Legering ( tysk legieren "at legere " fra latin ligare "at binde") er tilsætning af urenheder til sammensætningen af materialer for at ændre (forbedre) de fysiske og/eller kemiske egenskaber af basismaterialet. Legering er et generaliserende koncept af en række teknologiske procedurer; volumetrisk (metallurgisk) og overfladelegering (ionisk, diffus osv.) skelnes.
Forskellige industrier bruger forskellige legeringsteknologier.
I metallurgi udføres legering hovedsageligt ved at indføre yderligere stoffer i smelten eller ladningen (for eksempel i stål - chrom , nikkel , molybdæn ), som forbedrer legeringens mekaniske , fysiske og kemiske egenskaber. Forskellige typer overfladelegeringer bruges også til at ændre forskellige egenskaber (øgning i hårdhed, slidstyrke, korrosionsbestandighed osv.) af det overfladenære lag af metaller og legeringer. Legering udføres på forskellige stadier af opnåelse af et metallisk materiale for at forbedre kvaliteten af metallurgiske produkter og metalprodukter.
Ved fremstilling af specielle typer glas og keramik udføres ofte overfladelegering. I modsætning til sputtering og andre typer belægning diffunderer de tilsatte stoffer ind i det legerede materiale og bliver en del af dets struktur.
Ved fremstilling af halvlederenheder refererer doping til indførelsen af små mængder urenheder eller strukturelle defekter for kontrollerbart at ændre de elektriske egenskaber af halvlederen , især dens type ledningsevne.
Legering er blevet målrettet brugt relativt for nylig. Dette skyldtes delvist teknologiske vanskeligheder. Legeringstilsætningsstofferne brændte simpelthen ud ved brug af den traditionelle stålfremstillingsteknologi.
Det er bemærkelsesværdigt, at de første stål , som folk mødte, var naturligt legerede stål. Allerede før begyndelsen af jernalderen blev der brugt meteorisk jern , der indeholdt op til 8,5 % nikkel [1] .
Naturlegerede stål fremstillet af malme oprindeligt rige på legeringselementer blev også højt værdsat [2] . Den øgede hårdhed og sejhed af japanske sværd , med evnen til at give en skarp kant, kan skyldes tilstedeværelsen af molybdæn i stålet [3] .
Moderne syn på virkningen af forskellige kemiske grundstoffer på stålets egenskaber begyndte at tage form med udviklingen af kemi i anden fjerdedel af det 19. århundrede [3] .
En af de første metallurger, der begyndte en systematisk undersøgelse af forskellige elementers indflydelse på stål, var den russiske mineingeniør Pavel Petrovich Anosov . Ved at undersøge indflydelsen af tilsætningsstoffer af forskellige elementer på stål (guld, platin , mangan , krom , aluminium , titanium osv.), var han den første til at bevise, at stålets fysisk-kemiske og mekaniske egenskaber kan ændres og forbedres væsentligt ved at tilføje nogle legeringselementer [4] .
Tilsyneladende kan opfindelsen i 1858 af Muschette af stål indeholdende 1,85% kulstof , 9% wolfram og 2,5% mangan betragtes som den første vellykkede brug af målrettet legering . Stålet var beregnet til fremstilling af fræsere til værktøjsmaskiner og var prototypen på den moderne linje af højhastighedsstål . Industriel produktion af disse stål begyndte i 1871.
Det er almindeligt accepteret, at det første masseproducerede legerede stål var Hadfield Steel , opdaget af den engelske metallurg Robert Abbott Hadfield i 1882 [3] . Stål indeholder 1,0 - 1,5% kulstof og 12 - 14% mangan, har gode støbeegenskaber og slidstyrke . Uden væsentlige ændringer i den kemiske sammensætning er dette stål blevet bevaret til i dag.
For at forbedre de fysiske, kemiske, styrke og teknologiske egenskaber legeres metaller ved at indføre forskellige legeringselementer i deres sammensætning. Chrom, mangan, nikkel, wolfram , vanadium , niobium , titanium og andre elementer bruges til at legere stål . Små tilsætninger af cadmium til kobber øger slidstyrken af ledninger, zinktilsætninger til kobber og bronze øger styrke, duktilitet og korrosionsbestandighed. Legering af titanium med molybdæn mere end fordobler temperaturgrænsen for driften af titanlegeringen på grund af en ændring i metallets krystalstruktur. [5]
Legeringsmetaller kan indeholde et eller flere legeringselementer, der giver dem særlige egenskaber.
Legeringselementer indføres i stål for at øge dets strukturelle styrke. Den vigtigste strukturelle komponent i konstruktionsstål er ferrit , som fylder mindst 90 volumenprocent i strukturen [6] . Opløsning i ferrit styrker legeringselementer det. Hårdheden af ferrit (i tilstanden efter normalisering) øges kraftigst af silicium, mangan og nikkel. Molybdæn, wolfram og krom har mindre effekt. De fleste legeringselementer, der styrker ferrit og har ringe effekt på duktiliteten , reducerer dens sejhed (med undtagelse af nikkel). Hovedformålet med doping:
Legeringselementer kan opløses i ferrit eller austenit, danne karbider , give intermetalliske forbindelser, være lokaliseret i form af indeslutninger uden at interagere med ferrit og austenit, samt med kulstof. Afhængigt af hvordan legeringselementet interagerer med jern eller kulstof, påvirker det stålets egenskaber på forskellige måder. Alle grundstoffer opløses i større eller mindre grad i ferrit. Opløsning af legeringselementer i ferrit fører til hærdning af stål uden varmebehandling. I dette tilfælde øges hårdheden og trækstyrken, og slagstyrken falder normalt. Alle grundstoffer, der opløses i jern, ændrer stabiliteten af ferrit og austenit. De kritiske punkter i legeret stål skifter afhængigt af hvilke legeringselementer og i hvilke mængder der er til stede i det. Derfor, når du vælger temperaturer til hærdning , normalisering og udglødning eller temperering , er det nødvendigt at tage højde for skift af kritiske punkter.
Mangan og silicium introduceres under stålfremstillingsprocessen til deoxidation , de er teknologiske urenheder. Mangan indføres i stål op til 2%. Det er fordelt mellem ferrit og cementit. Mangan øger mærkbart flydespændingen, koldskørhedstærsklen og hærdbarheden af stål, men gør stålet følsomt over for overophedning. I denne henseende indføres karbiddannende elementer i stål for at male korn med mangan. Da indholdet af mangan er omtrent det samme i alle stål, forbliver dets virkning på stål af forskellig sammensætning umærkelig. Mangan øger styrken uden at reducere stålets duktilitet.
Alternativ version af ovenstående:
Mangan og silicium er konstante ledsagere i næsten ethvert stål, da de er specielt introduceret under produktionen. Silicium er sammen med mangan og aluminium det vigtigste ståldeoxidationsmiddel . Mangan bruges også til at "binde" svovlen i stålet og eliminere fænomenet rød sprødhed . Indholdet af grundstoffer er sædvanligvis i området 0,30 - 0,70 % Mn, 0,17-0,37 % Si og ca. 0,03 % Al. Inden for disse grænser kaldes de teknologiske urenheder og er ikke legeringselementer. Den særlige introduktion af mangan, silicium og aluminium over de specificerede intervaller for at give stålet visse forbrugeregenskaber vil allerede være en legering [7] .
Silicium er ikke et carbiddannende element, og dets mængde i stål er begrænset til 2%. Det øger stålets flydespænding og styrke markant og ved et indhold på mere end 1 % reducerer det sejhed, duktilitet og øger koldskørhedstærsklen . Silicium er ikke strukturelt påviselig, da det er fuldstændigt opløseligt i ferrit , bortset fra den del af silicium, der ikke havde tid til at flyde ind i slaggen i form af siliciumoxid og forblev i metallet i form af silicatinslutninger.
Mærket af højkvalitets legeret stål i Rusland består af en kombination af bogstaver og tal, der angiver dets kemiske sammensætning. Legeringselementer har følgende betegnelser: krom (X), nikkel (H), mangan (G), silicium (C), molybdæn (M), wolfram (B), titanium (T), tantal (Ta), aluminium (U) ), vanadium (F), kobber (D), bor (R), kobolt (K), niobium (B), zirconium (C), selen (E), sjældne jordarters metaller (H). Tallene efter bogstavet angiver indholdet af legeringselementet i procent. Hvis tallene ikke er angivet, så indeholder legeringselementet 0,8-1,5%, med undtagelse af molybdæn og vanadium (hvis indholdet i stål normalt er op til 0,2-0,3%), samt bor (i stål med bogstavet P skal det være op til 0,010% ). I højkvalitets konstruktionslegeringsstål viser de to første cifre kulstofindholdet i hundrededele af en procent [8] .
Eksempel: 03Kh16N15M3B - højlegeret kvalitetsstål, som indeholder 0,03 % C, 16 % Cr, 15 % Ni, op til 3 % Mo, op til 1 % NbSeparate grupper af stål er udpeget noget anderledes:
| Jernholdig metallurgi | ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Generelle begreber Sorte metaller Legering Jern- og Stålværker Metallurgisk kompleks Historie om produktion og brug af jern | ||||||||||||
| Kerneprocesser _ |
| |||||||||||
| Hovedenheder _ |
| |||||||||||
| Vigtigste produkter og materialer |
| |||||||||||