легирующие добавки

Легирующие добавки

Легирующими добавками называют незначительные по процентному содержанию компоненты материалов, которые улучшают их химические, механические или физические свойства. Сам процесс добавления таких примесей называется легированием. Различают 2 вида легирования — объемное и поверхностное.

Как происходит легирование

Если легирование объемное, то добавка равномерно распределяется по всей массе металла или сплава. Процесс происходит при сплавлении основного компонента с легирующими добавками в электронно-лучевых, плазменных, индукционных, дуговых печах, конвертерах. Также используют плазмохимический способ, электролиз, одновременное восстановление.

Поверхностное легирование производят в слое толщиной до 2 см. Процесс осуществляют диффузионным насыщением, химическим осаждением, твердофазным оплавлением. Такими способами можно насытить поверхность металла или сплава бором, азотом, алюминием. Поверхностное легирование применяют чаще всего для керамики и стекла.

Виды легирующих добавок

Для легирования применяют специально подготовленные сплавы, неметаллы, металлы. Вспомогательные сплавы с легирующими компонентами делят на лигатуры и ферросплавы.

Чаще всего в качестве легирующих добавок используют металлы. Стали и чугуны легируют титаном, ванадием, вольфрамом, молибденом, но чаще всего марганцем, никелем, хромом.  Алюминиевые сплавы легируют преимущественно литием, цинком, медью, магнием, марганцем. В магниевые сплавы добавляют кадмий, цирконий, цинк, марганец, алюминий. Медные сплавы легируют бериллием, свинцом, цинком, никелем, железом, марганцем, алюминием.

Из неметаллов для чугуна, стали, алюминиевых и медных сплавов применяют кремний. В медных сплавах также используют фосфор. Реже используют углерод, бор, азот. Они могут взаимодействовать с металлами в процессе сплавления, образуя карбиды, бориды, нитриды.

Ферросплавы — это промежуточные сплавы железа с высоким содержанием легирующего компонента. Они дешевле чистых металлов для легирования. И с ферросплавами легче работать благодаря более низкой температуре плавления.

Лигатурами в металлургии называют вспомогательные сплавы из двух и более составляющих. Лигатуры для черной металлургии, в отличие от ферросплавов, не содержат железа. Они применяются, чтобы вводить в сплав жаростойкие легирующие добавки в малых дозах. 

Особенности легирующих добавок

Эффект легирующих добавок основан на способности взаимодействовать с основным компонентом материала. При этом образуется что-то новое — твердый раствор, другая фаза кристаллизации, интерметаллическое соединение, силицид. В результате меняются какие-либо из важных характеристик — структура, температура плавления, скорость фазовых переходов, дефекты и зерна в кристаллической решетке.

Легирование может быть комплексным, когда используют не одну добавку, а две или больше. Эффективность комплексного легирования при правильном подборе компонентов и процентного содержания намного выше, чем одиночного. Если хромоникелевую сталь легировать вольфрамом, она повысит жаропрочность на 100-200%. А если этот же материал легировать одновременно вольфрамом и титаном, то на 900%.

В зависимости от процента добавки выделяют модифицирование, микролегирование и обычное легирование. При нормальном легировании содержание добавки 0,2% и больше. При микролегировании  — 0,1-0,2%, при этом используют хорошо растворимые в основном компоненте добавки, которые не изменяю размеры кристаллизационных зерен. При модифицировании содержание модификатора меньше 0,2%, нижняя граница не определена. Модификаторы способны измельчать зерна поликристаллической структуры металла и этим повышать его прочность, они нейтрализуют нежелательные включения. 

Для чего применяют легирующие добавки

Главная область применения легирующих добавок — металлургия. Малопроцентные компоненты дают большой экономический эффект за счет значительного улучшения ключевых качеств металлов и сплавов. Процесс легирования также используют в производстве других материалов, например керамики и стекла.

Каждый металл оказывает на материал определенное легирующее влияние.

Кадмий, марганец повышает износостойкость.

Цинк, хром, никель, титан увеличивают прочность и коррозионную стойкость сплава.

Под действием молибдена, вольфрама, алюминия возрастает жаростойкость.

Кобальт и марганец положительно влияет на ударостойкость.

Цирконий, церий, неодим делают структуру сплава упорядоченной, с зернами определенных размеров, что важно для электропроводности.

Ванадий увеличивает твердость сплавов за счет измельчения размеров кристаллизационных зерен.

Лигатуры и ферросплавы применяют при объемном легировании в печах или конвертерах, чтобы добавки при сплавлении меньше взаимодействовали с кислородом и азотом воздуха. А также чтобы более равномерно распределить все составляющие. Больше всего из ферросплавов используют ферромарганец, феррохром и ферросилиций. Из лигатур самые распространенные медь с оловом, алюминием или никелем, алюминий с магнием.