Леговані метали: опис, список і особливості застосування

Розвиток ототожнюється з вдосконаленням. Поліпшення промислових і побутових можливостей здійснюється з допомогою використання матеріалів з прогресивними характеристиками. Це, зокрема, леговані метали. Їх різноманітність визначається можливостями корекції кількісного і якісного складу легуючих елементів.

Природно-легована сталь

Перше виплавленное залізо, яке за своїми властивостями відрізнялося від родичів, було природно-легованим. В виплавляемом доісторичному метеоритном залозі містилося підвищену кількість нікелю. Його знаходили у давньоєгипетських похованнях 4-5 тисячоліть до н. е., з такого ж споруджено пам'ятник архітектури Кутаб Мінар у Делі (V століття). Японські булатні мечі виготовлялися із заліза, насиченого молібденом, а дамаська сталь містила вольфрам, характерний для сучасної швидкорізальної. Це були метали, руда для яких добувалася з визначених місць.


Сплави сучасного виробництва можуть містити природні компоненти металевого та неметалевого походження, які відображаються на їх властивостях.

Історичний шлях

Фундамент для розвитку легування був закладений обґрунтуванням тигельного способи плавлення сталі в Європі в XVIII столітті. В більш примітивному варіанті тиглі використовувалися ще в стародавні часи, в тому числі для виплавки булатної і дамаської сталі. На початку 18 століття ця технологія отримала вдосконалення в промислових масштабах і дозволяла коригувати склад і якість вихідного матеріалу.

Одночасне відкриття все нових і нових хімічних елементів, що підштовхувало дослідників на експериментальні досліди виплавки.

Встановлено негативний вплив міді на якість сталі.

Відкрита латунь, що містить 6 % заліза.

Проводилися досліди з точки зору якісного і кількісного впливу на сталевий сплав вольфраму, марганцю, титану, молібдену, кобальту, хрому, платини, нікелю, алюмінію та інших. Перше промислове виробництво сталі, легованої марганцем, налагоджено на початку XIX століття. Воно отримало розвиток з 1856 року в рамках бесемерівського процесу виплавки.

Особливості легування

Сучасні можливості дозволяють виплавляти леговані метали будь-якого складу. Основні принципи розглянутої технології:

Компоненти вважаються легуючими тільки в тому випадку, якщо вони вводяться цілеспрямовано і зміст кожного перевищує 1 %.

Сірка, водень, фосфор рахуються домішками. Як неметалічних включень використовуються бор, азот, кремній, рідко – фосфор.

Об'ємне легування – це введення компонентів у розплавлену субстанцію в рамках металургійного виробництва. Поверхневе являє собою спосіб дифузійного насичення поверхневого шару необхідними хімічними елементами під дією високих температур.

В ході процесу добавки змінюють кристалічну структуру «дочірнього» матеріалу. Вони можуть створювати розчини проникнення або вилучення, а також розміщуватися на межі металевої і неметалевої структур, створюючи механічну суміш зерен. Велику роль тут відіграє ступінь розчинності елементів один в одному.

Легуючі компоненти

Відповідно до загальної класифікації, всі метали поділяються на чорні і кольорові. До чорних відносять залізо, хром і марганець. Кольорові поділяються на легкі (алюміній, магній, калій), важкі (нікель, цинк, мідь), благородні (платина, срібло, золото), тугоплавкі (вольфрам, молібден, ванадій, титан), легкі, рідкісноземельні та радіоактивні. До легуючих металів відноситься значна різноманітність легких, важких, благородних і тугоплавких кольорових, а також всі чорні. Залежно від співвідношення цих елементів і основний массеи сплаву останні поділяються на низьколеговані (3 %), середньолеговані (3-10 %) і високолеговані (більше 10 %).

Леговані сталі

Технологічно процес не викликає складнощів. Асортимент дуже широкий. Основні цілі для сталей наступні:

Підвищення міцності.

Поліпшення результатів термічної обробки.

Збільшення корозійної стійкості, жаростійкості, жароміцності, теплостійкості, стійкості до агресивних умов роботи, терміну служби.

Основні складові – чорні, легуючі і тугоплавкі метали, до яких відносяться Cr, Mn, W, V, Ti, Mo, а також кольорові Al, Ni, Cu. Хром і нікель – головні компоненти, що визначають нержавіючу сталь (Х18Н9Т), а також жароміцну, умови роботи якої характеризуються високими температурами і ударними навантаженнями (15Х5). В кількості до 15% використовуються для підшипників і деталей тертя (15ХФ, ШХ15СГ) Марганець – основна складова зносостійких сталей (110Г13Л). У невеликих кількостях сприяє розкисленню, зниження концентрації фосфору і сірки. Силиций і ванадій – елементи, які в певній кількості підвищують пружність і використовуються для виготовлення пружин і ресор (55С250ХФА). Алюміній застосовують для заліза з великим електричним опором (Х13Ю4). Значний вміст вольфраму характерно для швидкорізальних стійких інструментальних сталей (Р9 Р18К5Ф2). Легированное свердло по металу з такого матеріалу набагато більш продуктивне і стійке до спрацьовування, ніж той же інструмент з вуглецевої сталі.
Леговані сталі увійшли у повсякденне використання. Одночасно відомі так звані сплави з дивовижними властивостями, отримані також методами легування. Так «дерев'яна сталь» містить 1 % хрому і 35 % нікелю, що визначає її високу теплопровідність, характерну для дерева. Алмазна ж включає 15 % вуглецю, 05 % хрому і 5 % вольфраму, що характеризує її як особливо тверду, подібно алмазу.

Легування чавуну

Чавуни відрізняються від сталей значним вмістом вуглецю (від 214 до 667 %), високою твердістю і корозійною стійкістю, проте незначною міцністю. З метою розширення діапазону показових властивостей і сфер застосування, його легують хромом, марганцем, алюмінієм, силицием, нікелем, міддю, вольфрамом, ванадієм. У зв'язку з особливими характеристиками даного железоуглеродистого матеріалу, його легування – більш складний процес, ніж для сталі. Кожен з компонентів впливає на перетворення форм карбону в ньому. Так марганець сприяє формування «правильного» графіту, що підвищує міцність. Введення інших же має наслідком перехід вуглецю у вільний стан, відбілювання чавуну і зниження його механічних властивостей. Технологія ускладнюється невисокою температурою плавлення (в середньому до 1000 ?С), тоді як для більшості легуючих елементів вона значно перевищує цей рівень. Найбільш ефективно для чавунів комплексне легування. Одночасно, слід враховувати підвищення ймовірності ліквації таких виливків, ризику тріщиноутворення, дефектів лиття. Здійснювати технологічний процес більш раціонально в електромагнітних індукційних печах. Обов'язковим послідовним етапом є якісна термообробка. Хромисті чавуни характеризуються високою зносостійкістю, міцністю, жаростійкістю, стійкістю до старіння і корозії (ЧХ3 ЧХ16). Застосовуються у хімічному машинобудуванні і у виробництві металургійного обладнання. Чавуни, леговані кремнієм, відрізняються високою корозійною стійкістю і стійкістю до впливу агресивних хімічних сполук, хоча і задовільними механічними властивостями (ЧС13 ЧС17). Формують деталі хімічної апаратури, трубопроводів і насосів. Прикладом високопродуктивного комплексного легування є жароміцні чавуни. Вони містять у своєму складі чорні та легуючі метали, такі як хром, марганець, нікель. Для них характерна висока стійкість до корозії, зносостійкість і стійкість до високих навантажень в умовах високотемпературних впливів – деталі турбін, насосів, двигунів, апаратури хімічної промисловості (ЧН15Д3Ш, ЧН19Х3Ш). Важливим компонентом є мідь, яка задіяна в комплексі з іншими металами, при цьому підвищує ливарні характеристики сплаву.

Легована мідь

Використовується у чистому вигляді та у складі мідних сплавів, які мають широке розмаїття в залежності від співвідношення основних і легуючих елементів: латуні, бронзи, мельхиори, нельзийбери та інші. Чистий латунь – сплав з цинком – не легується. Якщо в її склад входять легуючі кольорові метали в певній кількості – вона вважається багатокомпонентної. Бронзи – це сплави з іншими металевими складовими, можуть бути олов'яними і не містять олова, легируются у всіх випадках. Поліпшення їх якості здійснюється за допомогою Mn, Fe, Zn, Ni, Sn, Pb, Be, Al, P, Si. Зміст кремнію в мідних з'єднаннях підвищує їх корозійну стійкість, міцність і пружність; олово і свинець – визначають антифрикційні якості і позитивні характеристики щодо оброблюваності різанням; нікель і марганець – складові, так званих, деформівних сплавів, які також позитивно впливають на стійкість до корозії; залізо покращує механічні властивості, а цинк – технологічні. Застосовуються в електротехніці, як основна сировина для виготовлення різноманітних проводів, матеріал для виготовлення відповідальних деталей для хімічного обладнання, в машинобудуванні і приладобудуванні, у трубопроводах і теплообмінниках.

Легування алюмінію

Використовується у вигляді деформованих або ливарних сплавів. Леговані метали його основі являють собою сполуки з міддю, марганцем або магнієм (дуралюмини та інші), останні – з'єднання з силицием, так звані силуміни, при цьому всі їх можливі варіанти легируются з допомогою Cr, Mg, Zn, Co, Cu, Si. Мідь підвищує його пластичність; кремній – плинність і якісні ливарні властивості; хром, марганець, магній – покращують міцність, технологічні властивості оброблюваності тиском і корозійну стійкість. Також в якості легуючих компонентів, що сприяють стійкості до старіння і до агресивних умов роботи, можуть прийматися B, Pb, Zr, Ti, Bi. Залізо – небажаний компонент, проте в невеликих кількостях застосовується для виробництва алюмінієвої фольги. Силуміни використовуються для лиття відповідальних деталей і корпусів в машинобудуванні. Дуралюмини і штампувальні сплави на основі алюмінію – важлива сировина для виготовлення корпусних елементів, у тому числі силових конструкцій, в авіабудуванні, суднобудуванні та машинобудуванні. Леговані метали задіяні у всіх сферах промисловості як ті, які мають підвищені механічні та технологічні характеристики, у порівнянні з вихідним матеріалом. Асортимент легуючих елементів і можливості сучасних технологій дозволяють виготовляти різноманітні модифікації, що розширюють можливості в науці і техніці.