November 3, 2022
W celu poprawy i wzmocnienia niektórych właściwościstali sprawiają, że uzyskuje pewne specjalne właściwości, celowo dodawane pierwiastki w procesie wytapiania zwane pierwiastkami stopowymi.Powszechnymi pierwiastkami stopowymi są chrom, nikiel, molibden, wolfram, wanad, tytan, niob, cyrkon, kobalt, krzem, mangan, aluminium, miedź, bor, pierwiastki ziem rzadkich i tak dalej.W niektórych przypadkach fosfor, siarka i azot działają również jako stopy.
(1) Chrom (Cr)
Chrom może zwiększyć hartowność stali i ma efekt wtórnego hartowania, może poprawić twardość i odporność na zużycie stali węglowej bez powodowania kruchości stali.Gdy zawartość przekracza 12%, stal ma dobrą odporność na utlenianie i korozję w wysokiej temperaturze, a także zwiększa wytrzymałość cieplną stali.Chrom jest głównym pierwiastkiem stopowym stali nierdzewnej kwasoodpornej i żaroodpornej.
Chrom może poprawić wytrzymałość i twardość stali węglowej w stanie walcowania oraz zmniejszyć wydłużenie i skurcz przekroju.Gdy zawartość chromu przekroczy 15%, wytrzymałość i twardość ulegną zmniejszeniu, a wydłużenie i skurcz przekroju odpowiednio wzrosną.Części zawierające stal chromową można łatwo uzyskać wyższą jakość obróbki powierzchni poprzez szlifowanie.
Główną rolą chromu w odpuszczonej strukturze jest poprawa hartowności, dzięki czemu stal po hartowaniu i odpuszczaniu ma lepsze wszechstronne właściwości mechaniczne, w stali nawęglonej może również tworzyć węglik chromu, aby poprawić odporność na zużycie powierzchni materiału .
Stal sprężynowa zawierająca chrom nie jest łatwa do dekarbonizacji podczas obróbki cieplnej.Chrom może poprawić odporność na zużycie, twardość i twardość stali narzędziowej i ma dobrą stabilność odpuszczania.Chrom może poprawić odporność na utlenianie, odporność i wytrzymałość stopów elektrotermicznych.
(2) Nikiel
Nikiel wzmacnia ferryt i uszlachetnia perlit w stali, ogólnym efektem jest zwiększenie wytrzymałości, ale nie ma znaczącego wpływu na plastyczność.Ogólnie rzecz biorąc, pewna ilość niklu może poprawić wytrzymałość stali, ale nie zmniejszyć znacząco wiązkości stali niskowęglowej, gdy jest ona walcowana, normalizowana lub wyżarzana bez obróbki odpuszczającej.Według statystyk, każdy 1% wzrost niklu może poprawić wytrzymałość 29,4 Pa.Wraz ze wzrostem zawartości niklu wydajność stali wzrasta szybciej niż wytrzymałość na rozciąganie, a więc stosunek stali zawierającej nikiel jest wyższy niż w przypadku zwykłej stali węglowej.Nikiel może poprawić wytrzymałość stali, ale uszkodzenie wiązkości, plastyczności i innych właściwości procesowych stali jest mniejsze niż w przypadku innych pierwiastków stopowych.W przypadku stali średniowęglowej perlit staje się cieńszy, ponieważ nikiel obniża temperaturę przejścia w perlit.Ponieważ nikiel zmniejsza zawartość węgla w punkcie eutektoidalnym, jest więcej perlitu niż stali węglowej o tej samej zawartości węgla, co sprawia, że perlitowa stal ferrytyczna z niklem ma wyższą wytrzymałość niż stal węglowa o tej samej zawartości węgla.Wręcz przeciwnie, jeśli wytrzymałość stali jest taka sama, zawartość węgla w stali zawierającej nikiel można odpowiednio zmniejszyć, tak że można poprawić wiązkość i plastyczność stali.Nikiel może poprawić odporność stali na zmęczenie i zmniejszyć wrażliwość stali na karb.Nikiel obniża temperaturę przejścia kruchości stali niskotemperaturowej, co jest bardzo ważne w przypadku stali niskotemperaturowych.Stal o zawartości 3,5% niklu może być używana w temperaturze -100℃, a stal o zawartości 9% niklu może być używana w temperaturze -196℃.Nikiel nie zwiększa odporności stali na pełzanie, dlatego generalnie nie jest stosowany jako element wzmacniający stali wytrzymałościowej na gorąco.
Współczynnik rozszerzalności liniowej stopów Fe-Ni o wysokiej zawartości niklu zmienia się znacząco wraz ze wzrostem lub spadkiem zawartości niklu.Wykorzystując tę właściwość, można projektować i wytwarzać precyzyjne stopy i materiały bimetaliczne o bardzo niskim lub pewnym współczynniku rozszerzalności liniowej.
Ponadto nikiel dodany do stali jest nie tylko kwasoodporny, ale również odporny na alkalia, korozję w atmosferze i soli, nikiel jest jednym z ważnych pierwiastków w stali nierdzewnej kwasoodpornej.
(3) Molibden (Mo)
Molibden w stali może poprawiać hartowność i wytrzymałość termiczną, zapobiegać kruchości odpuszczania, zwiększać remanencję i koercję oraz odporność na korozję w niektórych mediach.
W stali hartowanej molibden może spowodować, że części o większych przekrojach będą hartować głęboko, hartować na wylot, poprawiać odporność na ogień lub stabilność odpuszczania stali, dzięki czemu części mogą być odpuszczane w wyższych temperaturach, aby skuteczniej eliminować (lub zmniejszać) naprężenia szczątkowe , poprawić plastyczność.
Oprócz powyższych efektów w stali nawęglonej, molibden może również zmniejszać tendencję węglików do tworzenia ciągłej sieci na granicy ziaren w warstwie nawęglającej, zmniejszać austenit szczątkowy w warstwie nawęglającej i względnie zwiększać odporność powierzchni na zużycie warstwa.
W matrycy kuźniczej molibden może również utrzymywać stal o stosunkowo stabilnej twardości, zwiększać odkształcenie.Odporność na pękanie i zużycie.
W stali nierdzewnej kwasoodpornej molibden może dodatkowo poprawić odporność na korozję kwasów organicznych (takich jak kwas mrówkowy, kwas octowy, kwas szczawiowy itp.), nadtlenku wodoru, kwasu siarkowego, siarczynu, siarczanu, barwników kwasowych, proszku wybielającego itp. W szczególności dodatek molibdenu zapobiega tendencji do korozji punktowej spowodowanej obecnością jonów chlorkowych.
Stal szybkotnąca W12Cr4V4Mo zawierająca około 1% molibdenu ma odporność na ścieranie, twardość odpuszczoną i twardość czerwoną.
(4) Wolfram (W)
Oprócz tworzenia węglików w stali, wolfram jest częściowo rozpuszczany w żelazie, tworząc stały roztwór.Jego działanie jest podobne do molibdenu, zgodnie z obliczeniami ułamka masowego ogólny efekt nie jest tak znaczący jak molibden.Główną próbką wolframu w stali jest zwiększenie stabilności odpuszczania, twardości czerwonej, wytrzymałości cieplnej i odporności na zużycie dzięki tworzeniu się węglików.Dlatego jest stosowany głównie w stali narzędziowej, takiej jak stal szybkotnąca, matryca do kucia na gorącostali tak dalej.
Wolfram tworzy ogniotrwałe węgliki w wysokiej jakości stali sprężynowej.Przy odpuszczaniu w wyższej temperaturze można złagodzić proces akumulacji węglików i zachować wytrzymałość na wysoką temperaturę.Wolfram zmniejsza również wrażliwość stali na przegrzanie, zwiększa hartowność i zwiększa twardość.Stal sprężynowa 65SiMnWA po walcowaniu na gorąco ma wysoką twardość po schłodzeniu powietrzem.Stal sprężynowa o przekroju 50 mm2 może być hartowana w oleju i może być używana jako ważna sprężyna wytrzymująca duże obciążenia, odporność na ciepło (nie więcej niż 350 ℃) i uderzenia.30W4Cr2VA wysokowytrzymała żaroodporna stal sprężynowa, o dużej hartowności, hartowanie 1050 ~ 1100 ℃, 550 ~ 650 ℃ wytrzymałość na rozciąganie odpuszczania 1470 ~ 1666 Pa.Stosowany jest głównie do produkcji sprężyn w warunkach wysokiej temperatury (nie więcej niż 500℃).
Wolfram jest głównym składnikiem stali narzędziowej stopowej, ponieważ jego dodatek może znacznie poprawić odporność na zużycie i skrawalność stali.
(5) Wanad (V)
Wanad ma silne powinowactwo do węgla, amoniaku i tlenu i tworzy z nimi trwałe związki.Wanad występuje głównie w postaci węglika w stali.Jego główną funkcją jest udoskonalenie struktury i ziarna stali, poprawa wytrzymałości i twardości stali.Po rozpuszczeniu w roztworze stałym w wysokiej temperaturze, zwiększ hartowność;Wręcz przeciwnie, jeśli w postaci węglika, zmniejsz hartowność.Wanad zwiększa stabilność odpuszczania stali hartowanej i powoduje efekt wtórnego hartowania.Zawartość wanadu w stali, z wyjątkiem szybkotnącej stali narzędziowej, na ogół nie przekracza 0,5%.
W powszechnym stopie niskowęglowymstal, wanad może rozdrobnić ziarno, zwiększyć wytrzymałość i współczynnik plastyczności po normalizacji oraz poprawić wydajność spawania stali w niskiej temperaturze.
Wanad w stopowej stali konstrukcyjnej ze względu na ogólne warunki obróbki cieplnej zmniejszy hartowność, dlatego jest często stosowany w stali konstrukcyjnej oraz manganu, chromie, molibdenu, wolframie i innych pierwiastkach.Wanad w stali hartowanej ma głównie na celu poprawę stosunku wytrzymałości i plastyczności stali, rozdrobnienie ziarna, podniesienie wrażliwości na przegrzanie.W stali nawęglonej można rozdrobnić ziarno, stal może być bezpośrednio hartowana po nawęglaniu, bez hartowania wtórnego.
W stali sprężynowej i łożyskowej wanad może poprawić współczynnik wytrzymałości i plastyczności, zwłaszcza granicę proporcjonalności i granicę elastyczności, oraz zmniejszyć wrażliwość na dekarbonizację podczas obróbki cieplnej, poprawiając w ten sposób jakość powierzchni.Stal łożyskowa 5 chromowa zawierająca wanad, dyspersja o wysokiej karbonatyzacji, dobra wydajność.
Wanad w stali narzędziowej rozdrabnia ziarna, zmniejsza wrażliwość na przegrzanie, zwiększa stabilność odpuszczania i odporność na zużycie, a tym samym wydłuża żywotność narzędzia.
(6) Tytan (Ti)
Tytan ma silne powinowactwo do azotu, tlenu i węgla oraz silniejsze powinowactwo do siarki niż żelaza.Dlatego jest dobrym środkiem odtleniającym i skutecznym pierwiastkiem do wiązania azotu i węgla.Chociaż tytan jest silnym pierwiastkiem tworzącym węgliki, nie łączy się z innymi pierwiastkami, tworząc złożone związki.Siła wiązania węglika tytanu jest silna, stabilna, niełatwa do rozkładu, w stali tylko ogrzewanie do ponad 1000 ℃ może powoli rozpuścić się w roztworze stałym.Cząsteczki węglika tytanu zapobiegają wzrostowi ziarna przed rozpuszczeniem.Ponieważ powinowactwo między tytanem a węglem jest znacznie większe niż między chromem a węglem, tytan jest powszechnie stosowany w stali nierdzewnej do utrwalania węgla w celu wyeliminowania rozcieńczenia chromu na granicy ziaren, aby wyeliminować lub zmniejszyć korozję międzykrystaliczną stali .
Tytan jest również jednym z silnych pierwiastków ferrytowych, który silnie podnosi temperaturę stali A1 i A3.Tytan może poprawić plastyczność i wytrzymałość zwykłej stali niskostopowej.Ponieważ tytan wiąże azot i siarkę oraz tworzy węglik tytanu, zwiększa się wytrzymałość stali.Po normalizacji rozdrobnienia ziarna wytrącający się węglik może znacznie poprawić plastyczność i udarność stali.Stal konstrukcyjna stopowa zawierająca tytan ma dobre właściwości mechaniczne i procesowe, ale główną wadą jest to, że hartowność jest nieco słaba.
W stali nierdzewnej o wysokiej zawartości chromu zwykle trzeba dodać około 5-krotną zawartość węgla w tytanie, nie tylko może poprawić odporność na korozję (głównie międzykrystaliczną odporność na korozję) i wytrzymałość stali;Może również zapobiegać tendencji do wzrostu ziarna stali w wysokiej temperaturze i poprawiać wydajność spawania stali.
(7) Niob/koltan (Nb/Cb)
Niob często współistnieje z koltanem i tantalem, a ich rola w stali jest podobna.Niob i tantal są częściowo rozpuszczane w roztworze stałym, aby wzmocnić roztwór stały.Zdolność hartowania stali można znacznie poprawić po rozpuszczeniu jej w austenicie.Natomiast w postaci cząstek węglika i tlenku uszlachetnia ziarno i zmniejsza hartowność stali.Może zwiększyć stabilność odpuszczania stali i ma efekt wtórnego hartowania.Niob śladowy może poprawić wytrzymałość stali bez wpływu na plastyczność lub wytrzymałość.Dzięki efektowi rozdrabniania ziarna można poprawić udarność stali i obniżyć temperaturę przejścia w kruchość.Gdy zawartość jest ponad 8 razy większa od węgla, prawie cały węgiel w stali można utrwalić, dzięki czemu stal ma dobrą odporność na wodór.Można zapobiec korozji międzykrystalicznej stali austenitycznej przez medium utleniające.Dzięki wiązaniu węgla i utwardzaniu wydzieleniowemu można poprawić właściwości wysokotemperaturowe stali o wysokiej wytrzymałości na gorąco, takie jak wytrzymałość na pełzanie.
Niob może poprawić granicę plastyczności i udarność oraz obniżyć temperaturę przejścia w kruchość w zwykłej stali niskostopowej stosowanej w budownictwie.Zwiększa hartowność w nawęglaniu i odpuszczaniu stali konstrukcyjnej stopowej.Popraw wytrzymałość i wydajność stali w niskich temperaturach.Może zmniejszyć hartowanie powietrzem niskowęglowej martenzytycznej żaroodpornej stali nierdzewnej, uniknąć hartowania i odpuszczania kruchości oraz poprawić wytrzymałość na pełzanie.
(8) Cyrkon (Zr)
Cyrkon jest pierwiastkiem silnie węglikotwórczym, jego rola w stali jest podobna do niobu, tantalu, wanadu.Dodanie niewielkiej ilości cyrkonu powoduje odgazowanie, oczyszczenie i rozdrobnienie ziarna, co jest korzystne dla wydajności stali w niskich temperaturach i poprawy wydajności tłoczenia.Jest często stosowany do produkcji ultrawysokowytrzymałej stali i nadstopu na bazie niklu do budowy silników gazowych i pocisków balistycznych.
(9) kobalt
Kobalt jest stosowany głównie w specjalnych stalach i stopach.Stal szybkotnąca zawierająca kobalt ma wysoką twardość w wysokich temperaturach, a molibden można jednocześnie dodawać do stali martenzytycznej w celu uzyskania ultra wysokiej twardości i dobrych wszechstronnych właściwości mechanicznych.Ponadto kobalt jest ważnym pierwiastkiem stopowym w stalach wytrzymałościowych na gorąco i materiałach magnetycznych.
Kobalt zmniejsza hartowność stali, więc dodanie samej stali węglowej zmniejszy ogólne właściwości mechaniczne stali hartowanej.Kobalt może wzmacniać ferryt, a dodany do stali węglowej może poprawić twardość, granicę plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie stali w stanie wyżarzonym lub znormalizowanym, a także niekorzystnie wpływać na wydłużenie i skurcz przekroju.Udarność spada wraz ze wzrostem zawartości kobaltu.Kobalt jest stosowany w stalach i stopach żaroodpornych ze względu na jego odporność na utlenianie.Turbiny gazowe na bazie kobaltu pokazują swoją wyjątkową rolę.
