Легирующие элементы стали

Процесс создания стали уходит своими корнями в древние времена, когда люди догадались, что добавление определенных элементов к железу может значительно улучшить его свойства. Именно эти дополнительные металлы выполняют роль легирующих элементов, а сам процесс их добавления называется легированием. 

Первые шаги по улучшению свойств стали были сделаны в Китае во II веке до н. э. Мастера обнаружили, что добавление угля к железу в процессе плавки повышает его твёрдость. Этот процесс лег в основу создания первых китайских мечей и инструментов. Аналогичные открытия были сделаны в Индии и Римской империи. Далее прорыв в производстве произошел в период индустриальной революции. В XVIII веке в Англии был разработан процесс пудлингования, который позволял получать более чистое железо и сталь. В процессе пудлингования чугун плавился и перемешивался в печах, что позволило удалить из него избыточный углерод и примеси. А в 1856 году Генри Бессемер изобрел технологию, которая значительно ускорила и удешевила производство. Расплавленный чугун продувался воздухом, что приводило к окислению углерода и примесей. Бессемеровский процесс стал основой для массового производства стали сыграл ключевую роль в индустриализации.

Что такое легирующие элементы?

Легирующие элементы – это химические элементы, которые добавляются в состав стали с целью улучшения их свойств. Они играют ключевую роль в металлургии, позволяя создать материалы с необходимыми характеристиками.

Зачем добавляют легирующие элементы в сталь?

Легирующие элементы добавляются с целью улучшения её свойств и расширения её возможностей для различных применений. Этот процесс, известный как легирование, позволяет существенно изменить химический состав и структуру сплава, что ведет к значительному улучшению физических, механических и эксплуатационных характеристик.

Основные направления легирования стали:

• Повышение прочности и твердости. Углерод, ванадий, молибден, усиливают эти свойства. Это особенно важно для инструментальных сталей, которые должны выдерживать высокие нагрузки и износ.
• Устойчивость к коррозии. Хром, никель и молибден повышают стойкость стали к коррозии.
• Повышение термостойкости. За это отвечают вольфрам и молибден. Такие сплавы применяются в турбинных лопатках или выхлопных системах автомобилей.
• Улучшение пластичности и вязкости. Никель и марганец повышают пластичность, что делает её менее хрупкой и более способной выдерживать ударные нагрузки.
• Повышение износостойкости. Ванадий и хром делают сплав долговечнее и надежнее в условиях интенсивного трения и механического воздействия. 
• Стабилизация структуры. Титан и ниобий помогают стабилизировать структуру стали, предотвращая рост зерен при высоких температурах. Это улучшает её прочностные характеристики и делает её более надежной при эксплуатации.

Легирование позволяет создавать стали с точными параметрами для конкретных задач, будь то строительство небоскребов, производство автомобилей или изготовление медицинских инструментов.

Такие сплавы имеют больший срок службы благодаря улучшенной износостойкости, коррозионной стойкости и прочности. Это может существенно снизить затраты на обслуживание и ремонт оборудования.

Свойства и влияние легирующих элементов

Углерод

Хотя углерод является основным компонентом стали, его концентрация и воздействие на свойства делают его похожим на легирующий элемент. Даже небольшие изменения в содержании углерода могут значительно изменить её характеристики.

Углерод повышает прочность. Образование карбидов усиливают матрицу железа. Чем выше содержание углерода, тем более твердая и прочная сталь. Например, инструментальные стали содержат высокий процент углерода и применятюся для изготовления режущих инструментов и сверл. Углерод улучшает способность к закаливанию. Но высокое содержание углерода снижает пластичность и ударную вязкость стали, делая её более хрупкой. 

Хром

Коррозионная стойкость стали, содержащей хром, была обнаружена случайно. Первоначальной целью исследователей было улучшение износостойкости стальных сплавов в оружейной промышленности. Высокие температуры при выстреле из пушки вызывали значительный износ стволов. Для решения этой проблемы металлурги экспериментировали с добавлением различных элементов в железо. Один из разработанных сплавов содержал значительное количество хрома. Металлурги обнаружили, что этот сплав не только улучшил термостойкость, но и проявил устойчивость к коррозии. 

Хром способствует образованию на поверхности тонкого, но плотного оксидного слоя, который защищает металл от воздействия агрессивных сред, таких как влага, кислоты и соли. Нержавеющие стали содержат минимум 10,5% этого элемента.

Карбид хрома увеличивает твердость, что хорошо для производства режущих инструментов, подшипников и деталей машин, работающих в условиях интенсивного трения.

Хром позволяет сохранять механические свойства при высоких температурах, позволяет увеличить глубину закаливания. Это важно для деталей, которые должны иметь твердую поверхностную оболочку и более мягкую ударопрочную сердцевину (например, зубчатые колёса или валы).

Стали с хромом обладают устойчивостью к окислению при высоких температурах, предотвращая деформацию. Хромсодержащие стали незаменимы в производстве печей, нагревательных элементов и оборудования для химической промышленности.

Никель

На берлинской выставке материалов в начале XX века была представлена необычная металлическая кастрюля. После кипячении воды в ней одна ручка была чрезвычайно горячей, тогда как другая оставалась лишь тёплой. Секрет этой разницы скрывался в составе сплава второй ручки: она содержала 31% никеля. Этот металл, добавленный в сплав в такой высокой концентрации, существенно уменьшил теплопроводность ручки. Это открытие подтолкнуло к подробному изучению свойств никеля в стали.

Он повышает прочность, пластичность, коррозионную стойкость и устойчивость к экстремальным температурам.

• Сплавы не подвергаются коррозии, особенно в агрессивных средах, поскольку никель образует плотный защитный оксидный слой. 
• Повышает пластичность и ударную вязкость, что делает её менее хрупкой при низких температурах. Никельсодержащие стали применяют в производстве оборудования для нефтегазовой промышленности и арктических конструкций.
• Равномерно распределяет углерод и другие легирующие элементы, что приводит к повышению механической прочности, стабильности материала.
• Никельсодержащие стали обладают высокой термостойкостью, что позволяет им сохранять свои свойства при высоких температурах.
• Способствует повышению устойчивости к окислению при высоких температурах,  предотвращает старение материала.

Молибден (Mo)

История использования молибдена в легировании стали берёт своё начало в окопах Первой мировой войны. В то время артиллерийские снаряды легко пробивали танковую броню толщиной 75 мм, что представляло серьёзную проблему для бронетехники. Решение нашлось благодаря добавлению в сплав всего 1,5–2% молибдена. Молибден значительно повышает ударную вязкость материала. 

Карбид молибдена усиливает металлическую матрицу и делает сталь более стойкой к механическим воздействиям. Добавление этого металла существенно защищает материал от коррозии, особенно в кислых и соленых средах. Он улучшает прокаливаемость, позволяя достигать большей глубины закалки. 

Марганец

Марганец добавляют для удаления растворенного кислорода, этот процесс называется раскислением. Он улучшает чистоту стали, предотвращая образование вредных неметаллических включений, эффективно связывает кислород в расплаве, превращая его в оксиды, которые затем удаляются.  

Кроме того, марганец обладает способностью связываться с серой, удаляя её из сплава в виде шлаков. Сера, оставаясь в стали, может образовывать хрупкие соединения, что приводит к трещинам и снижению прочности материала. 

Одним из первых применений марганцевых сталей было производство рельсов. Марганец значительно увеличивал прочность стали, делая её устойчивой к трещинам и деформациям при прокатке. 

На что еще влияет марганец:

• Повышает прокаливаемость и в этом отношении эффективнее никеля (эффект от 1% марганца равен 4% более дорогого никеля).
• Уменьшает магнитные свойства.
• Повышает ударную вязкость, делая сталь менее хрупкой и более устойчивой к вибрационным нагрузкам (к примеру на мостах и кранах).

Кремний 

В середине XIX века металлурги обнаружили, что добавление кремния в сталь способствует улучшению её свойств. Кремний стал использоваться как раскислитель, удаляя кислород из расплавленного металла. Этот повышал чистоту стального сплава, предотвращая образование нежелательных оксидов, неметаллических включений. В 1850-х годах был разработан процесс мартеновской плавки, в котором кремний помогал контролировать химический состав сплава. В начале XX века кремний стал использоваться не только как раскислитель, но и как легирующий элемент, улучшающий прочность, твёрдость и эластичность. 

Как влияет добавление кремния в сплав стали? 

• Улучшает магнитные свойства, позволяя использовать в трансформаторах и электродвигателях.
• Повышает прочность, твердость и электропроводность.
• Способствует коррозионной стойкости, особенно в кислых и окислительных средах.
• Увеличивает термостойкость.
• Снижает усадку при литье, что улучшает качество отливок и уменьшает риск возникновения дефектов. 

Титан 

Титан был открыт в конце XVIII века, но его использование в качестве легирующего элемента началось значительно позже. Вначале титан был редким и дорогостоящим элементом, но с развитием технологий добычи и переработки, его применение стало более распространённым. С середины XX века титан стал активно использоваться в авиационной и аэрокосмической промышленности, где важны высокая прочность в сочетании с низким весом. Также титан используется в производстве нержавеющих сталей, где его добавление улучшает стойкость к коррозии и долговечность материалов.

Титан обладает параметрами, которые сделали его ценным легирующим элементом:

1. Повышает прочность за счет образования карбидов титана, которые упрочняют металлическую матрицу.
2. Защищает от процесса ржавления.
3. Связывает углерод, предотвращая образование нежелательных карбидов и улучшая структуру металла.
4. Улучшает жаропрочность, делая её более устойчивой к высоким температурам.
5. Делает сплав более пригодным для механической обработки.

Современные тенденции и исследования в области легирования стали

Сегодня исследования в этой области активно развиваются, появляются новые легирующие элементы и их комбинации. Традиционные легирующие элементы, дополняются новыми перспективными элементами.

Ванадий и Ниобий

Используются для повышения прочности и устойчивости к высоким температурам. Они способствуют образованию мелкозернистой структуры, что значительно улучшает механические свойства. Комбинации ванадия и ниобия с традиционными легирующими элементами создают сверхпрочные стали для автомобильной и строительной индустрии.

Бор

Бор в небольших концентрациях (до 0,001%) значительно улучшает прокаливаемость и как следствие – износостойкость. В сочетании с другими элементами, такими как титан и алюминий, позволяет создавать легированные стали с уникальными свойствами.

Церий и Лантан

Церий и лантан –это редкоземельные элементы. Они способствуют улучшению коррозионной стойкости и жаропрочности. Используются для производства специализированных сталей для работы в агрессивных средах и при высоких температурах.

Современные тенденции в металлургии направлены на создание новых материалов с улучшенными свойствами, разработку экологически безопасных сталей и внедрение инновационных методов легирования. Эти достижения расширяют применение стали, улучшая её эксплуатационные характеристики и снижая негативное воздействие на окружающую среду.