Для повышения механической прочности, жаростойкости, пластичности и прочих ключевых характеристик, сплавы стали обогащают различными химическими компонентами. Легирование черного металла чаще производят при выплавке полуфабрикатов. Из подготовленного сырья создают заготовки для прутов, листов, иного фасонного, сортового проката, готовых металлоизделий.
Как и для чего легируют стали?
Стандартные технологии легирования (ввод в расплавленное сырье) — поверхностная (дополнительные вещества вводят на глубину до 2 мм, в верхние слои расплава), объемная (компоненты равномерно распределяют по всей массе жидкого сырья). Современные технологии:
- С помощью электронных пучков лазера. Добавки вводят в расплав с высокой точностью локализовано;
- Термомеханический способ. Компоненты присоединяют путем пластической деформации сплава с его одновременной термообработкой.
Этапы плавки, на которых добавляют элементы — разные, в зависимости от необходимых качеств. Физические формы добавок — соединения, гранулы, порошки. Для обогащения сырья, его предварительно очищают. Без удаления части основных химических веществ, новые присадки в состав не добавить — их связывание с базовыми компонентами не произойдет. Методы очистки — выпадение соединений карбидов, выжигание углерода. Цели легирования сплавов:
- Изменение химических, физических качеств. Чаще улучшают противокоррозионные показатели, ударную вязкость (пластичность), прочность, износостойкость, термостойкость сырья.
- Предупреждение «водородной болезни», к которой склонен металл.
- Недопущение окисления.
- Придание однородности, стабилизация структуры. При воздействии повышенных температур, зерна сплавов не растут.
При вводе добавок любого типа, происходит рекристаллизация стали. Затем, формируется новая структура материала.
Какие есть виды сталей с учетом класса легирования?
Сортамент стальных сплавов, с учетом доли обогащающих компонентов, представлен тремя группами:
- Высоколегированные составы — доля свыше 10%.
- Среднелегированные составы — доля 2.5-10%.
- Низколегированные составы — доля меньше 2.5%.
Узнать, сколько веществ использовали для легирования сплава, позволяет его маркировка. Пример: в марке 20Х13 присутствует 13% хром (Х). Первая цифра указывает на объем углерода (0.2%), от которого зависят многие свойства любого металла.
Какими элементами легируют стальные сплавы и для чего?
Обогащать стали можно разными компонентами. Главный критерий подбора добавок — их функции (придаваемые, улучшаемые параметры). Самые распространенные легирующие вещества для черного металла, их назначение:
- Медь — повышение пластичности, теплопроводности, электропроводности, противокоррозионных способностей;
- Титан — увеличение механической обрабатываемости при одновременном повышении твердости, прочности, жаростойкости;
- Алюминий — придание стойкости к возникновению окалины, жаропрочности;
- Марганец — рост прокаливаемости, твердости, устойчивости к ударным нагрузкам, износу;
- Кремний — повышение твердости, жаропрочности, электросопротивления, упругости;
- Никель — увеличение ударной стойкости, противокоррозионных качеств, вязкости, пластичности;
- Хром — снижение показателя линейного расширения (пластичность также падает), рост электросопротивления, вязкости, механической прочности, твердости.
Более дорогие основные, поэтому реже встречающиеся в стали добавки:
- Лантан, цезий, неодим — повышение качества поверхности, уменьшение пористости структуры;
- Церий — увеличение пластичности, прочности, износостойкости, химической стойкости;
- Ниобий — рост стойкости к воздействию кислот, прочих агрессивных химических сред;
- Кобальт — повышение магнитных качеств, жаропрочности, стойкости к вибрациям, ударам;
- Ванадий — увеличение плотности, твердости;
- Молибден — повышение прокаливаемости, упругости (устойчивости к разрывным, скручивающим, сжимающим нагрузкам);
- Вольфрам — рост прокаливаемости, твердости;
- Бор (до 0.001%) — увеличение износостойкости, прокаливаемости. Уникальные по характеристикам стали создают, сочетая бор с алюминием, титаном.
Состав сырья влияет на его долговечность. Плюс — на способность к свариванию без ограничений (без предварительного прогрева деталей, без финишной обработки сварочных швов).
Как легирование изменяет свариваемость сплавов сталей?
Прочность, противокоррозионная стойкость, иные характеристики сварочных швов зависят не только от толщины, других размеров соединяемых деталей. Добавки также улучшают качество сварного соединения или снижают его (приводят к не проварам, пористости шва, трещинообразованию).
- Вольфрам, ванадий - активно окисляются при сварке, осложняют ее
- Молибден - выгорает, окисляется при сварочных работах, но не ухудшает их результат
- Никель - не влияет на свариваемость
- Хром - возникающие под высокими температурами тугоплавкие окислы, хромовые карбиды затрудняют работы
- Кремний - объем до 0.03% не отображается на свариваемости; доля от 0.8% путем повышения жидкотекучести сплава, осложняет сварку, приводит к возникновению горячих трещин
- Марганец - доля до 0.8% не влияет на способность стали к сварке; при большем объеме (от 1.8%), появляются хрупкие структуры, холодные трещины; при количестве от 11%, горячие температуры выжигают добавку.
- Углерод - Объем от 0.25% существенно снижает свариваемость, провоцирует активное трещинообразование, порообразование в шве
По свариваемости, легированные стали делят на четыре группы. Категории:
- 1-ая — плохие (прогрев нужно на протяжении всей сварки, швы — с трещинами);
- 2-ая — ограниченно свариваемые (для работ, необходима специальная техника, дополнительная обработка соединений обязательна);
- 3-тья — удовлетворительные (может понадобиться предварительная, завершающая термообработка, но швы — без трещин);
- 4-ая — хорошие (работы ведутся без прогрева, швы высокопрочные, коррозионностойкие).
Два главных фактора, влияющих на свариваемость — уровень легирования, объем углерода. При большой доле последнего вещества, сварка осложнена. Стандартная свариваемость 15Х5ВФ , 12МХ, иных среднелегированных составов — удовлетворительная. 10Х13СЮ, 09Х16Н4Б, прочие высоколегированные сплавы чаще требуют использования специальных технологий, профессионального оборудования.