Легирование металлов¶

Легирование — это введение в металл или сплав специально подобранных добавок (легирующих элементов) с целью изменения его физических, механических, химических или технологических свойств. Легирование является одним из основных способов создания новых материалов и получения заданных свойств металлов без существенного изменения их основы.

¶Легирующие элементы

Легирующие элементы подразделяются на несколько групп по характеру воздействия на свойства сплава:

• Упрочняющие — марганец, кремний, никель, хром, молибден, ванадий, титан, вольфрам. Повышают прочность и твёрдость.
• Пластифицирующие — свинец, висмут, селен, теллур. Улучшают обрабатываемость давлением и резанием.
• Коррозионностойкие — хром, никель, молибден, азот. Повышают стойкость к коррозии.
• Жаропрочные — никель, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий.
• Стабилизирующие — титан, ниобий, цирконий. Связывают углерод и предотвращают межкристаллитную коррозию нержавеющих сталей.

По объёму легирующие элементы делятся на основные (содержание более 5 %) и малые (менее 5 %). По влиянию на диаграмму состояния различают элементы, расширяющие области существования фаз (никель, марганец), и элементы, сужающие их (углерод, азот).

¶Способы легирования

¶Легирование при выплавке

Основной промышленный способ — ввод легирующих элементов в металлургическую печь (доменную, мартеновскую, электрическую) в процессе плавки. Для этого применяют ферросплавы (ферромарганец, ферросилиций, феррохром, феррованадий), чистые металлы, а также отходы, содержащие нужные элементы. Легирование при плавке обеспечивает равномерное распределение добавок по объёму металла.

¶Поверхностное легирование

При этом способе изменяются свойства только поверхностного слоя изделия, что позволяет сочетать высокую твёрдость и износостойкость поверхности с вязкостью и пластичностью основы. Основные методы:

• Цементация — насыщение поверхности углеродом при нагреве в углеродсодержащей среде (до 950 °C).
• Азотирование — насыщение азотом, обычно при 500–600 °C.
• Хромирование — нанесение хрома для повышения коррозионной стойкости и твёрдости.
• Борирование, силицирование, алитирование — насыщение бором, кремнием, алюминием соответственно.
• Диффузионное легирование — нагрев изделия в порошке легирующего элемента.
• Ионно-плазменное легирование — обработка в плазме с ионами легирующего элемента.
• Лазерное и электронно-лучевое легирование — поверхностное сплавление с быстрым охлаждением.

¶Легирование в твёрдом состоянии

Включает методы, при которых легирующие элементы вводятся в твёрдый металл без расплавления: диффузионное легирование, ионная имплантация, напыление покрытий.

¶Влияние на свойства сплавов

Легирование изменяет свойства металлов по нескольким механизмам:

1. Растворное упрочнение — атомы легирующего элемента внедряются в решётку основного металла и искажают её, затрудняя движение дислокаций. Так работает, например, никель в меди (латуни, бронзы).
2. Дисперсионное упрочнение — образование мелкодисперсных частиц второй фазы (например, карбидов, интерметаллидов) в матрице.
3. Изменение диаграммы состояния — легирование смещает точки полиморфных превращений, изменяет растворимость элементов и характер фазовых переходов.
4. Образование новых фаз — интерметаллиды, карбиды, нитриды, бориды, которые существенно повышают твёрдость и жаропрочность.

¶Примеры сплавов

¶Значение

Легирование лежит в основе современной металлургии и материаловедения. Благодаря ему созданы тысячи марок сталей, чугунов, цветных сплавов, жаропрочных и криогенных материалов. Без легирования невозможны высокопрочные конструкционные сплавы для авиации и космоса, нержавеющие стали для химической промышленности, сплавы с памятью формы, аморфные металлы и многие другие современные материалы.

Источники:

• «Материаловедение» / Б. С. Иванов, В. Н. Ковалёв.
• «Материаловедение: учебник» / В. Д. Садовский, О. П. Овчинников, А. Н. Краснов.
• ГОСТ 5632-2014. Сталь высоколегированная и сплавы никелевые.
• «Справочник конструктора-машиностроителя» / под ред. М. Н. Иванова-Мальцева.