Легирование металлов и сплавов, легирующие элементы

• Что такое легирование?
• Легирующие элементы
• Выбор легирующих элементов
• Процесс легирования
• Легированные стали
• Сплавы
• История термина

Что такое легирование?

Легирование — это процесс добавления в основной металл или сплав определённых химических элементов (легирующих добавок) с целью улучшения его свойств. Этот процесс широко применяется в металлургии для производства материалов с заданными характеристиками, например, повышенная прочность, твёрдость, устойчивость к коррозии и износу, улучшенные магнитные свойства и т.д. В качестве легирующих добавок могут использоваться, как металлы, так и неметаллы.

Влияние легирования на свойства материалов:

• Прочность — легирующие элементы могут значительно повышать прочность материала за счёт образования твёрдых растворов или специальных соединений.
• Твёрдость — повышение твёрдости достигается благодаря образованию карбидов, нитридов и других твёрдых фаз.
• Устойчивость к коррозии — некоторые элементы (например, хром и никель) образуют пассивные плёнки на поверхности материала, защищая его от коррозии.
• Устойчивость к температуре — легирующие элементы, такие как молибден и вольфрам, повышают устойчивость материала к высоким температурам.
• Магнитные свойства — добавление элементов, таких как кобальт и никель, может улучшать магнитные свойства сплавов.

Легирующие элементы

Легирующие элементы или добавки — это химические элементы, которые добавляются в основной металл для улучшения его свойств. Эти элементы изменяют структуру и поведение сплава, улучшая его механические, физические и химические характеристики.

Примеры легирующих элементов и их влияние на свойства сплавов

Выбор легирующих элементов

Определение количества и типа легирующих элементов для создания стали с необходимыми свойствами — это сложный процесс, который включает в себя научные исследования, математическое моделирование и практическое тестирование.

Основные этапы определения легирующих элементов:

• Определяются конкретные свойства стали, которые требуются для её использования (например, прочность, твёрдость, коррозионная стойкость, обрабатываемость).
• Рассматриваются условия, в которых сталь будет использоваться (например, высокая температура, агрессивная среда).
• Учёные-металлурги проводят фундаментальные исследования свойств различных легирующих элементов и их взаимодействий с железом и другими элементами в составе стали.
• Создаются математические модели и фазовые диаграммы, описывающие поведение сплавов при различных концентрациях легирующих элементов.
• На основе теоретических моделей и исследований создаются лабораторные образцы стали с различным содержанием легирующих элементов. Эти образцы проходят тестирование на соответствие требуемым характеристикам.
• На основе результатов лабораторных испытаний состав сплава оптимизируется для достижения лучших свойств.
• Разработанный состав стали производят в небольших масштабах на пилотных установках для проверки технологичности и соответствия требованиям.
• После успешных пилотных испытаний сплав внедряется в массовое производство.

Процесс легирования

Существует два основных типа легирования:

• Объемное легирование — легирующие элементы добавляются в расплавленный металл или сплав, равномерно распределяясь по всему объему.
• Поверхностное легирование — легирующие элементы наносятся на поверхность металла, образуя тонкий слой с улучшенными свойствами. Образуется тонкий слой с улучшенными свойствами. Этот метод используется для создания износостойких, коррозионностойких и других покрытий.

Методы легирования

• Добавление в расплавленный металл (Прямое добавление). Легирующие элементы добавляются непосредственно в расплавленный металл в печи.
• Использование ферросплавов, которые представляют собой сплавы железа с легирующими элементами, для более точного дозирования.
• Диффузионное легирование. Основной металл покрывается слоем легирующего элемента и подвергается нагреву. При этом легирующий элемент проникает в основной металл за счёт диффузии.
• Электролитическое легирование. Металл подвергается процессу электролиза, при котором ионы легирующего элемента осаждаются на поверхности основного металла и затем проникают в его структуру.
• Порошковая металлургия. Порошки основного металла и легирующих элементов смешиваются и затем сплавляются при высоких температурах и давлении.

Этапы объемного легирования

1. Подготовка шихты.

Отмеряются необходимые количества основного металла и легирующих элементов. Элементы могут быть в чистом виде, в виде ферросплавов или лигатур. Шихта — это смесь сырьевых материалов, которые используют для плавки металлов в печах. Это смесь исходных материалов, таких как:

• Руда — содержит металл в связанном состоянии.
• Флюсы — вещества, которые связывают посторонние примеси и образуют шлак.
• Восстановители — вещества, которые отнимают кислород от руды и выделяют металл.
• Легирующие добавки — элементы, которые добавляются в небольших количествах для изменения свойств металла.

Эти «ингредиенты» тщательно дозируются и смешиваются перед загрузкой в печь или другой агрегат, где происходит плавление и получение металла.

Вот несколько примеров шихты:

• Для доменной печи: железная руда, кокс, известняк.
• Для электросталеплавильной печи: лом стали, легирующие добавки.
• Для алюминиевого электролиза: глинозем (Al₂O₃), криолит (Na₃AlF₆).

2. Загрузка шихты. Шихта загружается в печь или другой плавильный агрегат.

3. Плавление. Шихта нагревается до температуры плавления. Металл переходит в жидкое состояние.

4. Выдерживание. Расплавленный металл выдерживается при определенной температуре в течение определенного времени. Это необходимо для равномерного распределения легирующих элементов.

5. Разливка. Расплавленный металл разливается в формы или слитки.

6. Охлаждение. Металл охлаждается до твердого состояния.

Факторы, влияющие на легирование:

• Разные металлы по-разному взаимодействуют с легирующими элементами.
• Каждый элемент по-разному влияет на свойства металла.
• Чем больше легирующего элемента, тем сильнее его влияние.
• Температура плавления легирующего элемента должна быть близка к температуре плавления основного металла.
• Чем дольше расплавленный металл выдерживается, тем равномернее распределяются легирующие элементы.

Легированные стали

Легированная сталь — это сталь, в состав которой помимо железа и углерода введены другие легирующие элементы для улучшения её механических, физических и химических свойств. Эти элементы изменяют структуру стали, влияя на её прочность, твёрдость, пластичность, коррозионную стойкость и другие характеристики.

Классификация легированных сталей

Легированные стали можно классифицировать по количеству легирующих элементов и по их функциональному назначению.

По количеству легирующих элементов:

• Низколегированные стали — содержание легирующих элементов не превышает 2—3%. Примеры: хромомолибденовая сталь.
• Среднелегированные стали — содержание легирующих элементов от 3 до 10%. Примеры: некоторые виды инструментальной стали.
• Высоколегированные стали — содержание легирующих элементов более 10%. Примеры: нержавеющая сталь.

По функциональному назначению:

• Конструкционные стали — используются для создания строительных и машиностроительных конструкций.
• Инструментальные стали — применяются для производства режущего и штамповочного инструмента.
• Жаропрочные стали — сохраняют свои свойства при высоких температурах, используются в авиационной и энергетической промышленности.
• Коррозионностойкие стали — устойчивы к коррозии, используются в химической, пищевой промышленности и медицине.

Сплавы

Сплав — это материал, состоящий из двух или более химических элементов, один из которых обязательно является металлом. Сплавы создаются для улучшения свойств исходных металлов, таких как прочность, твёрдость, коррозионная стойкость, пластичность, обрабатываемость и другие. 

Классификация сплавов

По количеству компонентов:

• Двойные (бинарные): Состоят из двух компонентов (например, латунь — медь и цинк).
• Тройные (трикомпонентные): Включают три компонента (например, дюралюминий — алюминий, медь и магний).
• Многоэлементные (многокомпонентные): Состоят из более чем трёх компонентов (например, нержавеющая сталь — железо, хром, никель и др.).

По фазовому состоянию:

• Однофазные: Включают только одну кристаллическую фазу.
• Многофазные: Состоят из нескольких фаз с различной структурой и свойствами.

По основному металлу:

• Железные (ферросплавы): Основным компонентом является железо (например, сталь, чугун).
• Нежелезные (цветные сплавы): Основным компонентом является цветной металл (например, латунь, бронза).

Примеры сплавов

Смотрите также статьи:

• Производство сталей
• Сталь — классификация, обработка, основные типы
• Легированная сталь
• Маркировка сталей
• Инструментальная сталь
• Конструкционная сталь
• Углеродистые стали. Классификация, ГОСТ'ы, свойства, применение
• Марочник сталей
• Сортамент металлопроката
• Чёрные металлы
• История открытия и обработки металлов, развития металлургической промышленности
• Удельный вес сталей, сплавов и металлов
• Марки сталей по ГОСТ, AISI, ASTM, ASME, En, DIN, WNr

История термина

Термин «легирование» происходит от латинского слова «ligare», что означает «связывать» или «соединять». История легирования как процесса и термина связана с многовековой историей развитием металлургии и технологии обработки металлов.

• Первые упоминания о добавлении различных веществ к металлам для улучшения их свойств относятся к древним цивилизациям. Египтяне, греки и римляне добавляли различные примеси к бронзе и железу, чтобы улучшить их прочность и долговечность. Например, добавление олова к меди для получения бронзы.
• В Средние века металлурги продолжали эксперименты с добавлением различных элементов к железу для получения стали с улучшенными свойствами. Однако процесс был мало изучен и основывался больше на эмпирическом опыте, чем на научном понимании.
• На Ближнем Востоке появилась дамасская сталь, знаменитая своими исключительными механическими свойствами. Этот материал получали с помощью сложного процесса, включавшего многократное нагревание и ковку железа, обогащенного углеродом и другими элементами.
• В период Ренессанса и позднее, с развитием науки и технологий, начали проводиться более систематические исследования состава и свойств металлов. Альхимики и ранние химики внесли значительный вклад в понимание процессов, происходящих при смешивании различных металлов.
• В XIX веке с началом промышленной революции и развитием металлургии как науки терминология также эволюционировала. В этот период началось более систематическое исследование легирования. Введение термина «легирование» в научную и техническую литературу связано с ростом интереса к производству высококачественных сплавов и стали.
• В период 1860—1890 годов металлургия переживала значительное развитие благодаря работам учёных, таких как Генри Бессемер и Роберт Мушет.
• В 1856 году британский инженер Генри Бессемер изобрёл процесс продувки воздуха через расплавленный чугун для удаления примесей и производства стали. Этот процесс, известный как бессемеровский, позволил получить более качественную сталь, но ещё не включал активное легирование.
• Вскоре после Бессемера, в 1858 году, британский металлург Роберт Мушет улучшил процесс, добавив марганец для удаления кислорода и серы из стали, что можно рассматривать как одно из первых систематических применений легирования для улучшения качества стали.
• Первое известное использование термина «легирование» в научной литературе относится к 1869 году, когда немецкий металлург Роберт Мюллер использовал его для описания процесса добавления вольфрама в сталь.
• В начале 20 века британский металлург Гарри Бреарли в 1913 году обнаружил, что добавление хрома к стали значительно повышает её устойчивость к коррозии. Это открытие привело к созданию нержавеющей стали, которая нашла широкое применение в промышленности и быту.
• В начале XX века с развитием теории фазовых диаграмм и пониманием твердых растворов термин «легирование» уже широко использовался в металлургической литературе. Именно в этот период легирование стало важной частью производства нержавеющей стали и других высококачественных сплавов.

Фазовые диаграммы помогают понять, при каких условиях (температура и состав) металл будет твердым, жидким или смешанным. Эти диаграммы нужны, чтобы прогнозировать, как изменятся свойства сплава при нагреве, охлаждении или изменении состава.

Твердый раствор — это твердая фаза, в которой атомы одного или нескольких элементов равномерно распределены в кристаллической решетке основного металла, изменяя его свойства, например, добавление углерода в железо образует твердый раствор, из которого получается сталь.