Легирование металлических материалов

Легирование или модифицирование металлических материалов является эффективным процессом повышения их стойкости к воздействию агрессивных сред как при обычных, так и при повышенных температурах. Однако он относительно дорог и применяется тогда, когда материал конструкции не позволяет использовать другие способы защиты. Сущность легирования состоит в том, что в сплавы или металлы, из которых изготавливаются изделия, вводят легирующие компоненты (металлы, неметаллы), вызывающие их пассивацию.

Пассивацией называют процесс перехода металла или сплава в состояние, при котором резко замедляется коррозия. Легирующие компоненты, обладая высокой диффузионной способностью, выходят на поверхность сплава и вместе с основным металлом окисляются кислородом воздуха, образуя устойчивые смешанные оксидные слои (пленки) со структурой шпинелей Ме(II)О Ме2(III)O3, препятствующие проникновению коррозионной среды. Шпинели группа минералов подкласса оксидов:

Ме(II)·Ме2(III)·O4, где Ме(II)-Fe; Mq; Zn; Mn и другие; Ме(III)-Al; Fe; Cr; Ti; Mo; Ni и другие.

Различают объемное (металлургическое) и поверхностное (ионное) легирование. Легированию подвергают железо, алюминий, титан, медь, магний, кадмий, цинк, а также сплавы на их основе.

Объемное легирование осуществляют на стадии выплавки конструкционных материалов. В результате чего получают сплавы с более коррозионной стойкостью, чем сами металлы. Эти сплавы обладают одновременно жаростойкостью и жаропрочностью.

В качестве легирующих компонентов при объемном легировании используют металлы: Cr; Ni; Mo; Cu; Al и другие. Повышенной коррозионной стойкостью обладают лишь сплавы с определенным содержанием легирующего компонента, т.е каждый сплав имеет свою границу устойчивости (таблица 5.2.1).

Граница устойчивости определяется некоторым критическим содержанием основного металла в сплаве, ниже которого начинается избирательная коррозия. При этом растворению подвергается легирующий компонент, а основной металл остается в виде «губки» или порошка. Легирование особенно эффективно тогда, когда при сплавлении компонентов образуется пассивный сплав.

Таблица 5.2.1 – Коррозионно стойкие сплавы

Поверхностному легированию подвергают уже готовые изделия и осуществляют это методом ионной имплантации. Она позволяет избежать излишних затрат ввиду легирования только поверхностного слоя. Легированный слой образуется в результате бомбардировки поверхности металла ионами легирующих компонентов. Ускоренные ионы, проникая вглубь металла, тормозятся при столкновении с его атомами, а затем нейтрализуются его свободными электронами. В результате ионы встраиваются в кристаллическую решетку металла, замещая узлы или междоузлия. Толщина легированного слоя зависит, в основном, от природы и энергии ионов, а также от природы легируемого металла и может составлять до 1мкн (10–6м). Данный метод позволяет вводить любую модифицирующую добавку в любой металл при низких температурах, точно регулируя толщину легированного слоя, что является его достоинством. На практике железо легируют хромом, никелем, алюминием, танталом, свинцом; различные сорта сталей - хромом, гелием, кислородом, фосфором, титаном, молибденом, никелем и др. К недостаткам поверхностного легирования относятся сложность и высокая стоимость оборудования, малая толщина легированного слоя.