Как ферросплавы влияют на свойства легируемых сталей

Сталь представляет собой сплав железа с углеродом, который призван повысить прочностные характеристики металла. Однако такой состав не обеспечивает материалу достаточную механическую прочность и не позволяет использовать его в конструкциях, испытывающих высокие нагрузки. Кроме того, углеродистая сталь подвержена коррозии (особенно в условиях высокой влажности или агрессивной среды), имеет минимальную устойчивость к резким перепадам температур и не может быть адаптирована для определенных условий эксплуатации.

Вот почему сталь подвергают легированию. Речь идет о процессе добавления определенных химических элементов в металл с целью изменения его свойств и улучшения характеристик. Для этих целей используют ферросплавы: никелевый порошок, металлический хром, силикокальций и прочие.

Что дает легирование стали?

Легирование стали призвано:

1. Повысить механические характеристики материала, в том числе прочность, твердость и устойчивость к износу. Это особенно актуально в областях, где требуется высокая надежность и долговечность (например, для производства тяжеловесных конструкций и автомобилей).
2. Повысить коррозийную стойкость стали. Способность противостоять ржавчине – одно из основных требований к материалам, используемых в строительстве, судостроении и нефтегазовой промышленности (т.е. там, где они подвергаются регулярному воздействию агрессивных сред).
3. Расширить область применения стали. Так, добавление ферросплава позволяет придать металлу магнитные или термические свойства, востребованные в электронике или энергетике.
4. Повысить производственную эффективность. Легированная сталь имеет более высокую степень чистоты и однородности, что положительно сказывается на качестве готовых изделий. Это также позволяет снизить количество брака и снизить издержки на повторную обработку материалов.
5. Сократить негативное влияние на окружающую среду. Это обусловлено тем, что для создания более качественного материала требуется гораздо меньше легированной стали.

Кроме всего прочего, легирование стали с помощью ферросплавов – один из самых простых способов довести ее химический состав до показателей, предусмотренных действующим ГОСТом.

Как легирующие элементы влияют на свойства сталей?

Сегодня рынок предлагает свыше 100 ферросплавов, каждый из которых обладает определенными свойствами. Вот почему сделать выбор между ними бывает крайне трудно – для этого стоит заранее разобраться, как легирующие элементы влияют на сталь, и понять, какие характеристики необходимо получить в результате.

Рассмотрим влияние легирующих элементов на свойства стали:

1. Повышение прочности и твердости. Легирование стали такими элементами, как молибден и ванадий, позволяет сделать металл устойчивым к различным нагрузкам, истиранию, механическим повреждениям и другим негативным воздействиям. Это продлевает срок службы материала и позволяет использовать его в более тяжелых условиях.
2. Повышение коррозионной стойкости. Легирование при помощи хрома и никеля создает на поверхности стали защитную пленку, которая предотвращает контакт металла с окружающей средой и уменьшает риск образования коррозии. Это делает возможным эксплуатацию материала в условиях высокой влажности, агрессивной среды или химических реакций.
3. Улучшение свариваемости. Легирование вольфрамом и молибденом делает металл устойчивым к деформациям в процессе сварки проволокой, повышает стабильность дуги и предотвращает возникновение дефектов шва (трещин и пор). Это позволяет более эффективно использовать сталь в производственных процессах.
4. Повышение термической стойкости. Некоторые легирующие элементы (например, хром и никель) повышают способность стали сохранять свои физико-химические свойства даже под влиянием высоких температур. Это особенно актуально в судостроении или энергетике (в том числе, при изготовлении котлов и турбин).
5. Получение новых характеристик. Так, никель влияет на магнитные свойства стали, а добавление кремния улучшает ее электрическую проводимость.

Это лишь несколько примеров того, как легирующие элементы влияют на свойства стали. Итоговые свойства металла зависят от выбора конкретного ферросплава и концентрации химического элемента.

Таблица ниже более точно отражает влияние легирующих элементов на свойства легированной стали.

Классификация и виды легированных сталей

Поскольку добавление химических элементов в состав стали придает ей определенные физико-химические характеристики, стоит поговорить о классификации подобных материалов.

Первое, на что обращают внимание – основной легирующий элемент. Исходя из этого, выделяют бронзированные, никелевые, хромистые, ванадиевые и другие виды сталей. При этом от процентного содержания примесей зависит степень легирования:

• при 2,5% и менее – низколегированная сталь;
• при 2,5-10% – среднелегированная сталь;
• при 10% и более – высоколегированная сталь.

Также учитывают режим термообработки, при котором проходит легирование. Это сказывается на структуре кристаллической решетки и позволяет выделить следующие виды стали (после охлаждения на воздухе):

1. Перлитные. Включают в себя низколегированные стали со средним содержанием углерода (например, конструкционные).
2. Мартенситные. Включают в себя среднелегированные и среднеуглеродистые стали (например, инструментальные). При охлаждении в решетке образуются кубические ячейки, а результате чего металл получает «память» и способность частично восстанавливаться при деформации.
3. Аустенитные. Включают в себя высоколегированные стали. Содержат большое количество хрома, никеля и марганца, а потому обладают устойчивостью к коррозии, жаростойкостью и пластичностью. /p>
4. Ферритные. Включают в себя стали, легированные хромом и кремнием. Не могут похвастать высокой механической прочностью и относятся к материалам с особыми физическими или химическими свойствами (например, магнитными).

В отдельных случаях кристаллическая решетка состоит из двух фаз (например, аустенит и феррит). В этом случае требуется внесение дополнительных присадок и температурная обработка.

В зависимости от оказываемого влияния легированных элементов на свойства сталей, выделяют металлы:

• нормальной и повышенной прочности;
• жаропрочные и хладостойкие;
• устойчивые к коррозии (в том числе, атмосферной и в морской воде);
• упрочняемые дополнительной обработкой (термической или термохимической).

Наконец, легированные стали классифицируют по их назначению:

• строительные – применяются для изготовления сварных конструкций;
• машиностроительные – используются для создания корпусов, деталей и механизмов;
• инструментальные – предназначены для изготовления пружин, крепежа и прочих элементов.

Таким образом, углеродистая сталь может стать основой для создания материалов с нужными физико-химическими свойствами. Поскольку содержание «естественных» примесей является незначительным, требуется использование специальных присадок. При этом выбор ферросплава зависит от того, как легирующие элементы влияют на прокаливаемость, коррозийную стойкость и другие характеристики стали.