Легирование металлов

Легирование основано на добавлении в металл (например, железо, алюминий, медь) или на его поверхность различных элементов, способных изменить его свойства. Этот метод широко применяется в металлургии для создания сплавов с уникальными характеристиками, которые находят применение разных отраслях промышленности и строительства.

Этапы процесса легирования

1. Выбор элементов. Осуществляется в зависимости от требуемых свойств сплава.
2. Подготовка. Легирующие элементы добавляются в расплавленный металл в определенных пропорциях или наносятся на поверхность готового металлического изделия.
3. Охлаждение и затвердевание. Полученная смесь охлаждается и затвердевает, образуя сплав с новыми свойствами (или покрытие, в случае поверхностного нанесения)

Цели легирования

• Улучшение прочности сплава - металл становится более устойчивым к механическим нагрузкам.
• Повышение коррозионной стойкости - придает металлу устойчивости к воздействию агрессивных сред.
• Улучшение термостойкости - придает устойчивость к высоким температурам.
• Улучшение обрабатываемости - облегчает обработку и формовку металла.

Наиболее распространенные легирующие элементы

Название элемента	Свойство	Применение
Хром (Cr)	Повышает коррозионную стойкость и твердость сплавов.	Широко используется в производстве нержавеющей стали.
Никель (Ni)	Улучшает прочность и коррозионную стойкость.	Используется в производстве жаропрочных сплавов и нержавеющей стали.
Молибден (Mo)	Повышает прочность и термостойкость.	Используется в производстве инструментальных и конструкционных сталей.
Ванадий (V)	Улучшает прочность и износостойкость.	Применяется в производстве высокопрочных сталей.
Титан (Ti)	Повышает прочность и устойчивость к коррозии.	Используется в производстве легких и прочных сплавов для авиационной и космической промышленности.

Типы легирования

Можно выделить два основных типа - объемное и поверхностное легирование.

Объемное легирование

Подразумевает добавление легирующих элементов в расплавленный металл, что позволяет равномерно распределить эти элементы по всему объему материала. Этот приводит к комплексному улучшению свойств металла.

Примеры объемного легирования

• Добавление хрома и никеля в сталь повышает ее устойчивость к коррозии и прочность.
• Введение молибдена способствует повышению термостойкости и прочности металла в условиях высоких температур.
• Использование ванадия для повышения износостойкости и прочности.

Поверхностное легирование

Заключается в нанесении легирующих элементов на металл в виде поверхностного слоя (пленки). Этот метод часто используется для улучшения поверхностных характеристик материала.

Примеры поверхностного легирования

• Ионное - введение ионов легирующих элементов в поверхность металла с помощью ионного пучка.
• Диффузионное - процесс, при котором легирующие элементы диффундируют в поверхность металла при высоких температурах.
• Напыление - нанесение тонкого слоя легирующего материала на поверхность металла с помощью плазменного или лазерного напыления.

Классификация легированных сталей

• По назначению стали
  • Конструкционные - используются для изготовления металлоконструкций, деталей машин, агрегатов и механизмов.
  • Инструментальные - применяются для производства режущего, измерительного и штампового инструмента.
  • Специальные - включают нержавеющие, жаропрочные, коррозионностойкие и другие стали, предназначенные для специфических условий эксплуатации.
• По процентному содержанию легирующих элементов
  • Низколегированные - не превышает 2.5%.
  • Среднелегированные - от 2.5% до 10%.
  • Высоколегированные - превышает 10%.
• По структуре стали
  • Ферритные - низкое содержание углерода и высокое содержание легирующих элементов.
  • Аустенитные - получают путем добавления стабилизирующих элементов, таких как никель, марганец и азот, которые способствуют формированию аустенитной структуры.
  • Мартенситные - получают путем быстрого охлаждения (закалки) аустенитной фазы, что приводит к образованию твердого раствора углерода в железе
  • Бейнитные - в структуре которой преобладает бейнит, представляющий собой ультрадисперсную смесь феррита и карбидов железа. Бейнит образуется в результате промежуточного превращения аустенита при определенных температурах.
• По способу производства
  • Электроплавильные - производятся в электрических печах.
  • Конвертерные - производятся в конвертерах.
• По содержанию углерода
  • Низкоуглеродистые - до 0.25%.
  • Среднеуглеродистые - от 0.25% до 0.6%.
  • Высокоуглеродистые - более 0.6%.

Легирование металлов — это ключевой процесс в металлургии, позволяющий создавать сплавы с уникальными свойствами. Металлы приобретают высокую прочность, коррозионную и термическую стойкость. Это делает их незаменимыми в различных отраслях промышленности.

Понимание принципов легирования и правильный выбор легирующих элементов позволяют создавать материалы, отвечающие самым высоким требованиям современного производства.