Развитие отождествляется с совершенствованием. Улучшение промышленных и бытовых возможностей осуществляется с помощью использования материалов с прогрессивными характеристиками. Это, в частности, легированные металлы. Их разнообразие определяется возможностями коррекции количественного и качественного состава легирующих элементов.
Природно-легированная сталь
Первое выплавленное железо, которое по своим свойствам отличалось от сородичей, было природно-легированным. В выплавляемом доисторическом метеоритном железе содержалось повышенное количество никеля. Его находили в древнеегипетских захоронениях 4-5 тысячелетий до н. э., из такого же сооружен памятник архитектуры Кутаб Минар в Дели (V век). Японские булатные мечи изготавливались из железа, насыщенного молибденом, а дамасская сталь содержала вольфрам, характерный для современной быстрорежущей. Это были металлы, руда для которых добывалась из определенных мест.
Сплавы современного производства могут содержать природные компоненты металлического и неметаллического происхождения, которые отражаются на их характеристиках и свойствах.
Исторический путь
Фундамент для развития легирования был заложен обоснованием тигельного способа плавления стали в Европе в XVIII веке. В более примитивном варианте тигли использовались еще в древние времена, в том числе для выплавки булатной и дамасской стали. В начале 18 века эта технология получила совершенствование в промышленных масштабах и позволяла корректировать состав и качество исходного материала.
- Одновременное открытие все новых и новых химических элементов, подталкивало исследователей на экспериментальные опыты выплавки.
- Установлено негативное влияние меди на качество стали.
- Открыта латунь, содержащая 6 % железа.
Проводились опыты с точки зрения качественного и количественного влияния на стальной сплав вольфрама, марганца, титана, молибдена, кобальта, хрома, платины, никеля, алюминия и прочих.
Первое промышленное производство стали, легированной марганцем, налажено в начале XIX века. Оно же получило развитие с 1856 года в рамках бессемеровского процесса выплавки.
Особенности легирования
Современные возможности позволяют выплавлять легированные металлы любого состава. Основные принципы рассматриваемой технологии:
- Компоненты считаются легирующими только в том случае, если они вводятся целенаправленно и содержание каждого превышает 1 %.
- Сера, водород, фосфор считаются примесями. В качестве неметаллических включений используются бор, азот, кремний, редко – фосфор.
- Объемное легирование – это введение компонентов в расплавленную субстанцию в рамках металлургического производства. Поверхностное представляет собой способ диффузионного насыщения поверхностного слоя необходимыми химическими элементами под действием высоких температур.
- В ходе процесса добавки изменяют кристаллическую структуру «дочернего» материала. Они могут создавать растворы проникновения или исключения, а также размещаться на границах металлической и неметаллической структур, создавая механическую смесь зерен. Большую роль тут играет степень растворимости элементов друг в друге.
Легирующие компоненты
Согласно общей классификации, все металлы делятся на черные и цветные. К черным относятся железо, хром и марганец. Цветные делятся на легкие (алюминий, магний, калий), тяжелые (никель, цинк, медь), благородные (платина, серебро, золото), тугоплавкие (вольфрам, молибден, ванадий, титан), легкие, редкоземельные и радиоактивные. К легирующим металлам относится значительное разнообразие легких, тяжелых, благородных и тугоплавких цветных, а также все черные.
В зависимости от соотношения этих элементов и основной массеы сплава последние делятся на низколегированные (3 %), среднелегированные (3-10 %) и высоколегированные (более 10 %).
Легированные стали
Технологически процесс не вызывает сложностей. Ассортимент очень широк. Основные цели для сталей следующие:
- Повышение прочности.
- Улучшение результатов термической обработки.
- Увеличение коррозионной стойкости, жаростойкости, жаропрочности, теплостойкости, устойчивости к агрессивным условиям работы, срока службы.
Основные составляющие – черные легирующие и тугоплавкие металлы, к которым относятся Cr, Mn, W, V, Ti, Mo, а также цветные Al, Ni, Cu.
Хром и никель – главные компоненты, определяющие нержавеющую сталь (Х18Н9Т), а также жаропрочную, условия работы которой характеризуются высокими температурами и ударными нагрузками (15Х5). В количестве до 1,5% используются для подшипников и деталей трения (15ХФ, ШХ15СГ)
Марганец – основополагающая составляющая износостойких сталей (110Г13Л). В небольших количествах способствует раскислению, снижению концентрации фосфора и серы.
Силиций и ванадий – элементы, которые в определенном количестве повышают упругость и используются для изготовления пружин и рессор (55С2, 50ХФА).
Алюминий применим для железа с большим электрическим сопротивлением (Х13Ю4).
Значительное содержание вольфрама характерно для быстрорежущих устойчивых инструментальных сталей (Р9, Р18К5Ф2). Легированное сверло по металлу из такого материала намного более производительное и стойкое к срабатыванию, чем тот же инструмент из углеродистой стали.
Легированные стали вошли в повседневное использование. Одновременно известны так называемые сплавы с удивительными свойствами, полученные также методами легирования. Так «деревянная сталь» содержит 1 % хрома и 35 % никеля, что определяет ее высокую теплопроводность, характерную для дерева. Алмазная же включает 1,5 % углерода, 0,5 % хрома и 5 % вольфрама, что характеризует ее как особо твердую, сродни алмазу.
Легирование чугуна
Чугуны отличаются от сталей значительным содержанием углерода (от 2,14 до 6,67 %), высокой твердостью и коррозионной стойкостью, однако незначительной прочностью. С целью расширения диапазона показательных свойств и сфер применения, его легируют хромом, марганцем, алюминием, силицием, никелем, медью, вольфрамом, ванадием.
В связи с особыми характеристиками данного железоуглеродистого материала, его легирование – более сложный процесс, чем для стали. Каждый из компонентов влияет на преобразование форм карбона в нем. Так марганец способствует формированию «правильного» графита, что повышает прочность. Введение других же имеет следствием переход углерода в свободное состояние, отбеливание чугуна и снижение его механических свойств.
Технология усложняется невысокой температурой плавления (в среднем, до 1000 ˚С), тогда как для большинства легирующих элементов она значительно превышает этот уровень.
Наиболее эффективно для чугунов комплексное легирование. Одновременно, следует учитывать повышение вероятности ликвации таких отливок, риска трещинообразования, дефектов литья. Осуществлять технологический процесс более рационально в электромагнитных и индукционных печах. Обязательным последовательным этапом является качественная термообработка.
Хромистые чугуны характеризуются высокой износостойкостью, прочностью, жаростойкостью, устойчивостью к старению и коррозии (ЧХ3, ЧХ16). Применяются в химическом машиностроении и в производстве металлургического оборудования.
Чугуны, легированные кремнием, отличаются высокой коррозионной стойкостью и устойчивостью к влиянию агрессивных химических соединений, хотя и удовлетворительными механическими свойствами (ЧС13, ЧС17). Формируют детали химической аппаратуры, трубопроводов и насосов.
Примером высокопродуктивного комплексного легирования являются жаропрочные чугуны. Они содержат в своем составе черные и легирующие металлы, такие как хром, марганец, никель. Для них характерна высокая стойкость к коррозии, износостойкость и устойчивость к высоким нагрузкам в условиях высокотемпературных воздействий – детали турбин, насосов, двигателей, аппаратуры химической промышленности (ЧН15Д3Ш, ЧН19Х3Ш).
Важным компонентом является медь, которая задействована в комплексе с другими металлами, при этом повышает литейные характеристики сплава.
Легированная медь
Используется в чистом виде и в составе медных сплавов, которые имеют широкое разнообразие в зависимости от соотношения основных и легирующих элементов: латуни, бронзы, мельхиоры, нельзийберы и другие.
Чистая латунь – сплав с цинком – не легируется. Если в ее состав входят легирующие цветные металлы в определенном количестве – она считается многокомпонентной. Бронзы – это сплавы с другими металлическими составляющими, могут быть оловянными и не содержащими олова, легируются во всех случаях. Улучшение их качества осуществляется с помощью Mn, Fe, Zn, Ni, Sn, Pb, Be, Al, P, Si.
Содержание кремния в медных соединениях повышает их коррозионную стойкость, прочность и упругость; олово и свинец – определяют антифрикционные качества и позитивные характеристики относительно обрабатываемости резанием; никель и марганец – составляющие, так называемых, деформируемых сплавов, которые также положительно влияют на устойчивость к коррозии; железо улучшает механические свойства, а цинк – технологические.
Применяются в электротехнике, как основное сырье для изготовления разнообразных проводов, материал для изготовления ответственных деталей для химического оборудования, в машиностроении и приборостроении, в трубопроводах и теплообменниках.
Легирование алюминия
Используется в виде деформируемых или литейных сплавов. Легированные металлы его основе представляют собой соединения с медью, марганцем или магнием (дуралюмины и другие), последние – соединения с силицием, так называемые силумины, при этом все их возможные варианты легируются с помощью Cr, Mg, Zn, Co, Cu, Si.
Медь повышает его пластичность; кремний – текучесть и качественные литейные свойства; хром, марганец, магний – улучшают прочность, технологические свойства обрабатываемости давлением и коррозионную стойкость. Также в качестве легирующих компонентов, способствующих устойчивости к старению и к агрессивным условиям работы, могут приниматься B, Pb, Zr, Ti, Bi.
Железо – нежелательный компонент, однако в небольших количествах применяется для производства алюминиевой фольги. Силумины используются для литья ответственных деталей и корпусов в машиностроении. Дуралюмины и штамповочные сплавы на основе алюминия – важное сырье для изготовления корпусных элементов, в том числе силовых конструкций, в авиастроении, судостроении и машиностроении.
Легированные металлы задействованы во всех сферах промышленности как те, которые имеют повышенные механические и технологические характеристики, в сравнении с исходным материалом. Ассортимент легирующих элементов и возможности современных технологий позволяют производить разнообразные модификации, расширяющие возможности в науке и технике.
