Классификация легирующих элементов

Легирующими элементами называют химические элементы, специально введенные в сталь для получения требуемых структуры и свойств.

Основными легирующими элементами в сталях являются Mn, Si, Cr, Ni, Mo, W, Co, Cu, Ti, V, Zr, Nb, Al. В некоторых сталях легирующими элементыми могут быть также P, S, N, Se, Te, Pb, Ce, La и др. Эти элементы, а также H, O, Sb, As, Bi могут быть также примесями в сталях.

Условием легирования сталей является то, что легирующими компонентами могут быть только те элементы которые взаимодействуют с основными компонентами стали: железом и углеродом. Только в этом случае возможно изменение структуры и свойств сталей.

Легирующие элементы-металлы делят на следующие группы:

Металлы железной группы: кобальт, никель, марганец.

Тугоплавкие металлы: это металлы с температурой плавления выше, чем у железа (1539⁰С): вольфрам, молибден, ниобий, ванадий, хром.

Легкие металлы: титан и алюминий.

Редкоземельные металлы: лантан, церий, неодим, иттрий, скандий.

Взаимодействие легирующих компонентов с углеродом

Классификацию легирующих элементов в сталях проводят также по степени сродства легирующих элементов к углероду по сравнению со сродством к нему железа. По этому признаку различают карбидообразующие и некарбидообразующие (графитообразующие и нейтральные) элементы.

1. Карбидообразующие легирующие элементы могут образовывать в стали карбиды. Это Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn. При этом между их атомами и атомами углерода в решетке карбида образуются ковалентные и ионные связи, отличающиеся высокой энергией.

Все карбидообразующие компоненты располагаются в периодической системе слева от железа и чем левее, тем больше выражена их карбидообразующая способность. Т.о. самым сильным карбидообразующим является титан, а самым слабым – марганец.

2. Графитообразующие компоненты (графитизаторы), к которым относятся никель и кремний. Введение этих компонентов вызывает распад карбидов и выделение из них углерода в свободном состоянии – в виде графита.

Кремний часто используется в качестве графитизатора при выплавке чугуна с графитом.

3. Нейтральные компоненты (некарбидообразующие) (Cu, Ni, Co, Si, Al) карбидов в стали не образуют и не разрушают.

Это дает возможность применения, например кобальта, в твердых сплавах. Твердые сплавы состоят из мелких зерен твердых карбидов титана и вольфрама, спеченных между собой с помощью кобальта. Кобальт играет роль металлической связки и при этом практически не воздействует на карбиды.

Все рассмотренные легирующие элементы располагаются в периодической системе строго в соответствии с природой их взаимодействия с углеродом: от самого сильного карбидообразующего элемента – титана, к самым слабым - марганцу и железу – через нейтральный кобальт к графитообразующему никелю. Из этого правила есть исключение: кремний располагается левее титана, но является графитообразующим компонентом в чугунах и сталях. Это объясняется тем, что кремний не является металлом, а относится к металлоидам.