в стали целенаправленно для улучшения их свойств или получения специфических характеристик.

У нас вы найдете широкий ассортимент металлопроката по доступным ценам. Требуется консультация? Напишите на почту [email protected] или позвоните – наши менеджеры ответят на все вопросы.

Наиболее распространенные легирующие элементы в стали

По определению, сталь представляет собой комбинацию железа и углерода. Сталь легируют различными элементами для улучшения физических свойств и придания особых свойств, таких как устойчивость к коррозии или нагреву. Конкретные эффекты добавления таких элементов описаны ниже:

Углерод (C)

Наиболее важный компонент стали. Повышает прочность на растяжение, твердость и устойчивость к износу и истиранию. Это снижает пластичность, ударную вязкость и обрабатываемость.

Хром (CR)

Повышает прочность на растяжение, твердость, прокаливаемость, ударную вязкость, сопротивление износу и истиранию, сопротивление коррозии и образованию накипи при повышенных температурах.

Кобальт (CO)

Повышает прочность и твердость, допускает более высокие температуры закалки и увеличивает красноту твердости быстрорежущей стали. Он также усиливает индивидуальные эффекты других основных элементов в более сложных сталях.

Колумбий (CB)

Используется в качестве стабилизирующих элементов в нержавеющих сталях. Каждый из них имеет высокое сродство к углероду и образует карбиды, равномерно распределенные по стали. Таким образом, предотвращается локализованное выделение карбидов на границах зерен.

Медь (CU)

В значительных количествах вредна для горячедеформированных сталей. Медь отрицательно влияет на кузнечную сварку, но не оказывает серьезного влияния на дуговую или кислородно-ацетиленовую сварку. Медь может ухудшить качество поверхности. Медь полезна для устойчивости к атмосферной коррозии, когда присутствует в количествах, превышающих 0,20%. Продаются атмосферостойкие стали с содержанием меди более 0,20%.

Марганец (MN)

Раскислитель и дегазатор, вступает в реакцию с серой для улучшения ковкости. Повышает прочность на растяжение, твердость, прокаливаемость и износостойкость. Уменьшает склонность к масштабированию и искажениям. Это увеличивает скорость проникновения углерода при науглероживании.

Молибден (MO)

Повышает прочность, твердость, прокаливаемость и ударную вязкость, а также сопротивление ползучести и прочность при повышенных температурах. Улучшает обрабатываемость и стойкость к коррозии, усиливает воздействие других легирующих элементов. В жаропрочных сталях и быстрорежущих сталях повышает краснотвердость.

Никель (NI)

Увеличивает прочность и твердость без ущерба для пластичности и ударной вязкости. Он также повышает устойчивость к коррозии и образованию накипи при повышенных температурах при введении в подходящих количествах в высокохромистые (нержавеющие) стали.

Фосфор (P)

Увеличивает прочность и твердость и улучшает обрабатываемость. Однако он придает стали заметную хрупкость или хладноломкость.

Кремний (SI)

Раскислитель и дегазатор. Повышает предел прочности при растяжении и текучести, твердость, ковкость и магнитную проницаемость.

Сера (S)

Улучшает обрабатываемость сталей для автоматической обработки, но без достаточного количества марганца вызывает хрупкость при красном калении. Это снижает свариваемость, ударную вязкость и пластичность.

Тантал (TA)

Используется в качестве стабилизирующих элементов в нержавеющих сталях. Каждый из них имеет высокое сродство к углероду и образует карбиды, равномерно распределенные по стали. Таким образом, предотвращается локализованное выделение карбидов на границах зерен.

Титан (TI)

Используется в качестве стабилизирующих элементов в нержавеющих сталях. Каждый из них имеет высокое сродство к углероду и образует карбиды, равномерно распределенные по стали. Таким образом, предотвращается локализованное выделение карбидов на границах зерен.

Вольфрам (W)

Повышает прочность, износостойкость, твердость и ударную вязкость. Вольфрамовые стали имеют превосходную горячую обработку и более высокую эффективность резания при повышенных температурах.

Ванадий (V)

Повышает прочность, твердость, износостойкость и устойчивость к ударным воздействиям. Замедляет рост зерна, допуская более высокие температуры закалки. Он также повышает твердость высокоскоростных металлорежущих инструментов.

Данные являются типичными и не должны рассматриваться как фактические значения для какой-либо категории.

Применение и техническая информация требуют от инженеров и разработчиков инструмента независимого суждения.

Легирующие элементы – SSINA

Металлы редко используются в чистом виде. Легирующие элементы добавляются для изменения их свойств. Нержавеющие стали — это сплавы на основе железа, которые соответствуют определению ASTM A941 для этого семейства сплавов, в частности стали, которые соответствуют спецификации, требующей минимального содержания хрома в процентах по массе 10,5 и максимального содержания углерода 1,20.

Существует более 150 различных нержавеющих сталей с уникальными комбинациями легирующих элементов. Эти легирующие добавки улучшают коррозионную стойкость в различных условиях эксплуатации и определяют уровень прочности, формуемость, обрабатываемость и другие желательные характеристики.

Углерод всегда присутствует в нержавеющей стали. Ключевое значение имеет количество углерода. Во всех категориях, кроме мартенситной, уровень остается довольно низким. В мартенситном классе уровень преднамеренно повышен для получения высокой прочности и твердости. Термическая обработка путем нагревания до высокой температуры, закалки и последующего отпуска приводит к образованию мартенситной фазы.

Углерод может влиять на коррозионную стойкость. Если позволить углероду соединиться с хромом (с образованием карбидов хрома), это может отрицательно сказаться на способности к формированию «пассивного» слоя. Если на отдельных участках содержание хрома уменьшится ниже 10,5%, слой не образуется.

Хром является высокореактивным элементом и объясняет «пассивный» характер всех нержавеющих сталей. Устойчивость к химическому воздействию коррозии и типичному «ржавлению» (окислению), которое происходит с незащищенной углеродистой сталью, является прямым результатом присутствия хрома. Как только композиция содержит не менее 10,5% хрома, мгновенно образуется прочная и нерастворимая поверхностная пленка, которая предотвращает дальнейшую диффузию кислорода на поверхность и предотвращает окисление железа в матрице. Чем выше уровень хрома, тем выше защита.

Никель является основным связующим элементом в марках нержавеющей стали серии 300. Присутствие никеля приводит к образованию «аустенитной» структуры, которая придает этим маркам стали прочность, пластичность и ударную вязкость даже при криогенных температурах. Это также делает материал немагнитным. Хотя роль никеля не оказывает прямого влияния на развитие «пассивного» поверхностного слоя, она приводит к значительному повышению устойчивости к кислотному воздействию, особенно к серной кислоте.

Добавление молибдена в матрицу Cr-Fe-Ni повышает устойчивость к локальному точечному воздействию и лучшую стойкость к щелевой коррозии (особенно в ферритных марках Cr-Fe). Он помогает противостоять пагубному воздействию хлоридов (316 с 2% молибдена предпочтительнее, чем 304, в прибрежных и противообледенительных условиях). Чем выше содержание молибдена (существуют нержавеющие стали с содержанием молибдена 6%), тем выше устойчивость к более высоким уровням хлоридов.

Обычно марганец добавляют в нержавеющие стали для облегчения раскисления во время плавки и для предотвращения образования включений сульфида железа, которые могут вызвать проблемы с горячим растрескиванием. Он также является «аустенитным» стабилизатором и при добавлении в более высоких количествах (от 4 до 15%) заменяет часть никеля в марках нержавеющей стали серии 200.

Небольшие количества кремния и меди обычно добавляют в аустенитные нержавеющие стали, содержащие молибден, для улучшения коррозионной стойкости к серной кислоте. Кремний также улучшает стойкость к окислению и является стабилизатором «феррита». В «аустенитных нержавеющих сталях высокое содержание кремния улучшает стойкость к окислению, а также предотвращает науглероживание при повышенных температурах (примерами являются 309 и 310).

Добавки ниобия предотвращают межкристаллитную коррозию, особенно в околошовной зоне после сварки. Ниобий помогает предотвратить образование карбидов хрома, которые могут лишить микроструктуру необходимого количества хрома для пассивации. В «ферритных» нержавеющих сталях добавление ниобия является эффективным способом повышения сопротивления термической усталости.

Титан является основным элементом, используемым для стабилизации нержавеющей стали перед использованием сосудов для аргонно-кислородного обезуглероживания. Когда нержавеющая сталь плавится на воздухе, трудно снизить уровень углерода. 302, наиболее распространенному сорту до AOD, разрешалось иметь максимальный уровень углерода 0,15%). На таком высоком уровне требовалось что-то для стабилизации углерода, и титан был наиболее распространенным способом. Титан будет реагировать с углеродом с образованием карбидов титана и предотвращать образование карбидов хрома, что может повлиять на формирование «пассивного» слоя. Сегодня вся нержавеющая сталь обрабатывается в сосуде AOD, а уровень углерода, как правило, низкий из-за отсутствия кислорода. На сегодняшний день наиболее распространен сорт 304 (с максимальным содержанием углерода 0,08, хотя на самом деле уровни ниже).

Содержание серы обычно поддерживается на низком уровне, поскольку она может образовывать сульфидные включения. Он используется для улучшения обрабатываемости (где эти включения действуют как «стружколомы»). Однако добавление серы снижает стойкость к точечной коррозии.

Элемент	Воздействие на нержавеющую сталь
Хром	Образует с кислородом пассивную пленку, препятствующую дальнейшей диффузии кислорода на поверхность. Состав должен содержать не менее 10,5%, чтобы быть нержавеющей сталью.
Никель	Повышает пластичность и прочность. Повышение коррозионной стойкости к кислотам. Аддитон создает немагнитную структуру.
Молибден	Повышает стойкость к точечной и щелевой коррозии. Повышение устойчивости к хлоридам.
Медь	Повышение коррозионной стойкости к серной кислоте.
Марганец	Заменитель никеля (серия 200).
Титин/ниобий	Связывает углерод и предотвращает межкристаллитную коррозию в зоне сварки ферритных марок.
Азот	Повышение прочности и коррозионной стойкости аустенитных и дуплексных марок.
Силикон	Повышает устойчивость к образованию накипи при высоких температурах.
Сера	Обычно поддерживается низкая цена для сортов, пригодных для свободной обработки.
Углерод	Обычно поддерживается на низком уровне.