Легирование стали

Сталь - экологически безвредный материал. Он может быть на 100 % использован по­вторно путем переплава (стопроцентная утилизация). Желательные свойства стали достигаются путем введения в железо в период выплавки других элементов. Эта операция по­лучила название легирования (от немецкого слова legieren - сплавлять металлы), а вводимые элементы называются легирую­щими элементами (ЛЭ).

Под легирующими понимают элементы, вводимые в сталь для целенаправленного изменения ее свойств, то есть ЛЭ:

1. Изменяют температуру фазовых превращений железа. По этому признаку ЛЭ делятся:

- элементы, расширяющие температурную область g-Fe (Ni, Co, Mn, C, N₂). Ni, Co, Mn - не ограничено растворяются в g-Fe; C, N₂ - образуют область ограниченной растворимости;

- элементы, расширяющие температурную область a-Fe (Si, Al, P, Cr, V, Mo, W). Si вводится в сталь для получения однородных ферритных структур. Действие хрома отличается от этой картины. При хроме менее 13% он действует как аустенитообразующий элемент. При хроме более 13% - выступает как типичный ферритообразующий элемент (Х18Н9).

2. Влияние на процессы дисперсионного твердения - может протекать по двум направлениям:

- за счет образования карбидов или нитридов, то есть за счет образования неметаллических включений. К карбидо- и нитридообразующим элементам относятся Cr, V, Nb, W, Ti, Zr. Их введение преследует цель образования карбидов или нитридов, которые в дисперсном состоянии упрочняют металл;

- за счет образования интерметаллидных фаз с железом. Склонность к образованию интерметаллидных фаз в безуглеродистой стали проявляют W, Mo, Ti.

Легирующими могут быть как элементы, не встречающиеся в обычной стали, так и элементы, которые в каких-то количествах содержатся во всякой стали (С, Mn, Si, S, P).

По степени растворения в железе ЛЭ делятся на группы:

1. Металлы полностью растворимые в железе (Al, Ce, Mn, Cr, Ni, V, Cu, Si, Ti, Be).

2. Металлы частично растворимые в железе (W, Mo, Zr).

3. Металлы, растворимость которых при температуре сталеварения точно не установлена, т.к. они при высоких температурах испаряются (Ca, Cd, Li, Mg, Na).

4. Металлы, практически не растворимые в железе (Pb, Ag, Bi).

5. Неметаллы, частично растворимые в железе (С, S, P, N, As).

Ряд легирующих элементов образует в железе растворы близкие к идеальным (Mn, Co, Ni, Cr, Mo, Al), из которых только Со и Mn действительно образуют практически идеальные растворы; при образовании остальных приходится учитывать теплоту смешения.

Легирующие добавки вводятся в металл в небольших количествах, и они образуют с железом растворы, которые можно считать "бесконечно разбавленными".

На практике сталь часто легируется не одним элементом, а несколькими. При определении технологии легирования принимается во внимание степень сродства ЛЭ к кислороду. Такие элементы как Мо, Сu, Со, Ni имеют сродство к кислороду меньше, чем железо, во время плавки они не окисляются и поэтому вводятся в металл вместе с шихтовыми материалами или по ходу плавки без опасения получить значительный их угар.

Другая группа элементов (Ti, V, Cr, Si, Mn, Al) имеет сродство к кислороду более высокое, чем железо. Эти элементы под воздействием кислорода газовой фазы, окислов железа шлака и кислорода, растворенного в металле, окисляются. Поэтому их вводят в металл в конце плавки или часто в ковш с предварительно раскисленным металлом. Кроме того, принимаются специальные меры по предотвращению окисления металла при разливке (закрытые струи, защита струи подачей инертного газа и др.).

ЛЭ вводят в металл в виде чистых материалов (бруски никеля, алюминия, куски серы, графитовый порошок и т.д.) или в виде сплавов с железом (ферромарганец, ферросилиций, феррованадий и т.п.). Усвоение элемента, вводимого в виде сплава с железом, несколько выше. Однако приходится учитывать, что при этом увеличивается масса холодных материалов вводимых в металл. Металл, в который вводится большая масса легирующих добавок, приходится перегревать, а это не всегда желательно (повышается содержание газов в металле, снижается стойкость футеровки, повышается расход электроэнергии, топлива).

Кроме указанных выше способов, легированные добавки вводят в виде соединений (оксидов, карбидов, нитридов). Так, например, при производстве стали, содержащей ванадий, для легирования используют шлак, содержащий оксиды ванадия и т.д.

ЛЭ − дорогие примеси, следовательно, их нужно экономить. Однако производство легированной стали экономически оправдано получением особых ее свойств и соответственно, уменьшением массы металлических конструкций, повышением их долговечности и надежности. Учитывая высокую стоимость легированной стали, все мероприятия, связанные со снижением расхода легирующих добавок дают значительный экономический эффект. К таким мероприятиям относятся: использование отходы легированных сталей и совершенствование методов их ввода в жидкую сталь.