Что такое легирование

Что такое легирование

Легирование - это добавление в состав некоторых материалов примесей, с целью улучшить физические и/или химические свойства основного материала. Главной областью применения легирования является металлургия, однако его применяют и при изготовлении полупроводников, а также некоторых видов стекла и керамики, но обо всём по порядку.

История легирования

Кто именно был первооткрывателем этого процесса, установить сложно. Интересно, что прежде чем самостоятельно добавлять в сталь легирующие элементы, человечество познакомилось с так называемыми природнолегированными сталями.

Откуда они взялись? Всё просто - упали с неба, в самом прямом смысле. Имеется в виду метеоритное железо, которое применялось ещё до начала железного века. Метеоритное железо содержит до 8,5% никеля - одного из активно применяемых сегодня легирующих элементов.

Ещё одна легендарная легированная сталь - булатная сталь и знаменитая дамасская сталь как одна из разновидностей булата. В них одним из основных легирующих элементов выступает углерод.

Если говорить об оружейной стали, то стоит упомянуть и творения японских оружейников: повышенная твёрдость и вязкость изготовленных ими мечей в сочетании с возможностью обеспечить остроту кромки, вероятно, объясняются наличием в стали молибдена.

С активным развитием химии, которое началось примерно в середине 19 века, начали постепенно формироваться взгляды о влиянии различных химических элементов на свойства стали.

Почему прежде технология не применялась целенаправленно? Всё дело в том, что сам процесс традицонного получения стали сложен и некоторые добавки в ходе него просто выгорали.

Целенаправленное легирование

Первым удачным опытом целенаправленного легирования считается изобретение Мюшеттом стали, в составе которой было 1,85% углерода, 9% вольфрама и 2,5% марганца.

Промышленное производство стали Мюшетта началось в 1871 году. Главным образом его легированная сталь шла на изготовление резцов для металлообрабатывающих станков. Кроме этого, эта сталь позднее стала прообразом современной линейки быстрорежущих сталей.

Что касается первой легированной стали массового производства и широкого спектра применения, то ею стала Сталь Гадфильда. Она характеризуется высокой износостойкостью при больших давлениях или ударных нагрузках и пластичностью.

Эту сталь открыл английский металлург Роберт Эббот Гадфильд в далёком 1882 году. Содержание углерода в Стали Гадфильда ниже по сравнению со сталью Мюшетта: 1,0 — 1,5%, тогда как марганца значительно больше - от 12 до 14%, а вольфрама и вовсе нет. Без особых изменений химического состава эту сталь изготавливают и в наши дни.

Сталь Гадфильда, технологию выплавки которой в СССР освоили к 1936 году, идёт на изготовление траков гусениц танков, тракторов, машин, щёки дробилок, рельсовые крестовины, стрелочные переводы, работающие в условиях ударных нагрузок и истирания, а также оконные решётки для мест лишения свободы.

Легирующие элементы

Чаще всего в качестве легирующих добавок при выплавке различных сталей используют следующие металлы:

• хром,
• кремний,
• марганец,
• никель,
• вольфрам,
• ванадий,
• ниобий,
• титан.

Все эти металлы по-разному влияют на конечные свойства получаемого сплава. Кстати, легируют не только сталь, к примеру, небольшие добавки кадмия в медь увеличивают износостойкость проводов, а если добавить цинк в медь и бронзу — это повысит прочность, пластичность и коррозионную стойкость сплава.

Широко применяемые титановые сплавы также легируют: добавление молибдена более чем вдвое повышает температурный предел эксплуатации титанового сплава за счёт изменения кристаллической структуры металла.

Главное назначение легирования:

• повышение прочности стали без применения термической обработки;
• повышение твердости, прочности и ударной вязкости и тем самым увеличения прокаливаемости;
• придание стали специальных свойств, из которых для сталей, идущих на изготовление котлов, турбин и вспомогательного оборудования, особое значение имеют жаропрочность и коррозионная стойкость.