Влияние легирующих элементов на сталь

Что такое легирующие элементы

Легирующие элементы — химические элементы, повышающие уникальные свойства стали. Они добавляются в состав, чтобы улучшить характеристики и расширить область применения.

Преимущества легирования:

• Увеличение прочности и твердости: легирование делает сталь более устойчивой к деформациям и износу.
• Повышение коррозионной стойкости: легирование позволяет создать сталь, которая менее склонна к ржавлению.
• Улучшение свариваемости: легирование может улучшить свариваемость стали, делая ее более прочной в швах.
• Повышение жаропрочности: легированные стали могут выдерживать более высокие температуры без потери прочности.
• Расширение области применения: легирование позволяет создавать сталь с определенными свойствами, необходимыми для конкретных отраслей промышленности (например, для авиационной промышленности, нефтегазовой промышленности, медицины).

Отличие легирующих элементов от примесей

В углеродистой стали, помимо железа и углерода, присутствуют и другие элементы: марганец, сера, фосфор, кремний, водород и т.д. Их называют примесями, они разделяются на категории:

• Постоянные: сера, фосфор, марганец и кремний. Они всегда содержатся в стали в небольших количествах, попадая в нее из чугуна или используясь в качестве раскислителей.
• Скрытые: водород, кислород и азот. Они также присутствуют в любой стали, попадая в нее при выплавке.
• Случайные: медь, мышьяк, свинец, цинк, олово и другие элементы. Они попадают в сталь из шихтовых материалов и считаются особенностью руды.

Влияние примесей на свойства сталей

• Углерод (C): повышает твердость и прочность, но снижает пластичность. 
• Кремний (Si): при содержании до 0,4% не оказывает заметного влияния на свойства. 
• Марганец (Mn): при содержании до 0,8% не оказывает заметного влияния на свойства. 
• Фосфор (P): увеличивает прочность, но снижает пластичность и вязкость.
• Сера (S): повышает хрупкость при высоких температурах, снижает прочность, пластичность, свариваемость и коррозионную стойкость.
• Азот (N2) и Кислород (O2): уменьшают вязкость и пластичность.
• Водород (H2): повышает хрупкость.

Как легирующие элементы влияют на свойства стали

Использование различных легирующих элементов в разных комбинациях позволяет создавать стали с широким спектром свойств, применимых в различных областях: от автомобилестроения до космической отрасли.

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

Виды легированных сталей

Легированные стали классифицируют по основных легирующим элементам и их комбинациям. 

По количеству легирующих элементов:

• Низколегированные стали: содержат от 0,5 до 2,5% легирующих элементов. Они отличаются повышенной прочностью и коррозионной стойкостью по сравнению с обычной углеродистой сталью. 
• Среднелегированные стали: содержат от 2,5 до 10% легирующих элементов. Обладают еще более высокими показателями прочности, износостойкости и коррозионной стойкости.
• Высоколегированные стали: содержат от 10 до 50% легирующих элементов. Это высокоспециализированные стали с уникальными свойствами, применяемые в самых экстремальных условиях.

Также есть классификации по сфере применения:

• Конструкционные стали: используются для создания разнообразных конструкций, механизмов, деталей, запчастей, двигателей, строительных элементов. Отличаются прочностью, пластичностью и коррозионной стойкостью, необходимыми для длительной эксплуатации.
• Инструментальные стали: предназначены для производства высокопрочных инструментов, способных выдерживать высокие нагрузки и агрессивные среды. К ним относятся сверла, резцы, фрезы, пилы, метчики, протяжки и другие инструменты, изготовленные из жаропрочных и износостойких сталей.
• Сталь с особыми техническими характеристиками: обладает уникальными свойствами, необходимыми для конкретных задач. Например, стали для авиационной промышленности должны быть одновременно легкими и прочными, а стали для ядерной энергетики – устойчивыми к воздействию радиации.

Легирование стали — не просто добавление химических элементов, а сложный технологический процесс, требующий специальных знаний и опыта. Но результат стоит того: легированная сталь — материал с уникальными свойствами, который помогает решать сложные инженерные задачи.