Вплив легуючих елементів на властивості стали дуже велике. Грамотно використовуючи різноманітні добавки, можна отримати самий різний матеріал, з самими різними властивостями. Однак, щоб успішно використовувати легуючі елементи, необхідно знати, що це таке, як вони працюють і як називаються.
Загальний опис речовин
Отже, як вже було сказано, вплив легуючих елементів на властивості сталі велике. Що ж це за елементи? Це речовини, які вводяться в структуру сталі і впливають на її фізичні та хімічні характеристики. Матеріал, який отриманий внаслідок такого втручання, називається легованим. Сам же процес – це технологічна процедура, основне завдання якої – це поліпшення або зміна початкових характеристик сировини. Саме завдяки цій процедурі вдається змінювати будь-які властивості сталі, роблячи її придатною для використання практично в будь-якій сфері діяльності.
Легуючі елементи першого порядку
Природно, що є кілька груп речовин, які можуть надавати яку-небудь дію на матеріал. В залежності від ступеня використання і важливості є основні і допоміжні реактиви. Вплив легуючих елементів на властивості сталі з основної групи дуже велике.
Найбільш поширеним вважається вуглець. Незважаючи на те, що він використовується практично в будь-якій процедурі, його вплив не зовсім однозначне. З одного боку вміст цієї речовини в структурі близько 1,2% покращує такі якості, як міцність, твердість і хладноломкость. Однак з зростанням цих властивостей погіршуються інші, наприклад, теплопровідність і щільність сировини. Крім того, навіть ці показники не вважаються головними. Як і введення будь-якої іншої речовини, додавання вуглецю в склад сталі супроводжується певною операцією. І ось тут виникає важлива різниця. В результаті цієї процедури не всі реактиви здатні зберегти свої компоненти в початковій формі, деякі просто губляться. Вуглець ж, у свою чергу, зберігається повністю. Іншими словами, під час проведення процедури в операторів є можливість повного контролю і регулювання кількісного вмісту цієї речовини в структурі.
Інші речовини першої групи
Вуглець – це не єдиний легирующий елемент, що впливає на властивості стали найсильнішим чином. До основної категорії відносять також кремній і марганець. Хоча варто зазначити, що, наприклад, додавання кремнію завжди дуже мінімальний, приблизно 0,4%, а особливих змін цей реактив у структуру не вносить. Він використовується в якості основного окисляє і зв’язує речовини. Іншими словами, ці компоненти є сполучною ланкою, яка дозволяє додавати до складу сталі інші важливі компоненти таким чином, щоб в результаті вийшла цілісна і міцна структура.
Елементи другого порядку
Кількість речовин, що входять в цю групу, значно більше. Вплив легуючих елементів на структуру сталі з цієї групи може бути найрізноманітнішим. Одним з найбільш використовуваних речовин став молібден. Найчастіше ця добавка використовується в хромистих сталях. Введення цієї присадки значно впливає на дві характеристики сталі – це збільшення прожарюваної, а також значне зниження порогу холодноламкості. Найчастіше сталі з вмістом молібдену використовуються будівельною промисловістю. Крім того, з його допомогою створюються молібденові компоненти. Ці речовини вважаються дуже ефективними, так як при додаванні їх в матеріал вони гарантують динамічну, а також статичну міцність сировини. У той же час ці компоненти значно зменшують ймовірність внутрішнього окислення.
Ще одним представником другої категорії легуючих компонентів став титан. Застосування цієї присадки досить вузьке, а використовується вона лише в парі з хромомарганцевыми сплавами. У таких випадках титан сприяє подрібненню структурних зерен у цьому матеріалі. Вміст легуючих елементів, таких як кальцій і свинець, наприклад, сприяє тому, що процедура різання сталі буде проходити набагато легше. Тому і використовуються вони лише в тих металевих заготовках, які після виробництва треба буде різати на кілька частин.
Класифікація реактивів
Варто сказати, що крім умовного поділу на такі дві категорії, як основні та додаткові елементи, існує більш точна класифікація. Наприклад, це може бути пов’язано з такою ознакою, як ступінь механічного впливу на структуру речовини. За цією ознакою всі елементи можна розділити на три групи:
- вплив елементів, в результаті якого утворюються карбіди;
- елементи, які надають поліморфний вплив на сталь;
- елементи, введення яких формує интерметаллические з’єднання.
Проте тут дуже важливо відзначити, що вплив реактивів з будь-якої категорії цього класу буде залежати ще і від того, які сторонні присадки будуть присутні в сплаві. Крім того, якщо заглиблюватися в класифікацію легуючих елементів у сплавах, то варто сказати, що ступінь поліморфного впливу також можна розділити на кілька груп за характером їх впливу на матеріал.
Загальний опис поліпшень допомогою легування
Якщо говорити загалом, то є кілька категорій, за якими можна розділити всі легуючі елементи. Одні будуть значно впливати на механічні якості матеріалу, покращуючи його технічний ресурс. Найчастіше поліпшуються такі показники, як міцність, твердість, пластичність або ж прожарювана. Ще одним напрямком, на яке впливають ці елементи, є захисні властивості. Легована сталь відрізняється від звичайної тим, що вона значно краще протистоїть ударам, у неї значно вище червоностійкість, підвищена жароміцність, а також поліпшена стійкість до корозії.
Деякі сфери діяльності людини потребують поліпшення таких якостей металу, які можна віднести до електрохімічним. Якщо необхідно поліпшити цю складову, то найчастіше акцентують увагу на підвищення електро – і теплопровідності, підвищують опірність до окислення речовин.
Шкідливі присадки
Природно, що будь-який процес супроводжується ще і негативною стороною. Для легованих сталей такою стороною стала поява фосфору і сірки, які також відносяться до легуючим реактивів. Однак від них намагаються позбавлятися, а не додавати в структуру. Наприклад, наявність фосфору в складі заліза збережеться навіть після того, як пройде весь процес легування. А взаємодія цих двох компонентів викликає крихкість зерен сталі. В результаті продукт буде мати більш низьку міцність, а також підвищену крихкість. Хоча варто відзначити, що якщо будуть з’єднуватися елементи фосфору та вуглецю, то буде поліпшуватися процес відділення стружки, що допоможе в подальшому легше обробляти сталь. Тому мінімальний вміст фосфору все ж присутній у складі сплаву.
З основних легуючих елементів, які вважаються шкідливими, другою стала сірка. Варто зазначити, що зміст цієї домішки ще гірше, ніж фосфору. Зокрема це обумовлено тим, що сірка нівелює опірність металу зовнішніх навантажень. Це означає, що наявність цього реактиву в складі стали зробить її менш стійкою до корозії, що значно підвищить стираність, а також знизить опірність втоми металу.
Як проходить легування
Найчастіше процес легування проходить на металургійному виробництві. В розплавлену масу або ж шихту додають необхідну кількість тих речовин, які були описані вище. В результаті подальшої термічної обробки відбувається процес з’єднання окремих реактивів у цілісну структуру і деяка деформація. Таким чином, відбувається поліпшення якості сплаву.
Детальний опис елементів
Далі буде представлена більш детальна характеристика легуючих елементів.
| Назва легуючого елемента | Властивості сплаву |
| Хром | Наявність цієї речовини в складі сплаву збільшує його міцність і твердість, проте дещо знижується пластичність. Впливає на збільшення такої характеристики, як стійкість до корозії. Якщо додати більш ніж 13% хрому в структуру, то матеріал перейде в групу нержавіючих сталей. |
|
Нікель |
Введення цього компонента також впливає на збільшення опірності корозії. Підвищується міцність і пластичність сировини. Збільшується ступінь прожарюваної, а також змінюється коефіцієнт теплового розширення. |
| Вольфрам | Присадка у вигляді вольфраму дає поштовх до утворення таких речовин, як карбіди. Ці елементи дуже впливають на такі властивості, як червоностійкість і твердість. Крім того, усуває процес росту зерен під час нагрівання, а також прибирає крихкість, що виникає під час відпустки вироби. |
| Ванадій | Так само, як і хром, збільшує міцність і твердість, однак не викликає погіршення пластичності. Подрібнює зерно. Сприяє підвищенню щільності сталі, так як виступає у ролі окислювача. |
| Кремній | Якщо ввести в склад стали більш 1% кремнію, то це значно збільшить міцність і збереже в’язкість матеріалу. Також зі збільшенням процентного вмісту реактиву буде збільшуватися електричний опір. |
| Марганець | Вплив марганцю на властивості сталі відбуватиметься лише в тому випадку, якщо його зміст буде також 1% або більше. Буде рости твердість, стійкість до зносу, підвищується стійкість до ударних навантажень. При цьому пластичність матеріалу залишиться колишньою. |
| Кобальт | Сприяє підвищення жароміцності і магнітним властивостям сировини. |
| Молібден | Посилює такі характеристики, як червоностійкість, пружність і межа міцності. Крім того, збільшує опір окисленню при підвищених температурах. |
| Титан | Покращує міцність, а також щільність сталі. |
| Ніобій | Додавання ніобію посилює стійкість до окислення. |
| Алюміній | Сприяє подрібненню зерна. |
| Мідь | Використовується для сталей будівельного призначення. Покращує стійкість до корозії. |
| Цирконій | Введення цирконію подрібнює зерно, а також дозволяє отримувати в результаті обробки матеріал з наперед заданою зернистістю. |
Також варто додати, що є позначення легуючих елементів, яке служить для того, щоб можна було швидко зрозуміти, які саме речовини використовувалися для поліпшення структури.
Що відбувається при введенні реактивів?
Не варто думати, що додавання таких речовин не впливає на їх взаємодія між собою. Чим більше вводиться різноманітних легуючих речовин, тим складніше протікає цей процес. Введення нових елементів створює нові фази, змінює процес термічної обробки, що призводить до створення нових структурних складових. Також тут варто відзначити, що всі елементи перебувають у різному становищі. Деякі перебувають у вільному стані (мідь, свинець), деякі утворюють интерметаллидные з’єднання – метал-метал і т. д.
Мартенситні сталі
Є такий вид сталі, який відносять до мартенситному. Введення певних легуючих елементів до складу такого матеріалу буде позначатися досить негативним чином. Наприклад, марганець, молібден або хром будуть знижувати мартенситную точку нагріву, а також сприяти збільшенню аустенітного залишку. Ці якості будуть негативно позначатися на кінцевій якості матеріалу після гарту.
Відпуск сировини
Присутність легуючих елементів також залишить свій відбиток і на відпуск сталі. Велика кількість реактивів буде зменшувати швидкість перетворення і підвищувати температуру, необхідну для перетворення. З цієї причини всі леговані сплави відпускаються при температурі 100-150 градусів вище, ніж звичайні.
Підведення підсумків
Процес легування – це складний технологічний процес, який використовується для поліпшення або зміни початкових характеристик стали. Під час цієї процедури використовуються основні легуючі елементи або другорядні. Можуть використовуватися реактиви з обох груп відразу. Також варто пам’ятати про те, що додавання деяких елементів буде не тільки покращувати певні характеристики, але і погіршувати інші. А тому перш, ніж приступити до цього процесу, необхідно проводити ретельні розрахунки. Для виконання цього завдання на заводах і фабриках присутні технологи, які встановлюють склад для кожної марки сталі, а також точно визначають кількість, яку необхідно додати в масу, щоб досягти потрібного ефекту.
