Легирующие элементы придающие стали теплоемкость

Содержание
  1. Информация о легирующих элементах стали
  2. Алюминий (Al) Температура плавления 658° C
  3. Свинец (Pb) Температура плавления 327.4° C
  4. Бор (B) Температура плавления 2300° C
  5. Хром (Cr) Температура плавления 1857° C
  6. Углерод (C) Температура плавления 3540° C
  7. Медь (Cu) Температура плавления 1084° C
  8. Марганец (Mn) Температура плавления 1221° C
  9. Молибден (Mo) Температура плавления 2622° C
  10. Никель (Ni) Температура плавления 1453° C
  11. Фосфор (P) Температура плавления 44° C
  12. Сера (5) Температура плавления 118 0 С
  13. Кремний (5i) Температура плавления 1414 0 С
  14. Азот (N) Температура плавления –210° C
  15. Титан (Ti) Температура плавления 1680° C
  16. Ванадий (V) Температура плавления 1910° C
  17. Легирующие элементы в жаропрочных сплавах
  18. Принцип повышения жаропрочности сплавов
  19. Выбор легирующих элементов для жаропрочных сплавов
  20. Ферросплавы как наиболее эффективная форма легирования жаропрочных сплавов
  21. Роль легирующих элементов в составе жаропрочных сплавов
  22. Никель
  23. Молибден и вольфрам
  24. Ванадий
  25. Специальные ферросплавы

Информация о легирующих элементах стали

Каждый отдельный элемент придает стали в зависимости от его доли определенные специфические свойства. В случае присутствия нескольких элементов эффект может быть увеличен. Но существуют варианты сплавов, в которых отдельные элементы в отношении определенного поведения оказывают свое влияние не в одном направлении, а могут противодействовать друг другу. Наличие легирующих элементов в стали создает только предпосылку для желаемых свойств; их можно достичь лишь с помощью переработки и тепловой обработки. Ниже перечислены главные виды влияния, которые оказывают на сталь легирующие и сопутствующие элементы.

Алюминий (Al) Температура плавления 658° C

Это наиболее сильное, очень часто применяемое дезоксидационное и, кроме этого, денитрирующее средство; благодаря этому оно очень благоприятно воздействует на нечувствительность к старению. В небольших добавках он поддерживает образование мелких зерен. Поскольку Al образовывает с азотом нитриды высокой твердости, он является преимущественно легирующим элементом в азотированной стали. Он повышает стойкость к окалинам и поэтому часто добавляется в ферритную жаростойкую сталь. В нелегированной углеродной стали можно с помощью „алитирования“ (добавления Al в поверхность) повысить стойкость к окалинам. Al сильно суживает — зону. Из-за сильного повышения коэрцитивной силы алюминий является легирующим элементом в магнитотвердых сплавах железа, никеля, кобальта, алюминия.

Свинец (Pb) Температура плавления 327.4° C

Добавляется в автоматную сталь в содержании прибл. 0.2-0.5%, поскольку благодаря его чрезвычайно тонкому суспензионному распределению достигается образование краткой стружки и чистой поверхности разреза. Указанные содержания свинца практически не влияют на механические свойства стали.

Бор (B) Температура плавления 2300° C

Поскольку бор имеет большое эффективное поперечное сечение для абсорбции нейтронов, им легируют сталь для регуляторов и экранов в установках по атомной энергии. Аустенитная 18/8 CrNi-сталь может с помощью бора благодаря дисперсионному твердению получить более высокий предел текучести при растяжении и прочность, при чем уменьшается антикоррозионная стойкость. Вызванные бором выделения улучшают прочность высокожаропрочных типов аустенитной стали в зоне повышенных температур. В строительной стали этот элемент улучшает глубокую цементацию и вызывает, таким образом, повышения прочности зерна цементируемой стали. Следует рассчитывать на сокращение сварочных работ в легированной бором стали.

Хром (Cr) Температура плавления 1857° C

Cr делает сталь способной к закалке в масле и воздухе. Вследствие понижения необходимой для образования мартензитов критической скорости охлаждения он повышает закаливаемость и улучшает, таким образом, способность к повышению качества. Однако ударная вязкость уменьшается, но сокращает растяжение лишь немного. Свариваемость сокращается в чистой хромовой стали при увеличении содержания хрома. Прочность стали на растяжение повышается на 80-100 н/мм на каждый 1% Cr. Cr является образователем карбида. Его карбиды повышают стойкость к режущим инструментам и износостойкость. Термическая стойкость и стойкость к напорному водороду увеличиваются благодаря хрому. В то время, как увеличение содержания хрома повышает стойкость к окалинам, для антикоррозионной стойкости стали необходимо минимальное содержание хрома прибл. 13%, который должен быть растворен в матрице. Элемент отсекает зону и расширяет, таким образом, ферритную зону; стабилизирует аустенит в аустенитной стали Cr-Mn- или Cr-Ni. Теплопроводимость и электрическая проводимость уменьшаются. Тепловое расширение понижается (сплавы для впаивания в стекло). При одновременно более высоком содержании углерода содержание хрома до 3% повышает остаточный магнетизм и коэрцитивную силу.

Углерод (C) Температура плавления 3540° C

Углерод является наиболее важным и влиятельным легирующим елементом в стали. Наряду с углеродом каждая нелегированная сталь содержит кремний, марганец, фосфор и серу, которые добавляются при изготовлении непреднамеренно. Добавление дальнейших легирующих элементов для достижения особых эффектов, а также сознательное повышение содержания марганца и кремния вызывает образование легированной стали. При увеличении содержания углерода повышаются прочность и твердость стали, напротив его расширение, ковкость и обрабатываемость уменьшаются (режущими инструментами). Углерод практически не влияет на антикоррозионную стойкость к воде, кислотам и горячим газам.

Медь (Cu) Температура плавления 1084° C

Медь добавляется только к небольшому количеству сортов стали, поскольку она обогащается под слоем окалины и вследствие проникновения в пределы ядра вызывает большую нечувствительность поверхности при процессах тепловой деформации, поэтому она рассматривается частично как вредитель для стали. Предел текучести при растяжении и соотношение предела текучести при растяжении и прочности повышаются. Содержание выше 0.30% может вызвать дисперсионное твердение. Закаливаемость улучшается. Медь не влияет на сварочные работы. В нелегированной и слаболегированной стали благодаря меди достигается значительное улучшение стойкости к атмосферным явлениям.

Читайте также:  Миска нержавеющая сталь индия

Марганец (Mn) Температура плавления 1221° C

Марганец дезоксидирует. Он связывает серу как сульфиды марганца и сокращает, таким образом, неблагоприятное влияние сульфида железа. Это имеет особое значение при автоматной стали: опасность красноломкости уменьшается. Марганец очень сильно сокращает скорость охлаждения и, таким образом, повышает закаливаемость. Предел текучести при растяжении, а также прочность благодаря марганцу повышаются, кроме этого, марганец благоприятно влияет на ковкость и свариваемость и сильно увеличивает глубину прокаливемости. Содержание выше 4% вызывают также при медленном охлаждении образование хрупкой мартензитной структуры, так что легирующая зона почти не используется. Сталь с содержанием марганца выше 12% являются при одновременном высоком содержании углерода аустенитной, потому что марганец значительно расширяет зону. Такие виды стали получают при ударной нагрузке поверхности очень высокое холодное упрочнение, в то время, как ядро остается вязким; поэтому они при ударном воздействии имеют высокую износостойкость. Сталь с содержанием марганца выше 18% остаются немагнетизируемыми также после сравнительно сильной холодной обработки давлением и применяется как специальная сталь и как вязкая в холодном состоянии сталь при температурной нагрузке. Под влиянием марганца повышается коэффициент теплового расширения, в то время, как тепловая проводимость и электрическая проводимость понижаются.

Молибден (Mo) Температура плавления 2622° C

Молибден легируют преимущественно вместе с другими элементами. Вследствие сокращения критической скорости охлаждения улучшается закаливаемость. Молибден существенно уменьшает хрупкость отпуска, например, в хромо-никелевой и марганцевой стали, способствует образованию мелкого зерна и благоприятно влияет также на свариваемость. Повышение предела текучести при растяжении и прочности. При высоком содержании молибдена затрудняется ковкость. Сильный образователь карбида; благодаря этому улучшаются режущие свойства быстрорежущей стали. Он принадлежит к тем элементам, которые повышают антикоррозионную стойкость и поэтому часто используется в высоколегированной хромовой стали и аустенитной хромо-никелевой стали; высокое содержание молибдена уменьшает склонность к сквозной коррозии. Очень сильное сужение зоны; повышение теплостойкости, стойкость к окалинам сокращается.

Никель (Ni) Температура плавления 1453° C

Вызывает в строительной стали значительное повышение ударной вязкости образца с надрезом и поэтому легируется для повышения вязкости в цементируемой, улучшенной и вязкой в холодном состоянии стали. Все точки преобразований (A1-A4), понижаются под влиянием никеля; он является образователем карбида. Благодаря сильному расширению зоны никель в химически стойкой стали с содержанием больше 7% придает аустенитную структуру до уровня ниже комнатной температуры. Сам никель с высоким процентным содержанием делает сталь только инертной к коррозии, в аустенитной хромо-никелевой стали создает стойкость к влиянию восстанавливающихся химикатов; стойкость этих видов стали достигается благодаря хрому. Аустенитная сталь имеет при температурах выше 600° C более высокую теплостойкость, поскольку температура её рекристаллизации высокая; она практически не намагничивающаяся. Тепловая проводимость и электрическая проводимость сильно уменьшаются. Высокое содержание никеля в точно ограниченных легирующих зонах создают физическую сталь с определенными физическими свойствами, например, температурное расширение (тип инвар).

Фосфор (P) Температура плавления 44° C

Рассматривается преимущественно как вредитель стали, поскольку фосфор вызывает сильную первичную сегрегацию при затвердении плавки и возможность вторичной сегрегации в твердом состоянии вследствие сильного отсекания зоны. Вследствие сравнительно небольшой скорости диффузии, как и в альфа-, так и в гамма–твёрдом растворе (смешанном кристалле) указанные сегрегации могут с трудом уравновешиваться. Поскольку вряд ли возможно достичь гомогенного распределения фосфора, стремятся удерживать содержание фосфора на очень низком уровне и соответственно в высококачественной стали достигать верхний предел 0.03-0.05%. Размер сегрегации нельзя определить с точностью. Фосфор повышает уже в минимальном содержании чувствительность к хрупкости отпуска. Фосфорная хрупкость увеличивается при увеличении содержания углерода, при увеличении температуры твердения. Размера зерна и при уменьшении степени уковки. Хрупкость появляется как хладноломкость и чувствительность к ударной нагрузке (склонность к хрупкому разрушению). В слаболегированной строительной стали с содержанием углерода прибл. 0.1% фосфор повышает прочность и антикоррозионную стойкость к атмосферным явлениям; медь поддерживает улучшение антикоррозионной стойкости (инертная к коррозии сталь). Добавки фосфора в аустенитную хромо-никелевую сталь вызвать повышение предела текучести при растяжении и эффекты выделения.

Сера (5) Температура плавления 118 С

Из всех примесей в стали даёт самую сильную ликвацию. Сульфид железа приводит к красноломкости, или «горячеломкости». поскольку низкоплавкая сульфидная эвтектика в виде сетки охватывает кристаллиты, так что имеет место низкое сцепление последних, и при горячей деформации преимущественно разрушаются границы зерен; эффект усиливается под действие кислорода. Сера имеет особенно высокое сродство к марганцу, ее связывают в виде сульфида марганца, поскольку из всех присутствующих обычно включений он является наименее опасным, распределен в стали точечно и имеет высокую температуру плавления. Сера в среднем существенно снижает вязкость. Серу намеренно добавляют в сталь автоматной обработки в количестве до 0.4%, поскольку благодаря смазывающему действию на режущую кромку уменьшение трения между заготовкой и инструментом позволяет достичь повышения его стойкости. Кроме того, у
автоматных сталей при обработке резанием образуется короткая стружка. Сера усиливает склонность к образованию сварочных трещин.

Читайте также:  Где найти сталь astroneer

Кремний (5i) Температура плавления 1414 С

Кремний, аналогично марганцу, содержится в любой стали, так как уже железные руды в зависимости от состава вносят его соответствующее количество. Также и собственно при производстве стали кремний из огнеупорной футеровки печи переходит в расплав. Однако кремнистыми называют только такие стали, которые содержат более 0.40% кремния. Кремний не является металлом, но так называемым металлоидом, как, например, фосфор и сера. Кремний раскисляет. Он благоприятствует выпадению графита и сильно сужает гамма-область, повышает
прочность и износостойкость (кремниймарганцовые улучшаемые стали); сильное повышение предела упругости, поэтому целесообразен в качестве легирующей добавки в пружинные стали. Кремний значительно повышает окалиностойкость, так что им легируют жаростойкие стали. Однако вследствие отрицательного влияния на деформацию в горячем и холодном состоянии допустимые содержания ограничиваются. При 12% кремния достигается дополнительная кислотостойкость, однако такие марки могут быть изготовлены только в виде очень твердых и хрупких
отливок, которые могут быть обработаны только шлифованием. Вследствие сильного снижения электропроводности, коэрцитивной силы и активных потерь кремний используется в электротехнических листовых сталях.

Азот (N) Температура плавления –210° C

Этот элемент может проявляться как вредитель для стали, и как легирующий элемент. Вредитель из-за уменьшения вязкости вследствие процессов выделения, увеличения чувствительности к старению и синеломкости (деформация в диапазонах голубой теплоты 300-350° C), а также из-за возможности появления межкристаллитного коррозионного растрескивания в нелегированой и низколегированной стали. В качестве легирующего элемента азот расширяет зону и стабилизирует аустенитную структуру; повышает в аустенитной стали прочность и прежде всего предел текучести при растяжении, а также механические свойства в теплоте. Азот позволяет получить высокую твердость поверхности благодаря образованию нитридов при нитрировании (нитрирование).

Титан (Ti) Температура плавления 1680° C

Благодаря своему высокому химическому сродству с кислородом, серой и углеродом имеет сильное дезоксидирующее действие, сильное денитрирующее действие, серообразующее и сильное карбидобразующее действие. Широко используется в стойкой к коррозии стали в качестве образователя карбида для стабилизации по отношению к межкристаллитной коррозии; имеет, кроме этого, зерноизмельчающие свойства. Tитан очень сильно сужает y-зону. Он в более высоких долях вызывает процессы выделения и благодаря достижению высокой коэрцитивной силы добавляется в магнитотвердые сплавы. Титан повышает длительную прочность благодаря образованию специальных нитридов. Однако титан имеет сильную склонность к сегрегации и образованию строк.

Ванадий (V) Температура плавления 1910° C

Измельчает первичное зерно и, таким образом, структуру литья; сильный образователь карбида, вследствие чего появляется увеличение износостойкости, режущей способности и теплостойкости; поэтому предпочитается использование в качестве дополнительного легирующего элемента в быстрорежущей, теплообрабатываемой и теплостойкой стали. Значительное улучшение твердости после отпуска, уменьшение чувствительности к перегреву. Поскольку ванадий измельчает зерно и вследствие образования карбида тормозит воздушную закалку, он повышает ковкость улучшенной стали. Благодаря образованию карбида повышение стойкости к напорному водороду. Ванадий сужает – зону и перемещает коэффициент Кюри к более высоким температурам.

Источник

Легирующие элементы в жаропрочных сплавах

В статье рассказывается про применение различных легирующих элементов при производстве жаропрочных сталей и сплавов.

Практически все жаропрочные сплавы создаются на металлургических производствах с использованием технологии легирования. Сущность технологии заключается в расширении химического состава и усложнении структуры базовой основы сплава путем введения в него различных легирующих элементов. В конечном итоге сплав приобретает жаропрочность – способность длительное время сохранять механическую прочность и коррозионную стойкость при высоких температурах эксплуатации.

Принцип повышения жаропрочности сплавов

Пластическая деформация и разрушение сплава при интенсивном нагреве объясняется ослаблением и нарушением межатомных связей и диффузной ползучестью материала, краевой дислокацией в структуре кристаллической решетки. Чтобы сделать сплав жаропрочным, необходимо стабилизировать его структуру, предотвратить или свести к минимуму деформационные процессы, протекающие под воздействием высоких температур.

Для решения этих задач сплавы упрочняют легирующими элементами, которые повышают энергию, прочность и стабильность кристаллических связей, замедляют диффузию, оказывая влияние на увеличение размера зерен и упрочнение их границ, препятствуют рекристаллизации. Для наибольшего эффекта легирование выполняется не одним, а несколькими химическими элементами, которые помимо жаропрочности придают сплаву дополнительные технологические свойства.

Выбор легирующих элементов для жаропрочных сплавов

Выбор химических элементов для легирования сплава с целью повышения его жаропрочности определяется свойствами, которые ему необходимо придать. Среди часто применяемых для легирования элементов можно назвать никель (Ni), вольфрам (W), молибден (Mo), ванадий (V), кобальт (Co), ниобий (Nb), титан (Ti). Каждый по-своему влияет на физические и химические характеристики сплава, поэтому, как правило, они вводятся в базовый состав комплексно, в различных комбинациях и пропорциях.

Например, молибден, титан и ниобий являются карбидообразователями. Связывая содержащийся в сплаве углерод в прочные карбиды, они обеспечивают эффективное торможение дислокаций и диффузий, усиливают межатомные связи, способствую формированию более стабильной структуры материала и повышению его жаропрочности. Наличие в сплаве никеля обуславливает его сопротивление к окислению на воздухе, а в комбинации с кобальтом, никель способствует повышению длительной прочности сплава.

Читайте также:  Плотность стали с 240

Ферросплавы как наиболее эффективная форма легирования жаропрочных сплавов

В металлургии для получения разных марок жаростойких сплавов, используют специальные полупродукты на основе железа (Fe), содержащие определенный процент необходимого легирующего элемента – ферросплавы. Вводимые в жидкую субстанцию того или иного металла, ферросплавы, в виде чушек, блоков или гранул, значительно упрощают технологическую схему и сам процесс корректировки химического состава жаростойкого сплава.

Необходимо отметить, что ферросплавами условно называют и те полупродукты, где железо не является базовой основой, а содержится лишь в виде примеси. Сортамент ферросплавов для легирования жаростойких металлов весьма разнообразен. Наиболее важными ферросплавами в современной металлургии являются ферроникель, ферровольфрам, ферромолибден, феррованадий, феррониобий, ферротитан, феррокобальт.

Роль легирующих элементов в составе жаропрочных сплавов

Рисунок 1. Сводная таблица легирующих элеменнтов.

Никель

Никель повышает пластичность, вязкость, теплоемкость сплава, увеличивает его сопротивляемость к образованию трещин и коррозии, улучшает возможности термообработки. В связи с этим ферроникель – один из самых распространенных и востребованных ферросплавов глобальной металлургической отрасли. Мировые стандарты определяют пять марок ферроникеля, содержащего 20-70% никеля, плюс незначительное количество углерода (С), серы (S), фосфора (Р), кремния (Si), хрома (Cr), меди (Cu).

Легированные никелем жаропрочные сплавы, как правило, содержат 8-25% никеля, а некоторые до 35% и более. Однако из-за того, что никель снижает твердость сплава, для легирования его обычно используют не в чистом виде, а в сочетании с железом, хромом, молибденом, титаном, ниобием и другими элементами. В качестве примера можно привести сплавы марок 12Х18Н9Т (Fe – около 61%) и 10Х17Н13МЗТ (Fe – около 67%) с содержанием никеля 8-9,5% и 12-14% соответственно.

Молибден и вольфрам

На физические характеристики сталей и сплавов вольфрам и молибден оказывают схожее влияние, существенно увеличивая предел длительной механической прочности при температурах до 1800°C (в вакууме). Достаточно ввести 0,3-0,5% этих элементов в сплав, чтобы заметно усилить его сопротивление ползучести, укрепить межатомные связи кристаллической решетки, повысить температурный предел рекристаллизации. Для сталеплавильной и литейной промышленности производят легирующие ферросплавы из молибдена и вольфрама с железом: ферромолибден (55-60% Мо) и ферровольфрам (65-85% W).

Для легирования в сплавы обычно вводят относительно небольшое количество молибдена (около 0,2-20%) и вольфрама (до 10-12%), поскольку переизбыток этих элементов способен повысить хрупкость сплава при нагреве. В качестве примера сплава, легированного молибденом и вольфрамом можно привести жаропрочную низколегированную сталь 12Х1МФ (Fe – около 96%) с содержанием Мо 0,25-0,35 процента. В этом же ряду жаропрочная релаксационностойкая сталь 20Х3МВФ (Fe – около 93%) содержащая Мо 0,35-0,55% и W 0,3-0,5%, а также сплав на основе никеля ХН57МТВЮ (Мо 8.5-10%, W 1.5-2.5%, Fe 8-10% и т.п.)

Ванадий

Для легирования в сплавы обычно вводят относительно небольшое количество молибдена (около 0,2-20%) и вольфрама (до 10-12%), поскольку переизбыток этих элементов способен повысить хрупкость сплава при нагреве. В качестве примера сплава, легированного молибденом и вольфрамом можно привести жаропрочную низколегированную сталь 12Х1МФ (Fe – около 96%) с содержанием Мо 0,25-0,35 процента. В этом же ряду жаропрочная релаксационностойкая сталь 20Х3МВФ (Fe – около 93%) содержащая Мо 0,35-0,55% и W 0,3-0,5%, а также сплав на основе никеля ХН57МТВЮ (Мо 8.5-10%, W 1.5-2.5%, Fe 8-10% и т.п.)

С целью повышения характеристик по жаропрочности, состав легирующих элементов усложняется, часто вместе с ванадием в сплав вводятся молибден, хром, никель и т.п. Показательным примером такой технологии легирования может служить жаропрочный сплав на основе железа марки 12Х2МФСР (Fe – около 95%) с содержанием V 0,2-0,35%, Мо 0,5-0,7%, Cr 1,6-1,9%, Ni до 0,25% и т.д. Еще один пример мультилегирования сплава с применением ванадия – жаропрочная сталь 15Х2М2ФБС, включающая в себя V 0,25-0,4%, Мо 1,2-1,5 %, Cr 1,8-2,3%, Ni до 0,3% и т.д.

Специальные ферросплавы

Все используемые в литейном производстве жаропрочных сплавов ферросплавы условно делятся на две группы: первая — ферросплавы массового применения, вторая — специальные ферросплавы. Ко второй группе относятся соединения железа с титаном, кобальтом, ниобием и рядом других элементов. Специальные ферросплавы применяют в небольших пропорциях 4–6%, и не только для повышения рабочей температуры жаропрочных сплавов, но для придания им особых свойств.

Например, феррониобий применяется для легирования жаропрочных хромоникелевых сталей, поскольку ниобий эффективно препятствует межкристаллитной коррозии, разрушающей границы зерна и ведущей к потере прочности материала. В свою очередь ферротитан вводится в жаропрочные сплавы для усиления общих антикоррозийных характеристик. Кроме того, титан улучшает свариваемость нержавеющих сталей. Легирование жаропрочных сплавов феррокобальтом позитивно сказывается на их релаксационной стойкости, особенно это касается хромистых сталей.

телефоны:
8 (800) 200-52-75
(495) 366-00-24
(495) 504-95-54
(495) 642-41-95

Источник