Alierea ( germană legieren „a alia ” din latină ligare „ a lega”) este adăugarea de impurități în compoziția materialelor pentru a schimba (îmbunătăți) proprietățile fizice și/sau chimice ale materialului de bază. Aliarea este un concept generalizant al unui număr de procedee tehnologice; se disting alierea volumetrică (metalurgică) și cea de suprafață (ionică, difuză etc.).
Diferitele industrii folosesc tehnologii diferite de aliere.
În metalurgie , alierea se realizează în principal prin introducerea de substanțe suplimentare în topitură sau încărcătură (de exemplu, în oțel - crom , nichel , molibden ), care îmbunătățesc proprietățile mecanice , fizice și chimice ale aliajului. Diferite tipuri de aliaje de suprafață sunt, de asemenea, utilizate pentru a modifica diferite proprietăți (creșterea durității, rezistența la uzură, rezistența la coroziune etc.) ale stratului de metale și aliaje apropiate de suprafață. Alierea se realizează în diferite etape de obținere a unui material metalic în scopul îmbunătățirii calității produselor metalurgice și a produselor metalice.
La fabricarea unor tipuri speciale de sticlă și ceramică , se realizează adesea alierea de suprafață. Spre deosebire de pulverizare și alte tipuri de acoperire, substanțele adăugate difuzează în materialul aliat, devenind parte a structurii acestuia.
În fabricarea dispozitivelor semiconductoare , dopajul se referă la introducerea unor cantități mici de impurități sau defecte structurale pentru a modifica în mod controlabil proprietățile electrice ale semiconductorului , în special tipul său de conductivitate.
Alierea a devenit relativ recent folosită intenționat. Acest lucru s-a datorat parțial dificultăților tehnologice. Aditivii de aliaj pur și simplu s-au ars atunci când se folosește tehnologia tradițională de fabricare a oțelului.
Este de remarcat faptul că primele oțeluri pe care oamenii le-au întâlnit au fost oțeluri aliate natural. Chiar înainte de începutul epocii fierului s- a folosit fier meteoric , care conținea până la 8,5% nichel [1] .
Oțelurile aliate natural obținute din minereuri inițial bogate în elemente de aliere au fost de asemenea foarte apreciate [2] . Duritatea și duritatea crescută a săbiilor japoneze , cu capacitatea de a oferi o muchie ascuțită, se poate datora prezenței molibdenului în oțel [3] .
Opiniile moderne asupra efectului diferitelor elemente chimice asupra proprietăților oțelului au început să prindă contur odată cu dezvoltarea chimiei în al doilea sfert al secolului al XIX-lea [3] .
Unul dintre primii metalurgiști care au început un studiu sistematic al influenței diferitelor elemente asupra oțelului a fost inginerul rus de mineri Pavel Petrovici Anosov . Cercetând influența aditivilor diferitelor elemente asupra oțelului (aur, platină , mangan , crom , aluminiu , titan etc.), el a fost primul care a demonstrat că proprietățile fizico-chimice și mecanice ale oțelului pot fi modificate și îmbunătățite semnificativ prin adăugarea unor elemente de aliere [4] .
Aparent, invenția din 1858 de către Muschette a oțelului care conține 1,85% carbon , 9% wolfram și 2,5% mangan poate fi considerată prima utilizare cu succes a aliajelor țintite . Oțelul a fost destinat fabricării de freze pentru mașini-unelte și a fost prototipul liniei moderne de oțeluri de mare viteză . Producția industrială a acestor oțeluri a început în 1871.
Este general acceptat că primul oțel aliat produs în masă a fost Hadfield Steel , descoperit de metalurgistul englez Robert Abbott Hadfield în 1882 [3] . Oțelul conține 1,0 - 1,5% carbon și 12 - 14% mangan, are proprietăți bune de turnare și rezistență la uzură . Fără modificări semnificative în compoziția chimică, acest oțel a fost păstrat până în prezent.
Pentru a îmbunătăți proprietățile fizice, chimice, de rezistență și tehnologice, metalele sunt aliate prin introducerea diferitelor elemente de aliere în compoziția lor. Cromul, manganul, nichelul, wolframul , vanadiul , niobiul , titanul și alte elemente sunt utilizate pentru aliarea oțelurilor . Adăugările mici de cadmiu la cupru măresc rezistența la uzură a firelor, adăugările de zinc la cupru și bronz cresc rezistența, ductilitatea și rezistența la coroziune. Aliarea titanului cu molibden dublează cu mult mai mult decât limita de temperatură de funcționare a aliajului de titan datorită modificării structurii cristaline a metalului. [5]
Metalele aliate pot conține unul sau mai multe elemente de aliere care le conferă proprietăți speciale.
Elementele de aliere sunt introduse în oțel pentru a crește rezistența structurală a acestuia. Principala componentă structurală din oțelul de structură este ferita , care ocupă cel puțin 90% din volum în structură [6] . Dizolvarea în ferită, elementele de aliere îl întăresc. Duritatea feritei (în starea de după normalizare) este cel mai puternic crescută de siliciu, mangan și nichel. Molibdenul, wolframul și cromul au mai puțin efect. Majoritatea elementelor de aliere, întărind ferita și având un efect redus asupra ductilității , reduc duritatea acesteia (cu excepția nichelului). Scopul principal al dopajului:
Elementele de aliere se pot dizolva în ferită sau austenită, formează carburi , dau compuși intermetalici, se pot localiza sub formă de incluziuni fără a interacționa cu ferita și austenita, precum și cu carbonul. În funcție de modul în care elementul de aliere interacționează cu fierul sau carbonul, acesta afectează proprietățile oțelului în moduri diferite. Toate elementele se dizolvă într-o măsură mai mare sau mai mică în ferită. Dizolvarea elementelor de aliere în ferită duce la întărirea oțelului fără tratament termic. În acest caz, duritatea și rezistența la tracțiune cresc, iar rezistența la impact scade de obicei. Toate elementele care se dizolvă în fier modifică stabilitatea feritei și austenitei. Punctele critice ale oțelurilor aliate se schimbă în funcție de elementele de aliere și în ce cantități sunt prezente în el. Prin urmare, atunci când alegeți temperaturi pentru întărire , normalizare și recoacere sau revenire , este necesar să se țină cont de deplasarea punctelor critice.
Manganul și siliciul sunt introduse în procesul de fabricare a oțelului pentru dezoxidare , sunt impurități tehnologice. Manganul este introdus în oțel până la 2%. Este distribuită între ferită și cementită. Manganul crește considerabil forța de curgere, pragul de fragilitate la rece și călibilitatea oțelului, dar face ca oțelul să fie sensibil la supraîncălzire. În acest sens, elementele care formează carburi sunt introduse în oțel pentru a măcina boabele cu mangan. Deoarece conținutul de mangan este aproximativ același în toate oțelurile, efectul său asupra oțelului de compoziție diferită rămâne imperceptibil. Manganul crește rezistența fără a reduce ductilitatea oțelului.
Versiune alternativă de mai sus:
Manganul și siliciul sunt însoțitori constanti în aproape orice oțel, deoarece sunt introduse special în timpul producției sale. Siliciul, împreună cu manganul și aluminiul , este principalul dezoxidant al oțelului . Manganul este, de asemenea, folosit pentru a „lega” sulful din oțel și pentru a elimina fenomenul de fragilitate roșie . Conținutul de elemente este de obicei în intervalul 0,30 - 0,70% Mn, 0,17-0,37% Si și aproximativ 0,03% Al. In aceste limite se numesc impuritati tehnologice si nu sunt elemente de aliere. Introducerea specială a manganului, siliciului și aluminiului peste intervalele specificate pentru a conferi oțelului anumite proprietăți de consum va fi deja un aliaj [7] .
Siliciul nu este un element care formează carbură , iar cantitatea sa în oțel este limitată la 2%. Mărește semnificativ limita de curgere și rezistența oțelului și, la un conținut de peste 1%, reduce tenacitatea, ductilitatea și crește pragul de fragilitate la rece . Siliciul nu este detectabil structural, deoarece este complet solubil în ferită , cu excepția acelei părți de siliciu care nu a avut timp să plutească în zgură sub formă de oxid de siliciu și a rămas în metal sub formă de incluziuni de silicați.
Marca de oțel aliat de înaltă calitate din Rusia constă dintr-o combinație de litere și numere care indică compoziția sa chimică. Elementele de aliere au următoarele denumiri: crom (X), nichel (H), mangan (G), siliciu (C), molibden (M), wolfram (B), titan (T), tantal (Ta), aluminiu (U). ), vanadiu (F), cupru (D), bor (R), cobalt (K), niobiu (B), zirconiu (C), seleniu (E), metale din pământuri rare (H). Cifrele de după literă indică conținutul elementului de aliere ca procent. Dacă numerele nu sunt indicate, atunci elementul de aliere conține 0,8-1,5%, cu excepția molibdenului și vanadiului (al căror conținut în oțeluri este de obicei de până la 0,2-0,3%), precum și bor (în oțel cu litera P ar trebui să fie de până la 0,010% ). În oțelurile aliate structurale de înaltă calitate , primele două cifre arată conținutul de carbon în sutimi de procent [8] .
Exemplu: 03Kh16N15M3B - oțel de calitate înalt aliat, care conține 0,03% C, 16% Cr, 15% Ni, până la 3% Mo, până la 1% NbGrupurile separate de oțeluri sunt desemnate oarecum diferit:
| Metalurgia feroasă | ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Concepte generale Metale negre Aliaj Fabrica de Siderurgie Complex metalurgic Istoria producerii și utilizării fierului | ||||||||||||
Procesele de bază |
| |||||||||||
Unități principale |
| |||||||||||
| Principalele produse și materiale |
| |||||||||||