Как легирующие элементы в сталях влияют на их производство?
Для производства стали используются сплавы железа с углеродом и другими элементами, такими как медь, хром, марганец, кобальт, никель, титан, кремний и ванадий. Их количество должно превышать безопасный уровень, но при этом не вызывать изменений в структуре и других свойствах стали.
Легирующие элементы являются очень важными добавками в химический состав стали, поскольку они напрямую влияют на её физические свойства — в частности, на прочность, хрупкость и упругость. Все элементы, используемые при производстве стали, должны придавать ей определённые характеристики, которые повышают устойчивость к коррозии и износу, а также облегчают термическую обработку. Каждый добавленный элемент оказывает свой индивидуальный эффект на физико-химические и механические свойства стали. Однако не все из них оказывают положительное воздействие.
Учитывая процентное содержание легирующих элементов в составе, сталь можно разделить на:
— низколегированную сталь — с содержанием элементов менее 2%,
— среднелегированную сталь — с содержанием менее 8%,
— высоколегированную сталь — с содержанием более 8%.
В зависимости от назначения различают инструментальные, конструкционные стали и стали со специальными свойствами. Искусство металлурга заключается в правильном подборе добавок, чтобы сбалансировать их влияние.
Желаемые свойства легирующих элементов
Одним из наиболее популярных легирующих элементов является молибден. Он повышает коррозионную стойкость стали, а также её прочность и закаливаемость. Благодаря молибдену можно снизить хрупкость стали. В большинстве кислотоустойчивых сталей его содержание составляет от 2,5 до 7%. Положительное влияние на закалку оказывает также никель. При растворении в феррите он обеспечивает исключительную ударную вязкость. Никель — важный компонент всех кислотоустойчивых сталей (acid-proof steel). Он облегчает сварку и пластическую обработку. Содержание никеля на уровне 0,5–4% улучшает термообрабатываемость, а при 8–10% значительно повышает кислотостойкость стали.
Ещё одним полезным элементом является марганец. Он существенно повышает ударную вязкость стали, не уменьшая её пластичность, и одновременно увеличивает износостойкость. Благодаря этому сталь становится более прочной.
Какие легирующие элементы повышают износо- и коррозионную стойкость?
Для производства конструкционных сталей необходим хром. Он улучшает закаливаемость и прочность стали. Также используется в жаропрочных, нержавеющих и инструментальных сталях. Без хрома сталь теряет антикоррозионные свойства. Оптимальное содержание хрома в составе стали — от 12 до 30%. Элементом, который также повышает устойчивость к коррозии, является медь. Она имеет физические свойства, схожие с железом, но отличается большей стойкостью к ржавчине.
Особое место среди легирующих элементов занимает ванадий, так как он повышает прочность и пластичность стали. При добавлении в больших количествах ванадий значительно увеличивает износостойкость, повышает твёрдость и механическую прочность, одновременно улучшая упругость. Он обладает высокой способностью образовывать карбиды и влияет на измельчение зерна стали. В инструментальных сталях ванадий активно связывается с углеродом, повышая устойчивость к износу.
Какие легирующие элементы нежелательны при производстве стали?
Одним из наиболее нежелательных элементов является кремний. Он существенно влияет на твёрдость и упругость стали. Это подходящий компонент для пружинных сталей. Однако он значительно снижает ударную вязкость, хотя и повышает устойчивость к высоким температурам. Это особенно важно для сталей, контактирующих с концентрированной азотной или серной кислотой.
Ещё одним вредным элементом является сера. Она значительно затрудняет ковку и формование стали. Следует также упомянуть фосфор, который уменьшает прочность и ударную вязкость стали, повышая при этом её твёрдость и хрупкость при низких температурах.