Легирующие и сопутствующие элементы в стали.
Ниже описываются влияния, которые оказывают легирующие и сопутствующие элементы на свойства стали.
Алюминий |
Знак: Al |
порядковый номер: 13 структура кристалла куб., fc плотность [кг/м3]: 2.70 точка плавления [°C]: 660 ширина решётки[A]: 4.04 радиус атома [A]: 1.43 E модуль [103 MПa]: 70.5 |
Самый сильный и часто используемый раскисляющий элемент. Как результат, он оказывает положительное влияние на замедление процесса старения. Небольшие добавки улучшают зернистость структуры. Поскольку Al образует очень твёрдые нитриды с азотом, он часто выступает как легирующий элемент в азотистых сталях. Он повышает устойчивость к окалине и часто используется для легирования ферритовых жаропрочных сталей. У нелегированных сталей устойчивость к окалине может быть повышена методом алитирования (внедрения Al в поверхность). Al резко снижает гамма-фазу. Благодаря очевидной способности повышать интенсивность коэрцивного поля, Al является легирующим элементом Fe-Ni-Co-Al магнитных сплавов. |
Мышьяк |
Знак: As |
порядковый номер: 33 структура кристалла: ромб плотность [кг/м3]: 5.72 точка плавления [°C]: 817 ширина решётки[A]: 4.14 радиус атома [A]: 1.39 |
Также снижает гамма-фазу, но является нежелательным элементом, поскольку имеет сильную тенденцию к сегрегации, также как и фосфор. Устранение сегрегации методом дифференцированного отпуска сложней, чем в случае с фосфором. Кроме того, он повышает хрупкость после отпуска, резко снижает прочность и ухудшает свариваемость. |
Бор |
Знак: B |
порядковый номер: 5 структура кристалла: моноклиническая плотность [кг/м3]: 2.34 точка плавления [°C]: 2180 ширина решётки[A]: 8,9/5,06 радиус атома [A]: 0,88 |
Поскольку бор имеет большое сечение для поглощения нейтронов, он используется для легирования сталей из которых изготавливают управляющие устройства и экраны на атомных электростанциях. У аустенитных 18/8 CrNi сталей можно повысить точку текучести и прочность методом осаждения бора, но при этом снижается коррозионноустойчивость. Осаждение при комнатной температуре повышает прочность высокотемпературных аустенитных сталей в широком диапазоне температур. У структурных поверхностно- твёрдых сталей этот элемент улучшает твёрдость материала в середине тоже. У сталей легированных бором наблюдается ухудшение свойств свариваемости. |
Берилий |
Знак: Be |
порядковый номер: 5 структура кристалла: гексагональная плотность [кг/м3]: 1.278 точка плавления [°C]: 1290 ширина решётки[A]: 2,3/3,58 радиус атома [A]: 1.12 E-модуль [103 MПa]: 70,5 |
Очень предсказуемое сокращение гамма-фазы. С Be можно осуществлять отвердение методом осаждения, но при этом снижается прочность. Явно восстанавливающий элемент, очевидное сходство с фосфором. Используется не очень часто, как сопутствующий элемент в сталях.
|
Углерод |
Знак: C |
порядковый номер: 6 структура кристалла: гексагональная плотность [кг/м3]: 3,51 радиус атома [A]: 0,77 E-модуль [103 MПa]: 920
|
Углерод самый важный и влиятельный легирующий элемент. Кроме углерода в любой нелегированной стали содержится кремний, марганец, фосфор и сера, это происходит ненамеренно в процессе производства. Добавка других элементов и повышение содержания марганца и кремния придают особые свойства и превращают сталь в легированную. С повышением содержания C, прочность и твёрдость стали возрастают, но её пластичность, ковкость, свариваемость и возможность обработки (режущими инструментами) снижаются. На коррозийную устойчивость в воде, кислотах и горячих газах углерод, практически не влияет. |
Кальций |
Знак: Ca |
порядковый номер: 20 структура кристалла:krz плотность [кг/м3]: 1,55 точка плавления [°C]: 840 ширина решётки [A]: 5,56 радиус атома [A]: 1,97 E-модуль [103 MПa]: 19,6 |
Совместно с Si используется для восстановления. У теплопроводящих материалов Ca повышает устойчивость к образованию окалины.
|
Церий |
Знак: Ce |
порядковый номер: 58 структура кристалла: гексагональная
|
Оказывает очищающее действие, поскольку явно восстанавливает и выводит фосфор. Часто используется вместе с лантаном, неодимом, празеодимом и другими редкоземельными металлами как часть композиционного металла. У высоколегированных сталях до некоторой степени улучшает свойства горячей штамповки и повышает устойчивость к окалине у жаропрочных сталей. Fe-Ce сплавы с 70 % Ce являются пирофорическими (кремень зажигалки). Также добавляется в сфероидальный графитовый чугун. |
Кобальт |
Знак: Co |
порядковый номер: 27 структура кристалла: гексагональная плотность [кг/м3]: 8,65 точка плавления [°C]: 1495 ширина решётки[A]: 2,51/4,1 радиус атома [A]: 1,25 E-модуль [103 MПa]: 204
|
Он стабилизирует увеличение размера зерна и значительно улучшает эффект отпуска и увеличивает прочность при выс. температурах. Следовательно, часто является легирующим элементом в быстрорежущих сталях, сталях горячей штамповки, материалов, устойчивых к крипу и выс. температурам. Способствует образованию графитов. В больших количествах увеличивает остаточную магнитную индукцию, интенсивность коэрцитивного поля и теплопроводность. Поэтому является основным легир. эл-том в высококачественных магнитных сталях и сплавах. Со формируется под воздействием нейтральной иррадиации, особенно радиоактивных изотопов, по этой причине его добавка в стали для атомных реакторов нежелательна. |
Хром |
Знак: Cr |
порядковый номер: 24 структура кристалла: krz плотность [кг/м3]: 7,19 точка плавления [°C]: 1857 ширина решётки[A]: 2,89 радиус атома [A]: 1,27 E-модуль [103 MПa]: 127
|
Сr придаёт стали маслянистость и способность закаливаться на воздухе. Снижая критическую скорость остывания, необходимую для возникновения мартенситности, он повышает способность закаливаться. Повышает устойчивость к образованию выбоин, но пластичность страдает незначительно. Свариваемость ухудшается у сталей с повышенным содержанием одного только Cr. Предел прочности возрастает на 80 - 100 MПa с увеличением содержания Cr на 1 %. Сr формирует карбиды. Они улучшают износостойкость и прочность краёв. Хром также повышает прочность при высоких температурах и гидрогенизацию при высоком давлении. В то время как повышенное содержание Cr усиливает устойчивость к окалине, как минимум 13% хрома необходимо для придания стали антикоррозийных свойств; он должен быть растворён в матрице. Элемент сокращает гамма-фазу и следовательно увеличивает диапазон ферритовых свойств. Он, тем не менее, стабилизирует аустенитность у аустенитных Cr-Мn и Cr-Ni сталей. Тепло- и электропроводность снижается. Также уменьшается распространение тепла (сплавы для спайки стекла). С одновременным увеличением содержания С, повышение Cr на 3% увеличивает остаточную магнитную индукцию и интенсивность коэрцитивного поля. |
Медь |
Знак: Cu |
порядковый номер: 29 структура кристалла: krz плотность [кг/м3]: 8,96 точка плавления [°C]: 1083 ширина решётки [A]: 3,61 радиус атома [A]: 1,28 E-модуль [103 MПa]: 123 |
Медь добавляют редко, поскольку она концентрируется под слоем окалины и, проникая через границы зерна, вызывает высокую чувствительность поверхности, при процессе горячей штамповки. Поэтому она считается нежелательным элементом в стали. Предел текучести и отношение точки текучести/прочность увеличиваются. Содержание свыше 0.30 % может вызвать осаждение. Способность закаливаться увеличивается. На свариваемость медь не влияет, но придаёт хорошую устойчивость к воздействию окружающей среды. В высоколегированных устойчивых к кислотам сталях содержание Сu более 1% улучшает сопротивляемость гидрохлорной и фосфорной кислотам. |
Водород |
Знак: H |
порядковый номер: 1 структура кристалла: гексагональная плотность [кг/м3]: 0,0899*10-3 точка плавления [°C]: -252,9 ширина решётки[A]: 3,75/6,1 |
Водород - нежелательный элемент, вызывает хрупкость из-за снижения пластичности без увеличения предела прочности и текучести. Он способствует образованию не желаемых чешуек и светлых полос. Атомы водорода во время травления проникает в сталь, образуя ямки. Водород выпаривается при повышенных температурах. |
Магний |
Знак: Mg |
порядковый номер: 12 структура кристалла: гексагональная плотность [кг/м3]: 1,74 точка плавления [°C]: 650 ширина решётки[A]: 3,21/5,2 радиус атома [A]: 1,6 E-модуль [103 MПa]: 44,3 |
Способствует формированию сфероидального графита в чугуне. |
Марганец |
Знак: Mn |
порядковый номер: 25 структура кристалла: кубич., бикуб. плотность [кг/м3]: 7,43 точка плавления [°C]: 1245 ширина решётки[A]: 3,89 радиус атома [A]: 1,26 E-модуль [103 MПa]: 208 |
Марганец восстанавливает. С Серой образует сульфид, снижая тем самым нежелательный эффект сульфида железа. Это важно для быстрорежущих сталей, снижается риск краснохрупкости. Точки АrЗ и Ar1 снижаются при добавке Mn. Он значительно снижает критическую скорость остывания, повышая тем самым закаливание. Предел текучести повышается при легировании Mn, а также это положительно сказывается на ковкости и свариваемости и значительно увеличивает толщину закалённого слоя. Содержание > 4% при медленном охлаждении ведёт к формированию хрупкой мартенситной структуры, поэтому такое количество добавляют редко. Стали с содержанием Mn>12% аустенитные, если содержание углерода тоже высоко, т.к. Mn значительно увеличивает гамма-фазу. Эти стали имеют очень высокую степень самозакаливания при ударных воздействиях на поверхность, при этом металл внутри остаётся вязким. По этой причине они очень высокоустойчивы к ударному износу. Стали с содержанием Mn>18% остаются немагнитными даже после холодной формовки и используются как специальные стали, так же как и стали, сохраняющие прочность при температурах ниже нуля, которые подвергаются низкотемпературному стрессу. Благодаря присутствию Mn коэффициент теплового расширения увеличивается, в то время как тепло- и электропроводность снижаются. |
Молибден |
Знак: Mo |
порядковый номер: 42 структура кристалла: кубич., бикуб. плотность [кг/м3]: 10,22 точка плавления [°C]: 2620 ширина решётки[A]: 3,15 радиус атома [A]: 1,39 E-модуль [103 MПa]: 301 |
Легируют обычно совместно с другими элементами. Снижение критической скорости охлаждения улучшает закаливаемость. Mo значительно уменьшает хрупкость после закаливания, например у CrNi и Mn сталей, способствует формированию мелких зёрен и улучшает свариваемость. Повышает точку предела текучести и прочности. С повышением содержания Mo, снижается ковкость. Ярко выражено образует карбиды, улучшая тем самым режущие свойства быстрорежущей стали. Он относится к элементам, которые повышают устойчивость к коррозии и, поэтому, часто добавляется в высоколегированные Cr стали и аустенитные CrNi стали. Высокое содержание Mo снижает вероятность образования ямок и выбоин. Сильное сокращение аустенитной зоны. Повышенная прочность при высоких температурах, но сниженная устойчивость к образованию окалины. |
Азот |
Знак: N |
порядковый номер: 7 структура кристалла: гексагональная плотность [kg/m3]:1.25*10ˉ³ температура плавления: -195.8С радиус атома[A] : 0.77
|
Может быть как нежелательным, так и легирующим элементом. Нежелательным - ввиду снижения способности закаливания из-за процесса осаждения, что вызывает расположенность к старению и синехрупкости, (деформации в синем диапазоне нагрева, 300 - 350°C), и вероятности возникновения межкристаллического стресса и трещин в не- и низколегированных сплавах. Как легирующий элемент, N увеличивает гамма-фазу и стабилизирует аустенитность структуры. В аустенитных сталях N повышает прочность и предел текучести и улучшает механические свойства при высоких температурах. В результате формирования нитридов, N позволяет получить высокую прочность поверхности. |
Ниобий |
Знак: Nb |
порядковый номер: 41 структура кристалла :кубич., бикуб. плотность [кг/м3]: 8,57 точка плавления [°C]: 2468 ширина решётки[A]: 3,30 радиус атома [A]: 1,46 E-модуль [103 MПa]: 104 |
Ниобий явно образует карбиды, им легируют, чтобы стабилизировать свойства химически устойчивых сталей. Nb формирует ферритовую структуру и, поэтому снижает гамма-фазу. Благодаря тому, что Nb увеличивает прочность и устойчивость к крипу при высоких температурах, им часто легируют аустенитные высокотемпературные стали, из которых изготавливают котлы и бойлеры, а также быстрорежущие стали. |
Никель |
Знак: Ni |
порядковый номер: 28 структура кристалла: кубич., бикубич. плотность [кг/м3]: 8.90 точка плавления [°C]: 1453 ширина решётки [A]: 3.52 радиус атома [A]: 1.24 E-модуль [103 MPa]: 202 |
У структурных сталей значительным образом повышает устойчивость к образованию ямок и выбоин, даже при низких температурах, следовательно им легируют поверхностно-закалённые, горяче- и холоднозакалённые стали для повышения их прочности. Все точки трансформации (A1 - A4) понижаются благодаря Ni; он не образует карбиды. В результате значительного увеличения гамма-фазы, Ni в колличестве >7% придаёт аустенитность структуре химически устойчивых сталей при температурах, значительно ниже комнатной. Ni, сам по себе, делает сталь нержавеющей, даже в высоком соотношении. При температуре более 600° C, аустенитные стали имеют большую высокотемпературную прочность, поскольку их температура рекристаллизации высока, Они практически не намагничиваются. Тепло- и электропроводимость значительно снижены. Стали с высоким содержанием Ni в некотором процентном соотношении имеют особые физические свойства, малую теплопроводность. |
Кислород |
Знак: O |
порядковый номер: 8 структура кристалла: орторомб. плотность [кг/м3]: 1,429*10ˉ³ точка плавления [°C]: - 182,9 ширина решётки [A]: 3.52 радиус атома [A]: 0,66 |
Нежелательный элемент; даёт эффект в зависимости от видов соединений и формы существования. Снижаются механические свойства, такие как устойчивость к образованию выбоин, особенно в поперечном направлении, а повышается тенденция к старению, краснохрупкости, волокнистому излому и отшелушиванию. |
Фосфор |
Знак: P |
порядковый номер: 15 структура кристалла: орторомб. плотность [кг/м3]: 1.83 радиус атома [A]: 1.28 |
Обычно считается нежелательным элементом, P способствует явной первичной сегрегации и затвердеванию расплава и возможности повторной сегрегации в твёрдом состоянии в результате значительного сокращения гамма-фазы. Из-за относительно низкой степени диффузии, как в альфа-так и в гамма кристалле, устранить сегрегацию чрезвычайно сложно. Поскольку невозможно добиться равномерного распределения фосфора, предпринимается попытка сохранить содержание фосфора очень низким, и, у высоколегированных сталей, соответственно, стремиться к верхнему пределу 0.03-0.05%. Степень сегрегации никогда нельзя определить точно. Даже в самых незначительных количествах фосфор повышает тенденцию к хрупкости после закалки. Хрупкость увеличивается ещё больше с повышением содержания С, с повышением температуры закаливания, размера зерна и с уменьшением степени сжатия при ковке. Хрупкость проявляется в растрескивании при низких температурах и при ударе (тенденция к хрупкому излому). В низколегированных сталях с содержанием C 0.1 % фосфор повышает прочность и коррозийную устойчивость атмосферным воздействиям. Для повышения коррозийной устойчивости ещё добавляют Сu (нержавеющие стали). В аустенитных Cr-Ni сталях, добавки P могут вызвать повышение предела текучести и стать причиной осаждения. |
Свинец: |
Знак: Pb |
порядковый номер: 82 структура кристала: kfz плотность [кг/м3]: 11.36 точка плавления [°C]: 327 ширина решётки [A]: 4.95 радиус атома [A]: 1.75 E-модуль[103 MПa]: 16.2 |
Добавляется в режущие инструментальные стали 0.2 -0.5% Pb. Благодаря его очень тонкому распределению, как суспензия, места срезов получаются ровными, стружка тонкая, тем самым облегчается обработка. Но на механические свойства стали свинец практически не влияет. |
Сера |
Знак: S |
порядковый номер: 16 структура кристалла: орторомб. плотность[кг/м3]: 2.07 точка плавления [°C]: 119 радиус атома [A]: 1.27
|
Создаёт самую сильную сегрегацию из всех сопутствующих элементов. Сульфид железа является причиной краснохрупкости или горячехрупкости, поскольку эвтектики низкой точки плавления сульфидов окружают зёрна сеткой, поэтому когезия последних слабая и во время горячих формовочных процессов границы зёрен разрушаются. Это действие усиливает кислород. Поскольку сера очень схожа с марганцем, они объединяются в форме сульфида Mn, это наименее вредное из включений, распределённых в виде точек в стали. Прочность в поперечном направлении значительно снижается из-за S. Серу специально добавляют в сталь (до 0.4 %), поскольку она снижает трение края лезвия о поверхность обрабатываемой детали. Кроме того, при обработке быстрорежущей стали стружка получается тонкой. Сера повышает опасность растрескиваний после сварки. |
Сурьма |
Знак: Sb |
порядковый номер: 51 структура кристалла:ромб. плотность[кг/м3]: 6,62 точка плавления [°C]: 630 ширина решётки: 4,5 радиус атома [A]: 1.59 E-модуль [103 MПa]: 54.9
|
Нежелательный элемент в стали, поскольку всегда сильно снижает прочностные свойства и сокращает гамма-фазу.
|
Селен |
Знак: Se |
порядковый номер: 34 структура кристалла: ромб. плотность[кг/м3]: 4,79 точка плавления [°C]: 221 радиус атома [A]: 1.40 |
Применяется как добавка в быстрорежущие стали, как и сера. Улучшает свойства обрабатываемости ещё лучше. В коррозиестойких сталях снижает устойчивость к коррозии в меньшей степени, чем сера. |
Кремний |
Знак: Si |
порядковый номер: 16 структура кристалла: алмаз плотность [кг/м3]: 2.33 точка плавления [°C]: 1410 радиус атома [A]: 1.32 E-модуль [103Mпа]: 113 |
Si содержится во всех сталях, как и марганец, поскольку он входит в состав железной руды. При литье стали кремний абсорбируется в расплав из отражающей обшивки печи. Но кремнийсодержащими сталями считаются только те, что содержат Si>0.40%. Si является полуметаллом, также как и, например, фосфор и сера. Si вызывает восстановительную реакцию. Он способствует осаждению графитов и значительно снижает гамма-фазу, повышает прочность и износостойкость (Si-Mn стали тепловой обработки); существенно повышает предел эластичности, что делает его полезным при легировании пружинных сталей. Значительно повышает устойчивость к образованию окалины, поэтому им легируют стали с этой целью. Правда его количество не может быть большим, т.к. он отрицательно влияет на горячие и холодные формовочные свойства. 12% Si даёт хорошую защиту от воздействия кислот, но такие литые стали очень твёрдые и хрупкие, обрабатывать их можно только шлифованием. Благодаря значительному снижению электропроводности, интенсивности коэрцитивного поля и низкой потере мощности, Si добавляют в высококачественные электростали. |
Олово |
Знак: Sn |
порядковый номер: 50 структура кристалла: тетрагональная плотность [кг/м3]: 7,30 точка плавления [°C]: 232 ширина решётки: 5,82/3,2 радиус атома [A]: 1,62 E- модуль [103Mпа]: 54,3 |
Нежелательный элемент, подобно Cu аккумулируется под плёнкой окалины, проникает сквозь границы зерен и вызывает растрескивания и хрупкость. Sn является причиной явной сегрегации и сокращает гамма-фазу.
|
Тантал |
Знак: Ta |
порядковый номер: 73 структура кристалла: куб., бикуб. плотность [кг/м3]: 16,6 точка плавления [°C]: 2996 ширина решётки: 3,30 радиус атома [A]: 1,46 E-модуль [103Mпа]: 175 |
Этот элемент возникает совместно с Nb, их очень трудно разделить, поэтому они и используются вместе. Явно образует карбиды, им легируют устойчивые к кислотам стали, он выступает в роли стабилизатора. Он образует ферриты и, следовательно, снижает гамма-фазу. Ta имеет сечение, сильно поглощающее нейтроны; для атомных реакторов может использоваться только сталь с низким содержанием TaNb. |
Теллур |
Знак: Te |
порядковый номер: 52 структуракристалла: ромб плотность [кг/м3]: 6,24 точка плавления [°C]: 450 ширина решётки: 4,45/5,9 радиус атома [A]: 1,60 E-модуль [1 03Mпа]: 41,2 |
Теллур влияет на свойства стали также как селен, его добавляют в быстрорежущие стали также как и серу. Он улучшает свойства обрабатываемости даже ещё лучше. В корроозиоустойчивых сталях снижает коррозиоустойчивость в меньшей степени, чем сера. Содержание до 0.2 % улучшает обрабатываемость. |
Титан |
Знак: Ti |
порядковый номер: 22 структура кристалла: гексагональная плотность [кг/м3]: 4,5 точка плавления [°C]: 1660 ширина решётки: 2,95/4,5 радиус атома [A]: 1,47 Е-модуль [103Mпа]: 106 |
Соединяется с Кислородом, азотом, серой и углеродом, образуя карбид. Используется в сталях как карбид, для стабилизации против межкристаллитной коррозии. Также обладает зерном, стабилизирующем свойства. Ti снижает гамма-фазу. В высокой концентрации, это ведет к процессам осаждения. Ti увеличивает текучесть и прочность на разрыв. Наконец, Ti имеет явную тенденцию к сегрегации. |
Вольфрам |
Знак: W (или T) |
порядковый номер: 74 структура кристалла: кубич, бикуб. плотность [кг/м3]: 19,3 точка плавления [°C]: 3410 ширина решётки: 3,16 радиус атома [A]: 1,39 Е-модуль [103Mпа]: 368 |
Очень явно образует карбиды (очень твёрдые) и сокращает гамма-фазу. Он улучшает твёрдость и препятствует росту зерна. W повышает высокотемпературную прочность, сохраняет степень твёрдости, а также износостойкость при высоких температурах (красная зона нагрева) и, как следствие, улучшает режущие свойства. Поэтому им легируют, в первую очередь, быстрорежущие стали и горячештамповочные стали, а также устойчивые к крипу и сверхтвёрдые стали. Значительно повышает интенсивность коэрцивного поля, поэтому им легируют стали с постоянными магнитными свойствами. W ухудшает устойчивость к образованию окалины. Его специфическое влияние особенно заметно в высоколегированных W горячережущих и горячештамповочных сталях. |
Ванадий |
Знак: V |
порядковый номер: 23 структура кристалла: кубич, бикуб. плотность [кг/м3]: 5,96 точка плавления [°C]: 1890 ширина решётки: 3,03 радиус атома [A]: 1,34 Е-модуль [103Mпа]: 127 |
Очищает первоначальную структуру зёрен и литья. Явно образует карбиды, что приводит к повышению износостойкости, сохранению формы кромки и высокотемпературной прочности. Поэтому, он, в первую очередь, используется, как дополнительный легирующий элемент быстрорежущих, горячештамповочных и сталей, устойчивых к ползучести (крипу). Сохраняет степень закалки, снижает чувствительность к перегреву. Поскольку V очищает зерно и способствует закалке на открытом воздухе (результат образования карбидов), он улучшает свойства свариваемости сталей горячей обработки. Повышенная сопротивляемость воздействию сжатому водороду - также результат образования карбидов. V сокращает гамма-фазу иьперемещает точку Кюри в зону высоких температур. |
Цирконий |
Знак: Zr |
порядковый номер: 40 структура кристалла: гексагональный плотность [кг/м3]: 6,49 точка плавления [°C]: 1852 ширина решётки: 3,25/5,1 радиус атома [A]:1,6 Е-модуль [103Mпа]: 92,2 |
Образует карбиды; используется в металлургии как легирующий элемент для восстановления, денитрации и десульфуризации, поскольку оставляет продукты минимального восстановления позади. Добавка Zr в полностью деоксидированные свободно режущие стали, с содержанием серы, оказывает положительный эффект на образование сульфидов и, следовательно, предотвращает краснохрупкость. Он увеличивает срок службы теплопроводных материалов и способствует сокращению гамма-фазы. |