Чтобы сталь не ржавела как можно дольше, была пластичной и хорошо сваривалась, в нее добавляют легирующие элементы. Рассказываем, какие именно и как они меняют свойства стали.
Что такое легирование и зачем оно нужно
Основа стали – это железо и углерод. Но если взять любую марку, например AISI 304 или AISI 316, то кроме железа и углерода они будут содержать и другие элементы. Часть из них будут примесью, а часть – специально введенными металлами. Они и выполняют роль легирующих элементов, а процесс их добавления называют легированием.
Легирующие элементы вводят, чтобы изменить свойства стали: стойкость к коррозии, прочность, температуру плавления, пластичность, вязкость и другие характеристики. В одних случаях их уменьшают, в других увеличивают – все зависит от того, для чего нужна сталь и в каких условиях она будет использована.
Свойства основных легирующих элементов
Для легирования используют порядка 19 элементов. Разберем основные из них.
Хром
Высокая коррозионная стойкость стали, в состав которой входит хром, была обнаружена совершенно случайно. В начале XX века металлурги пытались найти материал, который бы уменьшил износ внутренней поверхности пушек из-за высоких температур. Было разработано несколько сплавов, среди которых выделялась сталь с добавлением хрома.
Как хром влияет на свойства стали:
- Повышает стойкость к коррозии благодаря оксидной пленке. Свойство проявляется, если в сплаве содержится более 12% хрома.
- Увеличивает твердость материала, поэтому хромом легируют пружинные и конструкционные стали.
- Не дает металлу разрушаться при высоких температурах. Для этого в сплаве должно содержаться 25% хрома.
Никель
На берлинской выставке материалов в начале XX века была представлена интересная металлическая кастрюля. Когда в ней вскипятили воду, то к одной из ее ручек было невозможно притронуться – она была горячая. А вторая ручка была просто теплой. Секрет заключался в 31% никеля, который входил в сплав второй ручки. Он снизил теплопроводность материала.
Как никель влияет на свойства стали:
- Повышает вязкость. Если ударить по хромированной стали, например, кувалдой, то останется вмятина, а не сквозное отверстие.
- Не дает разрушаться при контакте с агрессивными химическими соединениями.
- Повышает прокаливаемость. Сталь становится более твердой после нагрева и резкого охлаждения, что позволяет делать из нее резцы, фрезы и другие прочные инструменты.
Марганец
Этот легирующий элемент можно встретить практически в любой марке стали. Его добавляют, чтобы удалить растворенный в ней кислород. Этот процесс еще называют раскислением.
Умеет марганец связываться с серой и выводить ее из сплава в виде шлаков. А это помогает увеличить прочность стали, которая потом не трескается при прокатке. Недаром из первых марганцевых сталей делали рельсы.
На что еще влияет марганец:
- Повышает прокаливаемость и в этом отношении эффективнее никеля (эффект от 1% марганца равен 4% никеля, при этом никель дороже).
- Уменьшает магнитные свойства.
Вольфрам
История применения вольфрама связана с именем инженера Мюшетта. Он экспериментировал со сплавами, чтобы сделать резцы, которые не будут изнашиваться при обработке металла. Для этого Мюшетт добавил в сталь 9% вольфрама, который в сочетании с марганцем помог создать такие. С этого началась эра быстрорежущих сталей.
Как еще влияет вольфрам:
- Сохраняет прочность и твердость стали при высоких температурах.
- Улучшает механические свойства сварных швов: они более пластичны, меньше риск, что они порвутся при нагрузке.
Молибден
История легирования стали мобилденом началась в окопах Первой мировой. Артиллерия легко пробивала танковую броню, толщина которой составляла 75 мм. Надо было что-то делать. Добавка в сплав 1,5–2% молибдена решила эту проблему. Молибден повышает ударную вязкость. Снаряды буквально застревают в стали, оставляя только вмятины. Насквозь пробить броню уже сложно.
В итоге толщину брони уменьшили до 25 мм. Танки стали легче, лучше в управлении и проще в транспортировке.
Главная проблема, которая связана с использованием молибдена, – высокая температура плавления. Чтобы он начал плавиться, его надо нагреть до 2622 0С. Из-за этого стали, легированные молибденом, сложнее и дороже в производстве.
Благодаря высокой температуре плавления молибден используют в производстве жаропрочных сталей. Этот легирующий элемент увеличивает сопротивление ползучести, когда обычную кастрюлю нагревают сотни раз и это практически не отражается на свойствах стали. Кастрюля остается прочной и надежной.
Значит, сделать нержавеющую сталь просто?
К сожалению, нет. Если добавить в сплав марганец, никель, хром и другие легирующие элементы, создать суперпрочную сталь, которая не разрушается сотнями лет в самых агрессивных условиях, не получится. Легирующие элементы ведут себя по-разному в зависимости от того, в каком количестве содержатся в сплаве, какие металлы добавлены еще, как будет использоваться сталь. Например, если ввести 1% марганца, то получим марку с одними свойствами. При 4% это совершенно другой материал. А если марганцевую сталь нагреть до высоких температур, то она начнет разрушаться.
Специалисты проводят десятки экспериментов, прежде чем понять конечные свойства сплава. Состав проверенных марок можно посмотреть в ГОСТ 5632-2014. Из них делают разные металлоизделия: от листов до двутавров.
Что еще почитать на канале:
Виды нержавеющей стали: распространенные марки и их применение
Почему ржавеет сталь и как продлевают срок ее службы на производстве
Почему AISI 316 называют «морской» нержавейкой и где ее используют
Подписывайтесь на канал, если хотите знать о металлургии и металлических изделиях еще больше.
«Новаметалл Трейд» − один из ведущих производителей металлопроката и металлических изделий в России. На рынке с 2010 года.
Изображения взяты с Яндекс.Картинок и novametcom.ru.