Легирующие элементы специальных сталей
Легирующие компоненты обычно делятся на карбидные, аустенитные и ферритообразующие элементы. Кроме того, необходимо учитывать цель, для которой они добавляются в сталь. В зависимости от содержания, каждый легирующий элемент придает стали определенные свойства. При наличии нескольких элементов эффект может быть усилен, что в полной мере используется в современной технологии легирования. Однако существуют композиции сплавов, в которых отдельные элементы не оказывают влияния на определенные свойства в одном направлении, а скорее противодействуют друг другу.
Присутствие легирующих элементов лишь создает предпосылку для желаемых свойств, но именно операции обработки и термической обработки позволяют их достичь. Ниже будут описаны основные влияния легирующих компонентов и микроэлементов на сталь.
Алюминий-Al
Алюминий является самым сильным и наиболее часто используемым раскислителем и дентирующим агентом. Поэтому он оказывает благоприятное воздействие на интенсивность старения и способствует образованию мелкого зерна, если добавляется в небольших количествах.
Поскольку алюминий в сочетании с азотом образует очень твердые карбиды, он используется в качестве легирующего компонента в большинстве азотируемых сталей.
Он повышает устойчивость к скалыванию и поэтому часто добавляется в ферритные жаропрочные стали. В нелегированных углеродистых сталях алтизация (диффузия алюминия в поверхность) улучшает сопротивление скалыванию. Алюминий значительно сужает гамма-диапазон. Благодаря своей способности увеличивать коэрцитивную силу, алюминий используется в качестве легирующего компонента в сплавах ирин-никель-кобальт-алюминий для постоянных магнитов.
Сурьма-Sb
Сурьма оказывает вредное воздействие на сталь. Она значительно снижает вязкость и сужает гамма-диапазон.
Мышьяк-As
Мышьяк также сужает гамма-диапазон и оказывает вредное воздействие на сталь, поскольку проявляет сильную тенденцию к сегрегации, подобно фосфору. Устранение сегрегаций путем гомогенизации, однако, еще сложнее, чем в случае фосфора. Кроме того, это увеличивает отпускную хрупкость, значительно снижает вязкость и влияет на свариваемость.
Бериллий-Бе
Бериллий значительно сужает гамма-диапазон. Добавление Be вызывает осадочную закалку, что, однако, влечет за собой снижение вязкости. Он обладает сильным раскисляющим действием и большим сродством к сере: до сих пор он очень редко использовался в сталях.
Boron-B
Поскольку бор имеет большое сечение поглощения нейтронов, его обычно добавляют в стали, предназначенные для изготовления контроллеров и экранов для атомных электростанций. В аустенитных сталях 18/8CrNi добавление бора повышает их прочность и предел текучести за счет осадкового упрочнения, но в то же время снижает коррозионную стойкость. Осадки, вызванные бором, улучшают механические свойства аустенитных сталей, сопротивляющихся ползучести при повышенных температурах. В конструкционных сталях этот элемент улучшает сквозное упрочнение и, таким образом, влечет за собой увеличение прочности сердцевины закаливаемых сталей. В сталях, легированных бором, следует ожидать снижения свариваемости.
Кальций-Ca
Кальций используется вместе с Si в форме силикокальция для раскисления. Он повышает стойкость к образованию накипи в материалах нагревательных проводников.
Углерод-C
Углерод неотделим от стали и поэтому обычно не определяется как легирующий компонент. Углерод является наиболее важным элементом для большинства сталей и оказывает самое сильное влияние на их свойства. В нелегированных и легированных сталях свойства могут изменяться в широком диапазоне за счет различного содержания углерода (от нескольких сотых долей до двух процентов) и подходящей термической обработки. Прочность и прокаливаемость повышаются с увеличением содержания углерода, в то время как показатели удлинения, формовочные свойства, свариваемость и обрабатываемость снижаются.
Церий-Ce
Обычно используется вместе с лантаном, неодимом, празеодимом и другими редкоземельными металлами в качестве "мишметалла". Он обладает очищающим эффектом, поскольку является сильным раскислителем и способствует десульфуризации. В высоколегированной стали он оказывает благоприятное влияние на свойства горячей штамповки, а в жаропрочных сталях повышает стойкость к образованию окалины. Сплавы Fe-Ce, содержащие около 70% Ce, являются пирофорными (искровыми металлами). Церий также используется в качестве добавки к чугуну с шаровидным графитом.
Хром-Cr
Хром делает сталь закаливаемой в масле и на воздухе. Снижая критическую скорость охлаждения, необходимую для образования мартенсита, он повышает прокаливаемость и тем самым улучшает свойства при термообработке, но в то же время снижает ударную вязкость. Хром является сильным карбидообразователем. Его карбиды повышают свойство удержания кромок и износостойкость. Высокотемпературная прочность и стойкость к воздействию водорода под высоким давлением улучшаются благодаря добавлению хрома. Устойчивость к образованию окалины увеличивается с ростом содержания Cr, при этом для придания стали стойкости требуется минимальное содержание примерно 1 3% Cr, растворенного в матрице.
