Legering ( tyska legieren "att legera " från latin ligare "binda") är tillsatsen av föroreningar till materialsammansättningen för att ändra (förbättra) de fysikaliska och/eller kemiska egenskaperna hos basmaterialet. Legering är ett generaliserande begrepp för ett antal tekniska förfaranden; volumetrisk (metallurgisk) och ytlegering (jonisk, diffus, etc.) särskiljs.
Olika industrier använder olika legeringstekniker.
Inom metallurgi utförs legering huvudsakligen genom att tillföra ytterligare ämnen i smältan eller laddningen (till exempel i stål - krom , nickel , molybden ), som förbättrar legeringens mekaniska , fysikaliska och kemiska egenskaper. Olika typer av ytlegering används också för att förändra olika egenskaper (ökning i hårdhet, slitstyrka, korrosionsbeständighet, etc.) hos det ytnära lagret av metaller och legeringar. Legering utförs i olika stadier för att erhålla ett metalliskt material för att förbättra kvaliteten på metallurgiska produkter och metallprodukter.
Vid tillverkning av speciella typer av glas och keramik utförs ofta ytlegering. Till skillnad från sputtering och andra typer av beläggning diffunderar de tillsatta ämnena in i det legerade materialet och blir en del av dess struktur.
Vid tillverkning av halvledarenheter hänvisar dopning till införandet av små mängder föroreningar eller strukturella defekter för att kontrollerbart ändra de elektriska egenskaperna hos halvledaren , i synnerhet dess typ av konduktivitet.
Legering har blivit målmedvetet använt relativt nyligen. Detta berodde delvis på tekniska svårigheter. Legeringstillsatserna brändes helt enkelt ut när man använder den traditionella ståltillverkningstekniken.
Det är anmärkningsvärt att de första stålen som människor träffade var naturligt legerade stål. Redan före början av järnåldern användes meteoriskt järn som innehöll upp till 8,5 % nickel [1] .
Naturligt legerade stål tillverkade av malmer som ursprungligen var rika på legeringselement var också högt värderade [2] . Den ökade hårdheten och segheten hos japanska svärd , med förmågan att ge en skarp egg, kan bero på närvaron av molybden i stålet [3] .
Moderna synpunkter på olika kemiska grundämnens inverkan på stålets egenskaper började ta form i och med kemins utveckling under andra kvartalet av 1800-talet [3] .
En av de första metallurgerna som påbörjade en systematisk studie av olika grundämnens inverkan på stål var den ryske gruvingenjören Pavel Petrovich Anosov . När han undersökte inverkan av tillsatser av olika grundämnen på stål (guld, platina , mangan , krom , aluminium , titan , etc.), var han den första som bevisade att stålets fysikalisk-kemiska och mekaniska egenskaper kan ändras och förbättras avsevärt genom att lägga till några legeringselement [4] .
Uppenbarligen kan uppfinningen 1858 av Muschette av stål innehållande 1,85% kol , 9% volfram och 2,5% mangan anses vara den första framgångsrika användningen av riktad legering . Stålet var avsett för tillverkning av fräsar för verktygsmaskiner och var prototypen på den moderna linjen av höghastighetsstål . Industriell produktion av dessa stål började 1871.
Det är allmänt accepterat att det första masstillverkade legerade stålet var Hadfield Steel , upptäckt av den engelske metallurgen Robert Abbott Hadfield 1882 [3] . Stål innehåller 1,0 - 1,5% kol och 12 - 14% mangan, har goda gjutegenskaper och slitstyrka . Utan några betydande förändringar i den kemiska sammansättningen har detta stål bevarats till denna dag.
För att förbättra de fysikaliska, kemiska, styrka och tekniska egenskaperna legeras metaller genom att införa olika legeringselement i deras sammansättning. Krom, mangan, nickel, volfram , vanadin , niob , titan och andra element används för att legera stål . Små tillsatser av kadmium till koppar ökar slitstyrkan hos trådar, zinktillsatser till koppar och brons ökar styrkan, duktiliteten och korrosionsbeständigheten. Legering av titan med molybden mer än fördubblar temperaturgränsen för driften av titanlegeringen på grund av en förändring i metallens kristallstruktur. [5]
Legerade metaller kan innehålla ett eller flera legeringselement som ger dem speciella egenskaper.
Legeringselement införs i stål för att öka dess strukturella styrka. Den huvudsakliga strukturella komponenten i konstruktionsstål är ferrit , som upptar minst 90 volymprocent i strukturen [6] . Upplösning i ferrit, legeringselement stärker den. Hårdheten hos ferrit (i tillståndet efter normalisering) ökas kraftigast av kisel, mangan och nickel. Molybden, volfram och krom har mindre effekt. De flesta legeringselement, som stärker ferrit och har liten effekt på duktiliteten , minskar dess seghet (med undantag för nickel). Huvudsyftet med dopning:
Legeringsämnen kan lösas upp i ferrit eller austenit, bilda karbider , ge intermetalliska föreningar, lokaliseras i form av inneslutningar utan att interagera med ferrit och austenit, samt med kol. Beroende på hur legeringselementet interagerar med järn eller kol påverkar det stålets egenskaper på olika sätt. Alla grundämnen löses i större eller mindre utsträckning i ferrit. Upplösning av legeringselement i ferrit leder till härdning av stål utan värmebehandling. I detta fall ökar hårdheten och draghållfastheten, och slaghållfastheten minskar vanligtvis. Alla grundämnen som löses upp i järn förändrar stabiliteten hos ferrit och austenit. De kritiska punkterna för legerade stål skiftar beroende på vilka legeringselement och i vilka mängder som finns i det. Därför, när du väljer temperaturer för härdning , normalisering och glödgning eller anlöpning , är det nödvändigt att ta hänsyn till förskjutningen av kritiska punkter.
Mangan och kisel introduceras under ståltillverkningsprocessen för deoxidation , de är tekniska föroreningar. Mangan införs i stål upp till 2 %. Det är fördelat mellan ferrit och cementit. Mangan ökar märkbart sträckgränsen, kallsprödhetströskeln och härdbarheten hos stål, men gör stålet känsligt för överhettning. I detta avseende införs karbidbildande element i stål för att mala korn med mangan. Eftersom innehållet av mangan är ungefär detsamma i alla stål, förblir dess effekt på stål med olika sammansättning omärklig. Mangan ökar hållfastheten utan att minska stålets formbarhet.
Alternativ version av ovan:
Mangan och kisel är ständiga följeslagare i nästan alla stål, eftersom de introduceras speciellt under dess tillverkning. Kisel, tillsammans med mangan och aluminium , är den huvudsakliga ståldeoxidatorn . Mangan används också för att "binda" svavlet i stålet och eliminera fenomenet med röd sprödhet . Innehållet av grundämnen är vanligtvis i intervallet 0,30 - 0,70 % Mn, 0,17-0,37 % Si och ca 0,03 % Al. Inom dessa gränser kallas de tekniska föroreningar och är inte legeringselement. Den speciella introduktionen av mangan, kisel och aluminium över de angivna intervallen för att ge stålet vissa konsumentegenskaper kommer redan att vara en legering [7] .
Kisel är inte ett karbidbildande element, och dess mängd i stål är begränsad till 2 %. Det ökar avsevärt sträckgränsen och hållfastheten hos stål och, vid en halt på mer än 1%, minskar segheten, duktiliteten och ökar kallsprödhetströskeln . Kisel är inte strukturellt detekterbart, eftersom det är helt lösligt i ferrit , förutom den del av kisel som inte hann flyta in i slaggen i form av kiseloxid och blev kvar i metallen i form av silikatinslutningar.
Varumärket av högkvalitativt legerat stål i Ryssland består av en kombination av bokstäver och siffror som indikerar dess kemiska sammansättning. Legeringselement har följande beteckningar: krom (X), nickel (H), mangan (G), kisel (C), molybden (M), volfram (B), titan (T), tantal (Ta), aluminium (U) ), vanadin (F), koppar (D), bor (R), kobolt (K), niob (B), zirkonium (C), selen (E), sällsynta jordartsmetaller (H). Siffrorna efter bokstaven anger innehållet av legeringselementet i procent. Om siffrorna inte anges, innehåller legeringselementet 0,8-1,5%, med undantag av molybden och vanadin (vars innehåll i stål vanligtvis är upp till 0,2-0,3%), samt bor (i stål med bokstaven P bör vara upp till 0,010 %). I högkvalitativa konstruktionslegerade stål visar de två första siffrorna kolhalten i hundradelar av en procent [8] .
Exempel: 03Kh16N15M3B - höglegerat kvalitetsstål, som innehåller 0,03 % C, 16 % Cr, 15 % Ni, upp till 3 % Mo, upp till 1 % NbSeparata grupper av stål betecknas något annorlunda:
| Järnmetallurgi | ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Allmänna begrepp Svarta metaller Legering Järn- och stålverk Metallurgiskt komplex Historien om produktion och användning av järn | ||||||||||||
| Kärnprocesser _ |
| |||||||||||
| Huvudenheter _ |
| |||||||||||
| Huvudprodukter och material |
| |||||||||||