Знание - Sanxin

Легиращи елементи в стомана

 

I. Укрепване на матричните елементи

 

1. Манган (Mn)

Укрепващият ефект на мангана върху стоманата зависи от концентрацията:

Диапазон с ниско съдържание (конвенционално добавяне): Чрез механизма на укрепване чрез атомен твърд разтвор, той се вгражда във феритната решетка, причинявайки деформация, значително повишавайки якостта и твърдостта на стоманата и подобрявайки износоустойчивостта, правейки стоманата по-издръжлива при механично напрежение и условия на триене (като зъбни колела и части от валове); намалява критичната скорост на охлаждане, разширявайки диапазона на закаляемост на стоманата, позволявайки по-големи площи на напречното сечение за получаване на мартензитна структура по време на закаляване и оптимизирайки еднородността на механичните свойства; малко количество манган може също леко да регулира нискотемпературната жилавост на стоманата, облекчавайки склонността на чистата феритна стомана към нискотемпературно крехкост, отговаряйки на изискванията за експлоатация в студени среди.

Високо съдържание на манган (специално легиране): Като силен аустенитизиращ елемент, той може да стабилизира аустенитната структура в стоманата, осигурявайки основа за разработване на аустенитни стомани с високо съдържание на манган (като износоустойчива немагнитна стомана). Тези стомани, поради своята аустенитна структура, която съчетава висока якост със специални физични свойства (немагнетизъм), имат уникални приложения в строителните машини и магнитните екраниращи полета.

 

2. Силиций (Si)

Силицият е укрепващ елемент за ферита:

Разтваря се във ферит под формата на твърд разтвор, като значително повишава якостта и твърдостта. В нисколегираните конструкционни стомани, когато се комбинира с манган, може да образува „силициево-манганова укрепваща система“, балансирайки якостта и цената. Намалява критичната скорост на охлаждане и помага за регулиране на закаляемостта на стоманата. Играе ключова роля в пружинната стомана и силициевата стомана - пружинната стомана използва силиций за увеличаване на границата на еластичност, докато силициевата стомана разчита на силиций, за да постигне специфична магнитна пропускливост (силицият увеличава съпротивлението на ферита и потиска загубите от вихрови токове), което я прави материал за сърцевини на силови трансформатори. В окислителни среди (като високотемпературен въздух и слаби корозивни среди), силицийът насърчава образуването на плътен защитен филм от SiO2 върху повърхността на стоманата, предотвратявайки по-нататъшното проникване на кислород и подобрявайки устойчивостта на топлина и корозия. Той е основен легиращ елемент в топлоустойчивите и атмосфероустойчивите стомани.

 

3. Хром (Cr)

Укрепващите и модифициращи ефекти на хрома обхващат целия диапазон от ниско до високо легирани материали:

В нисколегирани сценарии (като например легирана конструкционна стомана): Чрез укрепване в твърд разтвор и дисперсионно укрепване с карбиди (като Cr3C2), хромът едновременно повишава якостта, твърдостта и износоустойчивостта на стоманата. Например, в автомобилната зъбна стомана, хромът е от решаващо значение за осигуряване на износоустойчивостта на повърхността на зъба и жилавостта на сърцевината. Той намалява критичната скорост на охлаждане, подобрявайки закаливаемостта, позволявайки сърцевината на големи части да се закали по време на закаляване. Малко количество хром може също да подобри устойчивостта на окисление на стоманата, забавяйки окислителното разрушаване при високи температури.

При високолегирани стомани (като неръждаема стомана и топлоустойчива стомана): Когато съдържанието на хром е ≥ 12%, то придава отлична устойчивост на корозия на стоманата чрез "ефекта на пасивация" (образуване на плътен филм Cr2O3 на повърхността), особено срещу силни окислителни киселини (като азотна киселина и концентрирана сярна киселина). Хромът има разнообразие от карбиди (като Cr7C3 и Cr23C6) и чрез контролиране на морфологията и разпределението на карбидите, той може да регулира якостта при висока температура и термичната стабилност на стоманата, което я прави основен компонент на топлоустойчивите стомани (като стомана за котелни тръби).

 

II. Елементи за оптимизиране на топлоустойчивостта

 

1. Молибден (Mo)

Молибденът е отличителен елемент в топлоустойчивите стомани.

Твърдоразтворният му разтвор укрепва ферита, подобрявайки якостта както при стайна температура, така и при висока температура; има уникален инхибиторен ефект на „забавено отпускане“, позволявайки на стоманите, съдържащи молибден, да поддържат жилавост след дългосрочна работа при висока температура; намалява критичната скорост на охлаждане, оптимизирайки закаляемостта и позволява на стоманата да получи по-равномерна отпусната сорбитна структура след закаляване + отпускане; при високи температури молибденът може да образува стабилни карбиди (Mo2C), които предотвратяват растежа на зърната, укрепват границите на зърната, значително подобряват топлоустойчивостта и якостта на стоманата при висока температура и е незаменим в стоманите за лопатки на турбини и стоманите за гореща обработка на матрици.

 

2. Ванадий (V)

Ролята на ванадия е двойна:

Ниско съдържание (0.05% - 0.10%): Утаява се като фини карбонитриди (V(CN)), упражнявайки ефект на „финозърнесто укрепване“ - възпрепятства растежа на аустенитните зърна, рафинира феритната/перлитна структура и значително подобрява жилавостта и якостта на умора на стоманата. Той е често използван елемент в мостови стомани и тръбопроводни стомани за постигане на съвпадение „висока якост + висока жилавост“.

Високо съдържание (>0.20%): Образува едри V4C3 карбиди, които са силно стабилни при високи температури, могат да блокират границите на зърната и да възпрепятстват движението на дислокациите, което значително повишава топлоустойчивостта на стоманата. В топлоустойчивите стомани за котли и сплавите за лопатките на авиационни двигатели, ванадиевите карбиди са основната бариера срещу пълзене при висока температура.

 

III. Елементи за организационно регулиране и специални свойства

 

1. Никел (Ni)

Докато твърдият разтвор укрепва ферита/аустенита, уникалното свойство на "гранецентрирана кубична решетка" ефективно инхибира студенокрехкостта на стоманата (понижавайки температурата на преминаване в студенокрехкост), което позволява на никел-съдържащата стомана да поддържа жилавост в изключително студени среди (като резервоари за съхранение на течен азот, полярни инженерни машини). То намалява критичната скорост на охлаждане, подобрява закаляемостта и спомага за получаване на по-равномерна закалена структура. Разширява аустенитната зона и е ключов компонент в аустенитните неръждаеми стомани (като стомана 304, където Ni стабилизира аустенита) и нискотемпературните стомани (като стомана 9Ni). Самият никел има известна устойчивост на корозия, особено срещу редуциращи киселини (сярна киселина, солна киселина) и може да работи в синергия с хрома, за да образува "хром-никелова корозионноустойчива система", повишавайки общата корозионна устойчивост на неръждаемата стомана.

 

2. Алуминий (Al)

По време на производството на стомана, алуминият е мощен дезоксидатор (образуващ Al2O3 включвания), който може да отстрани разтворения кислород от стоманата, да пречисти разтопената стомана и да намали дефекти като порьозност и включвания. След втвърдяване, фините частици Al2O3 могат да действат като „хетерогенни центрове на нуклеация“, рафинирайки зърнестата структура на стоманата и повишавайки нейната здравина и жилавост. В неръждаемата стомана, алуминият насърчава образуването на защитен филм от Al2O3 върху повърхността, повишавайки устойчивостта на силни окислителни киселини (като азотна киселина) и разширявайки сценариите на приложение на неръждаемата стомана (като например промишлено оборудване с азотна киселина).

 

IV. Елементи със специални функции

 

Бор (B)

Борните атоми са склонни да се групират по границите на зърната, като силно инхибират утаяването на ферит по границите на аустенитните зърна, значително намалявайки критичната скорост на охлаждане и експоненциално повишавайки закаливаемостта на стоманата. Укрепващият ефект на много малко количество бор (w(B) = 0.001%) е еквивалентен на този на голямо количество елементи като манган, никел и хром, което може значително да намали използването и разходите за сплав. Боридите, образувани от комбинацията на бор с азот и кислород (като Fe2B), имат изключително висока твърдост и могат да се използват в стомани, изискващи устойчивост на повърхностно износване (като например зъбни колела от борна стомана), за да се постигне съвпадение на производителността „повърхностно закаляване + жилавост на сърцевината“ чрез контролиране на разпределението на боридите.

 

2. Редкоземни елементи (RE, представени от Ce и La)

В производството на стомана, редкоземните елементи могат ефективно да десулфурират (образувайки високотопими редкоземни сулфиди), да дегазират (адсорбирайки газове като H2 и N2), да пречистват разтопената стомана и да намаляват вредните включвания. По време на втвърдяване, редкоземните елементи се адсорбират по границите на зърната, инхибират растежа на колоновидните кристали, усъвършенстват равноосната кристална структура и подобряват склонността към горещи пукнатини и еднородността на механичните свойства на лятата стомана. Във високотемпературните сплави, редкоземните елементи могат да укрепят границите на зърната и да подобрят устойчивостта на пълзене при висока температура, което ги прави „невидим укрепващ агент“ за висококачествени сплави, като например сплави за турбинни дискове за авиационни двигатели.

 

V. Спомагателни елементи за оптимизация на производителността

 

1. Мед (Cu)

Ниско съдържание (w(Cu) < 1.5%): Укрепва ферита в твърд разтвор, повишавайки якостта. В атмосферата медта може да насърчи образуването на „богат на мед слой“ върху повърхността на стоманата, ускорявайки уплътняването на оксидния филм и подобрявайки устойчивостта на атмосферни влияния (като например стомана, устойчива на атмосферни влияния в строителството), постигайки „антикорозионна защита чрез ръжда“.

Високо съдържание (w(Cu) ≥ 3.0%): Медта се утаява като фини метални частици, генерирайки „утаечно втвърдяване“ и едновременно с това придава на стоманата уникални антибактериални свойства (медните йони разрушават бактериалните клетъчни мембрани), което показва голям потенциал за приложение в медицинската стомана и стоманата за обществени съоръжения.

 

2. Олово и бисмут (Pb, Bi)

Тъй като са неразтворими в стоманената матрица, те се разпределят като дискретни фини частици по границите на зърната/матрицата. По време на рязане те могат да действат като „смазочни материали и стружкочупещи вещества“ – частиците прекъсват предаването на силата на рязане, намаляват износването на инструмента, улесняват чупенето на стружките, значително подобряват обработваемостта на стоманата (като например автоматна стомана), балансират якостта на стоманата и ефективността на обработката и са подходящи за сценарии за партидна обработка, като например автомобилни крепежни елементи и електронни компоненти.

 

3. Титан (Ti) и ниобий (Nb)

При оптимизирането на производителността на стоманените материали, титанът и ниобият са незаменими ключови елементи. Те усъвършенстват зърнестата структура на стоманата. Като действат като нуклеационни ядра по време на втвърдяването на разтопената стомана, те увеличават броя на зърната и намаляват размера им, като по този начин значително повишават якостта, жилавостта и устойчивостта на умора на стоманата. В областта на неръждаемата стомана, титанът и ниобият могат да се комбинират с въглерод, за да образуват стабилни карбиди, предотвратявайки свързването на хрома с въглерода, за да образува хромови карбиди, и по този начин избягвайки появата на граници на зърната, обеднени с хром. Това ефективно подобрява устойчивостта на междукристална корозия на неръждаемата стомана, осигурявайки нейната дългосрочна стабилна експлоатация в силно корозивни среди, като например химическото инженерство и преработката на храни.

 

4. Цирконий (Zr)

Цирконият, като силен дезоксидатор и денитрогенизатор, може бързо да се комбинира с кислород и азот в разтопена стомана, за да образува стабилни съединения, които изплуват на повърхността на стоманата, ефективно намалявайки съдържанието на кислородни и азотни примеси в стоманата и пречиствайки разтопената стомана. В същото време цирконият може да рафинира аустенитните зърна, правейки структурата на стоманата по-равномерна и плътна и подобрявайки цялостните характеристики на стоманата. Той се комбинира със сярата, за да образува циркониев сулфид, съединение с висока точка на топене и добра термична стабилност, което може ефективно да предотврати проблема с горещата крехкост, причинен от сярата, като гарантира, че стоманата не се напуква или чупи по време на гореща обработка и подобрява производителността при гореща обработка и качеството на продукта.

 

5. Волфрам (W)

Волфрамът образува фини карбиди и нитриди в стоманата, които инхибират растежа на зърната при високи температури, правейки зърната на стоманата по-фини и по-равномерни, като по този начин повишават якостта и жилавостта на стоманата. По отношение на закаляемостта, волфрамът може да намали критичната скорост на охлаждане на стоманата, което улеснява получаването на мартензитна структура по време на закаляване и подобрява твърдостта и износоустойчивостта на стоманата. При високи температури той се комбинира с въглерод и азот, за да образува високотермично стабилни карбиди (като W₂C ) и нитриди (като W₂N ) , които могат ефективно да възпрепятстват движението на дислокациите, значително подобрявайки термичната якост на стоманата и позволявайки на стоманата да поддържа добра якост и стабилност при тежки условия, като висока температура и високо налягане. Той е важен легиращ елемент за производството на ключови компоненти като лопатки на авиационни двигатели и тръби на високотемпературни пещи.

 

6. Кобалт (Co)

В среда с висока температура кобалтът може да стабилизира микроструктурата на стоманата, да предотврати растежа и омекването на зърната и да поддържа висока твърдост и износоустойчивост на стоманата при високи температури. Подходящ е за производство на инструменти за рязане с висока температура, матрици за горещо екструдиране и др. Когато кобалтът и молибденът работят заедно, те могат да се възползват напълно от съответните си предимства и да създадат силен синергичен ефект, придавайки на стоманата изключително висока якост и отлични комплексни механични свойства. Тази комбинация се използва широко във висок клас области като аерокосмическа индустрия и национална отбрана, за производство на компоненти с изключително високи изисквания за производителност, като например турбинни дискове за самолетни двигатели и корпуси на ракетни двигатели.

 

7. Берилий (Be)

Берилият се добавя в малки количества към стоманата. Той има силен афинитет към кислород и сяра и може бързо да се комбинира с тях по време на процеса на производство на стомана, упражнявайки мощен деоксидиращ и десулфуриращ ефект, ефективно намалявайки съдържанието на вредни примеси в стоманата и пречиствайки разтопената стомана. Той подобрява закаляемостта на стоманата и променя нейното фазово преобразуване, което улеснява получаването на желаната микроструктура и свойства по време на закаляване. Освен това, берилият има много силен ефект на укрепване в твърд разтвор. Когато е разтворен в стоманената матрица, той причинява силно изкривяване на решетката, което значително възпрепятства движението на дислокациите и по този начин генерира мощен укрепващ ефект. Когато е комбиниран с желязо и въглерод, берилият може също да произведе много силен ефект на утаително укрепване чрез образуване на специални съединения, допълнително повишавайки якостта и твърдостта на стоманата и придавайки ѝ уникална приложна стойност във висок клас производствени индустрии.

 

Вигор има повече от 20 години опит в индустрията за коване и леене, както и в CNC обработката. Ако имате въпроси, изисквания, разработване на части или подобряване на веригата ви за доставки, моля, не се колебайте да се свържете с нас на info@castings-forging.com