Вредные и полезные примеси в стали

Св-ва углеродистых сталей определятся количеством углерода и содержанием примесей, которые взаимодействуют с железом и углеродрм. В сыросном содержании углерода в стали увеличивается процентное содержание цементита при снижении доли феррита, это приводит уменьшению пластичности и повышению твердости (прочности). Прочность повышается при процентном содержании около 1%, затем она уменьшается, потому что образуется грубая сетка Ц2. Увеличение содержания углерода снижает ударную вязкость,и повышается порог хладоломкости. Повышение содержания углерода ухудшает литейное свойство стали(до 0.4% сод. углерода), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость.

Влияние примесей:в сталях всегда присутствуют примеси, которые делятся на четыре группы:

постоянные: кремний, марганец, фосфор,сера. Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они называются технологическими примесями. Содержание марганца 0.5-0.8%, он повышает прочность не снижая пластичности. Содержание кремния 0.35-0.4%, он повышает плотность слитка, но снижает пластичность. Содержание фосфора 0.025-0.045%, он увеличивает прочность и предел текучести, и увеличивает температуру перехода в хрупкое состояние, увеличивает хладоемкость. Содержание серы 0.025-0.06%, она уменьшает пластичность, свариваемость и коррозионную стойкость(вредная примесь).

Скрытые примеси: газы: азот, кислород, водород подают в стали при выплавке, они находятся в стали в виде крупных неметаллических включений:окисловFeO и тд., и нитридов Fe2N и располагаются в дефектах, раковинах и трещинах(Al2O3, SiO2)

Очень вредным является растворенный в стали водород, он охрупчивает сталь и приводит к образованию в поковках флокены- тонкие трещины овальной или округлой формы в виде пятен серебристого цвета.

Специальные примеси вводятся в сталь для получения заданных свойств, и называются легирующими элементами, а стали — лигированные.

Назначение легирующих элементов:хром — основной лег. элемент(содержание 0.8- 1.2%), повышает прокаливаемость, способствует получению равномерной и высокой твердости стали. Порог хладоемкости хромистой стали до -100 градусов.Бор(сод. до 0.003%) увеличивает прокаливаемость, повышает порог хладоемкости до -60 градусов.Титан(до 0.1%) измельчает зерно хромомаргонцевойстали.Молибден(0.15-0.46%) увел. прокаливаемость, снижает хладоемкость до -120 градусов.Ванадий(0.1-0.3%) измельчает зерно, повышает прочность и вязкость.Никель(до 50%) повышает прочность, прокаливаемость, порог хладоемкости. Хромоникилевые стали имеют лучшие св-ва.

Классификация и маркировка сталей: 1) по химическому составу: углеродистые и легированные. 2) по содержанию углерода: низкоуглеродистые(до 0.25%), среднеуглеродистые (до 0.3-0.6%), высокоуглеродистые (больше 0.8%). 3) по равновесной структуре: доэфтектоидные, эфтектоидные(0.8%), заэфтектоидные. 4) по качеству : в зависимости от содаржания вредных примесей(S,P): обычного качества, качественные, высококачественные(S,P меньше 0.03%). 5) по способу выплавки: мартеновские печи, кислородно-корверторные печи, электропечи(электродуговые). 6) по назначению: конструкционные( изготовление деталей машин и др. деталей); инструментальные; специальные(с особыми свойствами).

Маркировка сталей:( принято буквенно-цифровое обозначение) 1) углеродистые стали обыкновенного качества ГОСТ 380. Ст2кп, БСт3кп, ВСт3пс.Ст- индекс стали; кп,пс,сп- степени раскисленности стали(кп- кипящая, пс- полуспокойная, сп- спокойная).С увеличением номера марки увеличивается прочность, и снижается пластичность группы: А,Б,В- свойства сталей.Качественно углеродистые стали маркируются двухзначным числом указывая среднее содержание углерода. Сталь 08 кп, сталь 10 пс.Инструментальные стали маркируются группой У и число указывающее содержание углерода в прцентах. У8-0,8%; У13-1.3%.

Легированные стали:Х-хром,N-никель,М-молибден,В-вольфрам,К-кобальт,А-азот,Г-марганец,Д-медь,Ф-ванадий, С-кремний,Т-титан,Р-фосфор,R-бор,Q-алюминий,Ц-цирконий. Сталь 12Х18Н10Т- нержавейка(1.2% углерода, 18% хлора, 10% никеля, титана меньше 1%)

Инструментальные легированные стали: Сталь 9ХСХВF- сод.углерода 0.9%;

Быстрорежущая сталь Р18, шарико-потшибниковая сталь ШХ6,сталь 15ГС.

источник

К вредным примесям в стали относятся сера, фосфор и кислород. «Сера и фосфор являются теми главными врагами, с которыми металлургам черных металлов приходится иметь дело» (А.А. Байков).

Вред, приносимый серой, зависит не только от количества ее в стали, которое не должно превышать 0,03—0,05%, но и от того, в каком виде она там находится и насколько равномерно она расположена в объеме стали. В соединении с железом сера образует сульфид железа FeS (36,4% S), практически нерастворимый в твердом железе при обыкновенной температуре. Эвтектика, состоящая из железа и FeS, отвечает концентрации 31,5% S (85% FeS и 15% Fe) и плавится при температуре 985° C.

Низкая температура плавления этой эвтектики и легкая окисляемость ее при нагреве, в результате чего образуется сложная эвтектика с закисью железа FeO, имеющая температуру плавления 940°, вызывает в стали красноломкость. Во время ковки, прокатки и прессования такой стали при температурах красного каления в ней образуются трещины, так как сульфидная сетка располагается по границам зерен. Если эту сетку разрушить в мелкие зерна осторожной ковкой при очень высоких температурах, облегчающих деформацию и сваривание зерен металла, то такую сталь можно ковать даже при температуре краснолома. При одновременном присутствии в стали серы и марганца, имеющего большее химическое сродство с серой, чем железо, сера вступает в соединение с марганцем, образуя сернистый марганец MnS, который имеет высокую температуру плавления (1620°) и не вызывает красноломкости.

Сера может присутствовать в стали также в виде твердого раствора MnS и FeS с содержанием до 60% FeS, что соответствует температуре плавления 1365°. FeS может образовать эвтектику с 7% MnS и 93% FeS с температурой плавления 1181°.

Таким образом, марганец ослабляет вредное влияние серы при горячей обработке стали. В то же время MnS, являясь неметаллическим включением, вытягивается в прослойки или нити в направлении вытягивания металла при горячей обработке прокаткой. Вытянутые включения MnS ослабляют прочность изделия в отношении напряжений, направленных перпендикулярно к волокнам.

Чем мельче распылены включения MnS, тем они меньше снижают механические качества стали.
Кроме хрупкости, сера увеличивает истираемость и разрушение железа и стали от коррозии. Известна высокая стойкость железа, полученного из древесноугольного чугуна, свободного от сернистых включений.

Высокосортные стали должны содержать не более 0,02% S низкосортные – не свыше 0,08%.
Фосфор в стали находится в виде твердого раствора в феррите или выделений фосфида железа FeaP и благодаря этому увеличивает твердость железа, прочность и упругость, но одновременно снижает вязкость и особенно ударную вязкость. Влияние фосфора особенно резко обнаруживается в появлении у стали хладноломкости. Фосфор обусловливает склонность к образованию трещин при ударной деформации, при обыкновенной температуре и крупнозернистый излом. Такая сталь становится особенно хрупкой на морозе.

Рис. 11 Шлаковые включения x200

Влияние фосфора на сталь тем сильнее, чем больше в стали углерода. Входя в твердый раствор, фосфор способствует ликвации вследствие большого интервала затвердевания. Поэтому сталь, содержащая фосфор, дает весьма резко выраженную дендритную ликвацию, которая усиливается под влиянием углерода. Фосфор весьма медленно диффундирует в железе (гораздо медленнее, чем углерод). Во избежание местного скопления фосфора вследствие ликвации содержание фосфора в различных сортах стали в зависимости от ее назначения допускается лишь не более 0,02—0,07%. В виде исключения содержание фосфора умышленно увеличивается до 0,2% в стали, идущей для производства болтов и гаек. Благодаря присутствию фосфора достигается более высокая хрупкость, обеспечивающая хорошую обрабатываемость и получение чистой резьбы без задиров.

Кислород в железоуглеродистые сплавы может проникнуть либо во время плавки и разливки, либо путем диффузии в затвердевшее уже железо. В жидком металле кислород находится в виде раствора и кислородных включений FeO₃ Fe₃O₄ MnO, а при раскислении стали различными элементами — в виде включений SiО₂, А1₂О₃, ТiО₂ и т. д., которые почему-либо не успели вcплыть и перейти в шлак.

Наличие неметаллических включений, даже в небольших количествах, вредно влияет на качество стали; поэтому необходимо уметь выявлять их с помощью микроскопа. Включения MnS в стали легко заметить на отполированном шлифе без травления. Они, не обладая металлическим блеском, резко выделяются на светлом полированном поле металла и отличаются от него цветом, обычно серым или голубоватым. В прокатанных или кованых образцах стали неметаллические включения бывают вытянуты в направлении прокатки и ковки. Перпендикулярно направлению прокатки они имеют вид округленных зерен.

Рис. 12 Различная величина включений графита в чугуне х75

Включения FeS в сплавах железа встречаются очень редко и отличаются от MnS желтым или коричневым оттенком.
Окислы железа в виде FeO в железных сплавах (плохо заметны под микроскопом и лишь при значительном содержании в сплаве обнаруживаются в виде круглых серых или зеленоватых пятнышек, похожих на MnS.
Шлаковые включения на неправленом шлифе показаны на рис. 10.

Ранее Простой отжиг. Полный отжиг

Позже Нормализация стали

источник

Сталь является многокомпонентным сплавом, содержащим углерод и ряд постоянных или неизбежных примесей: Mn, Si, S, Р, О, N, Н и другие, которые оказывают влияние на ее свойства. Присутствие этих примесей объясняется трудностью удаления части из них при выплавке (Р, S), переходом их в сталь в процессе ее раскисления (Mn, Si) или из шихты — легированного металлического лома (Cr, Ni).

Влияние углерода. Структура стали после медленного охлаждения состоит из двух фаз — феррита и цементита. Количество цементита возрастает в стали прямо пропорционально содержанию углерода, твердость цементита во много раз больше твердости феррита. Твердые и хрупкие частицы цементита повышают сопротивление движению дислокаций, то есть повышают сопротивление деформации, и, кроме того, они уменьшают пластичность и вязкость. Вследствие этого с увеличением в стали углерода возрастают твердость, пределы прочности и текучести и уменьшаются относительное удлинение, относительное сужение и ударная вязкость. Повышение содержания углерода облегчает переход стали в хладноломкое состояние. При содержании в стали углерода свыше 1,0-1,1% ее твердость в отожженном состоянии возрастает, а предел прочности уменьшается. Последнее объясняется выделением по границам бывшего зерна аустенита вторичного цементита, образующего в сталях указанного состава сплошную сетку. При испытании на растяжение в этой сетке возникают высокие напряжения, и цемент, будучи хрупким, разрушается. Это приводит к преждевременному разрушению образца и соответственно к снижению предела прочности. С увеличением содержания углерода в стали снижается плотность, растет электросопротивление и коэрцитивная сила и понижаются теплопроводность, остаточная индукция и магнитная проницаемость.

Влияние кремния и марганца. Содержание кремния в углеродистой стали в качестве примеси обычно не превышает 0,35-0,4%, а марганца 0,5-0,8%. Кремний и марганец переходят в сталь в процессе ее раскисления при выплавке. Они раскисляют сталь, то есть соединяясь с кислородом закиси железа FеO, в виде окислов переходят в шлак. Эти процессы раскисления улучшают свойства стали. Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний, остающийся после раскисления в твердом растворе (в феррите), сильно повышает предел текучести. Это снижает способность стали к вытяжке, и особенно холодной высадке. В связи с этим в сталях, предназначенных для холодной штамповки и холодной высадки, содержание кремния должно быть сниженным. Марганец заметно повышает прочность, практически не снижая пластичности и резко уменьшая красноломкость стали, то есть хрупкость при высоких температурах, вызванную влиянием серы.

Влияние серы. Сера является вредной примесью в стали. С железом она образует химическое соединение FeS, которое практически нерастворимо в нем в твердом состоянии, но растворимо в жидком металле. Соединение FeS образует с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988°С, эвтектика образуется даже при очень малых содержаниях серы. Кристаллизуясь из жидкости по окончании затвердевания, эвтектика преимущественно располагается по границам зерна. При нагревании стали до температуры прокатки или ковки (1000 — 1200°С) эвтектика расплавляется, нарушается связь между зернами металла, вследствие чего при деформации стали в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины. Это явление носит название красноломкости. Присутствие в стали марганца, обладающего большим сродством к сере, чем железо, и образующего с серой тугоплавкое соединение MnS, практически исключает явление красноломкости. В затвердевшей стали частицы MnS располагаются в виде отдельных включений. В деформированной стали эти включения деформируются и оказываются вытянутыми в направлении прокатки. Сернистые включения сильно снижают механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность в поперечном направлении вытяжки при прокатке и ковке, а также предел выносливости. Работа зарождения трещины не зависит от содержания серы, а работа развития вязкой трещины и вязкость разрушения с увеличением содержания серы резко снижаются. Кроме того, эти включения ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость. В связи с этим содержание серы в стали строго ограничивается; в зависимости от качества стали оно не должно превышать 0,035-0,06%.

Влияние фосфора. Фосфор является вредной примесью, и содержание его в зависимости от качества стали допускается не более 0,025 — 0,045%. Растворяясь в феррите, фосфор сильно искажает кристаллическую решетку и увеличивает пределы прочности и текучести, но уменьшает пластичность и вязкость. Снижение вязкости тем значительнее, чем больше в стали углерода. Фосфор значительно повышает порог хладноломкости стали и уменьшает работу развития трещины. Сталь, содержащая фосфор на верхнем пределе для промышленных плавок (0,045%), имеет работу распространения трещины в 2 раза меньшую, чем сталь, содержащая менее 0,005% Р. Каждая 0,01% Р повышает порог хладноломкости стали на 20-25°С. Вредное влияние фосфора усугубляется тем, что он обладает большой склонностью к ликвации. Вследствие этого в серединных слоях слитка отдельные участки сильно обогащаются фосфором и имеют резко пониженную вязкость. Современные методы получения стали не обеспечивают глубокого очищения металла от фосфора.

Влияние азота, кислорода и водорода. Азот и кислород присутствуют в стали в виде хрупких неметаллических включений (например, окислов FeO, SiO₂, А1₂О₃, нитридов Fe₄N), в виде твердого раствора или, находясь в свободном виде, располагаются в дефектных участках металла (раковинах, трещинах). Примеси внедрения (азот, кислород), концентрируясь в зернограничных объемах и образуя выделения нитридов и оксидов по границам зерен, повышают порог хладноломкости и понижают сопротивление хрупкому разрушению. Неметаллические включения (окислы, нитриды, частицы шлаков), являясь концентраторами напряжений, могут значительно понизить, если они присутствуют в повышенных количествах или располагаются в виде скоплений, предел выносливости и вязкости разрушения.

кристаллизация сталь алюминиевый сплав

Очень вредным является растворенный в стали водород, который сильно охрупчивает сталь. Поглощенный при выплавке стали водород не только охрупчивает сталь, но приводит к образованию в катаных заготовках и крупных поковках флокенов. Флокены представляют собой очень тонкие трещины овальной или округлой формы, имеющие в изломе вид пятен — хлопьев серебристого цвета. Флокены резко ухудшают свойства стали. Металл, имеющий флокены, нельзя использовать в промышленности.

Влияние водорода при сварке проявляется в образовании холодных трещин в наплавленном и основном металле.

Нанесение на поверхность стальных изделий гальванических покрытий или травление в кислотах для очистки ее связано с опасностью насыщения поверхности водородом, что также вызывает охрупчивание. Если водород находится в поверхностном слое, то он может быть удален в результате нагрева при 150 — 180°С, лучше всего в вакууме. Наводороживание и охрупчивание возможно и при работе стали в контакте с водородом, особенно при высоком давлении.

источник

II аттестация.

Диаграмма железо – цементит? Компоненты, фазы и структурные составляющие сталей и белых чугунов, их характеристики и условия образования и свойства. Диаграмма состояния систем железо – цементит. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали. Классификация сталей. Чугуны. Влияние охлаждения и химического состава на структуру и свойства чугуна. Маркировка сталей и чугунов. Цветные сплавы.

Компоненты диаграммы:

I.Железо- металл II.Углерод – не металл

Структурные составляющие системы:

А – аустенит (твердый раствор углерода в γ-железе с ограниченной растворимостью)

Ф – феррит (твердый раствор углерода в α-железе с ограниченной растворимостью)

Ц – цементит (химическое соединение железа с углеродом)

П – перлит (механическая смесь феррита и цементита)

Л – ледебурит (механическая смесь перлита и цементита при 18…20 0 С)

Все чистые металлы имеют одну температуру плавления, а сплавы 2-ве температуры плавления:

АСД – линия начала кристалл «Ликвидус» — низкий

АЕСF – «Солидус» — конец кристаллизации

Fe₃C – белый чугун

Их выплавляют в доменных печах из железной руды, кокса, флюсов (известь).

Fe₃C делится на:

— доэфтектический – (углерода от 2,14-4,3%)

— эвтектический – (углерода 4,3%)

— заэфтектический — (углерода от 4,3-6,67%)

В белых чугунах находится за счет составляющих ледебурита и цементита, обладают высокой твердостью, но хрупкостью.

Детали практически не изготавливаются, маркировка не существует.

Fe₃C частично остается в чугунах

Постоянные примеси делятся:

Сера – снижает пластичность, вязкость, прочность, коррозионную стойкость, свариваемость. Соединения FeS – начинает плавиться при t 0 988 0 C, Mn+FeS=MnS – горит при t 0 1600 0 C

Сера – вызывает явление красноломкость стали.

Mn (марганец) — убирает вредные свойства серы и повышает прочность. При этом пластичность снижается.

Si (кремний) – появляется в стали при процессе раскисления, повышает предел текучести, но снижает пластичность и способность стали к выдержке.

P (фосфор) – растворяется в феррите, увеличивает предел прочности, текучести, но снижает пластичность, вязкость и повышает порог хладноломкости стали.

Газы – частично растворены в стали, находятся в виде хрупких не металлических включений (газовых пузырей). Это повышает хрупкость стали.

С увеличением углерода в стали растет прочность:

Маркировка стали:

I.По химическому составу.

— среднеуглеродистые (с 0,25-0,6%)

— высоколегированные (свыше 10%)

II.По назначению:

III.По структуре:

— доэфтектический (углерода до 0,8% — Ф+П)

— эвтектический (углерода 0,8% — П)

— заэфтектический (углерода свыше 0,8-0,14% — Ц+П)

IV.По качеству:

-качественная (S-0,0035%, Р-0,0035%)

-высококачественная (S-0,025%, Р-0,0025%) — в конце маркировки «А»

-особовысококачественная (S-0,075%, P-0,0625) – в конце маркировка «Ш»

Маркировка стали:

—стали обыкновенного качества:

0,1…6 – показатели прочности

А – механические свойства гарантированы – ВСт₆

Б – гарантированный химический состав – АСтО

В – гарантированные механические свойства и химические состав – БСт₁

08; 10; 15; 20… — количество углерода в сотых долях

— инструментально – углеродистые стали:

7; 8; 9…13 – количество углерода в десятых долях

В основу классификаций положена, буквенно-цифровая система по ГОСТ-4547-71:

Х – хром (Cr)

Н – никель (Ni)

Г – марганец (Mn)

C – кремний, силициум (Si)

М– No (молибден)

Т – Ti (титан)

В – Wi (вольфрам)

Ю – Al (алюминий)

Д – Cu (медь)

К– Co (кобальт)

Ц – (цирконий)

Автономные стали:

А-12/А-20/А30 – на машинах автоматах

12; 20; 30 – показатели в сотых долях (углерод %)

0,12 – не ответственные детали

0,2; 0,3 – ответственные детали

Быстрорежущая сталь:

8 – количество вольфрама (W-8%)

Шарикоподшипниковая сталь:

ШХ-15; Cr 1,5%, углерода свыше 1%

Дата добавления: 2014-11-29 ; Просмотров: 1588 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

источник

Марганец, кремний, алюминий, серу и фосфор относят к постоянным примесям. Алюминий вместе с марганцем и кремнием применяется в качестве раскислителя и поэтому в малых количествах они всегда есть в раскисленных сталях. Руды железа, а также топливо и флюсы всегда содержат определенное количество фосфора и серы, которые остаются в чугуне, а затем переходят и в сталь.

Азот называют скрытой примесью – он поступает в сталь в основном из воздуха.

К случайным примесям относят медь, мышьяк, олово, цинк, сурьму, свинец и другие элементы. Они попадают в сталь с шихтой – с рудами из различных месторождений, а также из железного лома.

Все примеси – постоянные, скрытые и случайные – в разной степени являются неизбежными из-за технологии производства стали. Так, спокойная сталь обычно содержит эти примеси в следующих пределах: 0,3-0,7 % марганца; 0,2-0,4 % кремния; 0,01-0,02 % алюминия; 0,01-0,05 % фосфора, 0,01-0,04 % серы, 0,-0,2 % меди. В этих количествах эти элементы рассматривают как примеси, а в бóльших количествах, которые вносят в стали намеренно, их уже считают легирующими элементами.

Фосфор (Р) сегрегирует при затвердевании стали, но в меньшей степени, чем углерод и сера. Фосфор растворяется в феррите и за счет этого повышает прочность сталей. С увеличением содержания фосфора в сталях их пластичность и ударная вязкость снижается и повышается склонность к хладноломкости.

Растворимость фосфора при высокой температуре достигает 1,2 %. С понижением температуры растворимость фосфора в железе резко падает до 0,02-0,03 %. Такое количество фосфора характерно для для сталей, то есть весь фосфор обычно растворен в альфа-железе.

Фосфор имеет сильную тенденцию сегрегировать на границах зерен, что приводит к отпускной хрупкости легированных сталей, особенно в марганцевых, хромистых, магниево-кремниевых, хромоникелевых и хромомарганцевых сталях. Фосфор, кроме того, увеличивает упрочняемость сталей и замедляет, как и кремний, распад мартенсита в сталях.

Повышенное содержание фосфора часто задают в низколегированных сталях для улучшения их механической обработки, особенно автоматической.

В низколегированных конструкционных сталях с содержанием углерода около 0,1 % фосфор повышает прочность и сопротивление атмосферной коррозии.

В аустенитных хромоникелевых сталях добавки фосфора способствуют повышению предела текучести. В сильных окислителях наличие фосфора в аустенитных нержавеющих сталях может приводить к их коррозии по границам зерен. Это обусловлено явлением сегрегации фосфора по границам зерен.

Содержание серы (S) в высококачественных сталях не превышает 0,02-0,03 %. В сталях общего назначения допустимое содержание серы выше – 0,03-0,04 %. Специальной обработкой жидкой стали содержание серы в стали доводят до 0,005 %.

Сера не растворяется в железе, поэтому любое ее количество образует с железом сульфид железа FeS. Этот сульфид входит в состав эвтектики, которая образуется при 988 °С.

Повышенное содержание серы в сталях приводит к их красноломкости из-за низкоплавких сульфидных эвтектик, которые возникают по границам зерен. Явление красноломкости происходит при температуре 800 °С, то есть при температуре красного каления стали.

Сера оказывает вредное влияние на пластичность, ударную вязкость, свариваемость и качество поверхности сталей (особенно в сталях с низким содержанием углерода и марганца).

Сера имеет очень сильную склонность к сегрегации по границам зерен. Это приводит к снижению пластичности сталей в горячем состоянии. Однако серу в количестве от 0,08 до 0,33 % намеренно добавляют в стали для автоматической механической обработки. Известно, что присутствие серы повышает усталостную прочность подшипниковых сталей.

Присутствие в стали марганца уменьшает вредное влияние серы. В жидкой стали протекает реакция образования сульфида марганца. Этот сульфид плавится при 1620 °С – при температурах значительно более высоких, чем температура горячей обработки сталей. Сульфиды марганца пластичны при температурах горячей обработки сталей (800-1200°С) и поэтому легко деформируются.

Алюминий (Al) широко применяется для раскисления жидкой стали, а также для измельчения зерна стальных слитков. К вредному влиянию алюминия относят то, что он способствует графитизации сталей. Хотя алюминий часто считают примесью, его активно применяют и как легирующий элемент. Поскольку алюминий образует с азотом твердые нитриды, он обычно бывает легирующим элементом в азотируемых сталях. Алюминий повышает стойкость сталей к окалинообразованию, и поэтому его добавляют в теплостойкие стали и сплавы. В дисперсионно упрочняемых нержавеющих сталях алюминий применяют как легирующий элемент, ускоряющий реакцию дисперсионного выделения. Алюминий повышает коррозионную стойкость низкоуглеродистых сталей. Из всех легирующих элементов алюминий является наиболее эффективным для контроля роста зерна при нагреве сталей под закалку.

Вредное влияние азота (N) заключается в том, что образуемые им довольно крупные, хрупкие неметаллические включения – нитриды – ухудшают свойства стали. Положительным свойством азота считают то, что он способен расширять аустенитную область диаграммы состояния сталей. Азот стабилизирует аустенитную структуру и частично заменяет никель в аустенитных сталях. В низколегированные стали добавляют нитридообразующие элементы ванадий, ниобий и титан. При контролируемой горячей обработке и охлаждении они образуют мелкие нитриды и карбонитриды, которые значительно повышают прочность стали.

Медь (Cu) имеет умеренную склонность к сегрегации. К вредному влиянию меди относят снижение хладноломкости стали. При повышенном содержании меди она отрицательно влияет качество поверхности стали при ее горячей обработке. Однако при содержании более 0,20 % медь повышает ее стойкость к атмосферной коррозии, а также прочностные свойства легированных и низколегированных сталей. Медь в количестве более 1 % повышает стойкость аустенитных нержавеющих сталей к воздействию серной и соляной кислот, а также их стойкость к коррозии под напряжением.

Олово (Sn) уже в относительно малых количествах является вредным для сталей. Оно имеет очень сильную склонность сегрегировать к границам зерен и вызывать отпускную хрупкость в легированных сталях. Олово оказывает вредное влияние на качество поверхности непрерывнолитых слитков, а также может снижать горячую пластичность сталей в аустенитно-ферритной области диаграммы состояния.

Сурьма (Sb) имеет сильную склонность сегрегировать при затвердевании стали и поэтому вредно влияет на качество поверхности непрерывнолитых стальных слитков. В твердом состоянии стали сурьма охотно сегрегирует к границам зерен и вызывает отпускную хрупкость легированных сталей.

источник

Марганец, кремний, алюминий, серу и фосфор относят к постоянным примесям. Алюминий вместе с марганцем и кремнием применяется в качестве раскислителя и поэтому в малых количествах они всегда есть в раскисленных сталях. Руды железа, а также топливо и флюсы всегда содержат определенное количество фосфора и серы, которые остаются в чугуне, а затем переходят и в сталь.

Азот называют скрытой примесью – он поступает в сталь в основном из воздуха.

К случайным примесям относят медь, мышьяк, олово, цинк, сурьму, свинец и другие элементы. Они попадают в сталь с шихтой – с рудами из различных месторождений, а также из железного лома.

Все примеси – постоянные, скрытые и случайные – в разной степени являются неизбежными из-за технологии производства стали. Так, спокойная сталь обычно содержит эти примеси в следующих пределах: 0,3-0,7 % марганца; 0,2-0,4 % кремния; 0,01-0,02 % алюминия; 0,01-0,05 % фосфора, 0,01-0,04 % серы, 0,-0,2 % меди. В этих количествах эти элементы рассматривают как примеси, а в бóльших количествах, которые вносят в стали намеренно, их уже считают легирующими элементами.

Фосфор (Р) сегрегирует при затвердевании стали, но в меньшей степени, чем углерод и сера. Фосфор растворяется в феррите и за счет этого повышает прочность сталей. С увеличением содержания фосфора в сталях их пластичность и ударная вязкость снижается и повышается склонность к хладноломкости.

Растворимость фосфора при высокой температуре достигает 1,2 %. С понижением температуры растворимость фосфора в железе резко падает до 0,02-0,03 %. Такое количество фосфора характерно для для сталей, то есть весь фосфор обычно растворен в альфа-железе.

Фосфор имеет сильную тенденцию сегрегировать на границах зерен, что приводит к отпускной хрупкости легированных сталей, особенно в марганцевых, хромистых, магниево-кремниевых, хромоникелевых и хромомарганцевых сталях. Фосфор, кроме того, увеличивает упрочняемость сталей и замедляет, как и кремний, распад мартенсита в сталях.

Повышенное содержание фосфора часто задают в низколегированных сталях для улучшения их механической обработки, особенно автоматической.

В низколегированных конструкционных сталях с содержанием углерода около 0,1 % фосфор повышает прочность и сопротивление атмосферной коррозии.

В аустенитных хромоникелевых сталях добавки фосфора способствуют повышению предела текучести. В сильных окислителях наличие фосфора в аустенитных нержавеющих сталях может приводить к их коррозии по границам зерен. Это обусловлено явлением сегрегации фосфора по границам зерен.

Содержание серы (S) в высококачественных сталях не превышает 0,02-0,03 %. В сталях общего назначения допустимое содержание серы выше – 0,03-0,04 %. Специальной обработкой жидкой стали содержание серы в стали доводят до 0,005 %.

Сера не растворяется в железе, поэтому любое ее количество образует с железом сульфид железа FeS. Этот сульфид входит в состав эвтектики, которая образуется при 988 °С.

Повышенное содержание серы в сталях приводит к их красноломкости из-за низкоплавких сульфидных эвтектик, которые возникают по границам зерен. Явление красноломкости происходит при температуре 800 °С, то есть при температуре красного каления стали.

Сера оказывает вредное влияние на пластичность, ударную вязкость, свариваемость и качество поверхности сталей (особенно в сталях с низким содержанием углерода и марганца).

Сера имеет очень сильную склонность к сегрегации по границам зерен. Это приводит к снижению пластичности сталей в горячем состоянии. Однако серу в количестве от 0,08 до 0,33 % намеренно добавляют в стали для автоматической механической обработки. Известно, что присутствие серы повышает усталостную прочность подшипниковых сталей.

Присутствие в стали марганца уменьшает вредное влияние серы. В жидкой стали протекает реакция образования сульфида марганца. Этот сульфид плавится при 1620 °С – при температурах значительно более высоких, чем температура горячей обработки сталей. Сульфиды марганца пластичны при температурах горячей обработки сталей (800-1200°С) и поэтому легко деформируются.

Алюминий (Al) широко применяется для раскисления жидкой стали, а также для измельчения зерна стальных слитков. К вредному влиянию алюминия относят то, что он способствует графитизации сталей. Хотя алюминий часто считают примесью, его активно применяют и как легирующий элемент. Поскольку алюминий образует с азотом твердые нитриды, он обычно бывает легирующим элементом в азотируемых сталях. Алюминий повышает стойкость сталей к окалинообразованию, и поэтому его добавляют в теплостойкие стали и сплавы. В дисперсионно упрочняемых нержавеющих сталях алюминий применяют как легирующий элемент, ускоряющий реакцию дисперсионного выделения. Алюминий повышает коррозионную стойкость низкоуглеродистых сталей. Из всех легирующих элементов алюминий является наиболее эффективным для контроля роста зерна при нагреве сталей под закалку.

Вредное влияние азота (N) заключается в том, что образуемые им довольно крупные, хрупкие неметаллические включения – нитриды – ухудшают свойства стали. Положительным свойством азота считают то, что он способен расширять аустенитную область диаграммы состояния сталей. Азот стабилизирует аустенитную структуру и частично заменяет никель в аустенитных сталях. В низколегированные стали добавляют нитридообразующие элементы ванадий, ниобий и титан. При контролируемой горячей обработке и охлаждении они образуют мелкие нитриды и карбонитриды, которые значительно повышают прочность стали.

Медь (Cu) имеет умеренную склонность к сегрегации. К вредному влиянию меди относят снижение хладноломкости стали. При повышенном содержании меди она отрицательно влияет качество поверхности стали при ее горячей обработке. Однако при содержании более 0,20 % медь повышает ее стойкость к атмосферной коррозии, а также прочностные свойства легированных и низколегированных сталей. Медь в количестве более 1 % повышает стойкость аустенитных нержавеющих сталей к воздействию серной и соляной кислот, а также их стойкость к коррозии под напряжением.

Олово (Sn) уже в относительно малых количествах является вредным для сталей. Оно имеет очень сильную склонность сегрегировать к границам зерен и вызывать отпускную хрупкость в легированных сталях. Олово оказывает вредное влияние на качество поверхности непрерывнолитых слитков, а также может снижать горячую пластичность сталей в аустенитно-ферритной области диаграммы состояния.

Сурьма (Sb) имеет сильную склонность сегрегировать при затвердевании стали и поэтому вредно влияет на качество поверхности непрерывнолитых стальных слитков. В твердом состоянии стали сурьма охотно сегрегирует к границам зерен и вызывает отпускную хрупкость легированных сталей.

Источники:
Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies, ed. G. E. Totten, 2006.
Гуляев А. П. Металловедение, 1986.

источник

Так же к вредным примесям относятся газы (азот, кислород, водород)

Сера вредная примесь — попадает в сталь главным образом с исходным сырьём чугуном. сера нерастворима в железе, она образует с ним соединение FeS сульфид железа. при взаимодействием с железом образуется эвтектика (Fe + FeS) с температурой плавления 9880 С. Поэтому при нагреве стальных заготовок для пластической деформации выше 9000 С ста- ль становится хрупкой. При горячей пластической деформации заготовка разрушается. Это явление называется красноломкостью. Одним из способов уменьшения влияния серы является введение марганца. Соединение Mns плавится при 16200 С, эти включения пластичны и не вызывают красноломкости

Содержание серы в сталях допускается не более 0.06%

Фосфор попадает в сталь главным образом также с исходным чугуном, используемым также для выплавки стали. До 1.2% фосфор растворяется в феррите, уменьшая его пластичность. Фосфор обладает большой склонностью к ликвации, поэтому даже при незначительном среднем количестве фосфора в отливке всегда могут образоваться участки, богатые фосфором

Расположенный вблизи границ фосфор повышает температуру перехода в хрупкое состояние (хладноломкость) . Поэтому фосфор, как и сера, является вредной примесью, содержание его в углеродистой стали допускается до 0.050%

Скрытые примеси: Так называют присутствующие в стали газы — азот, кислород, водород — ввиду сложности определения их количества. Газы попадают в сталь при её выплавки. В твёрдой стали они могут присутствовать, либо растворяясь в феррите, либо образуя химическое соединение (нитриды, оксиды) . Газы могут находиться и в свободном состоянии в различных несплошностях

Даже в очень малых количествах азот, кислород и водород сильно ухудшают пластические свойства стали. Содержание их в стали допускается 10-2 — 10-4 %. В результате вакуумирования стали их содержание уменьшается, свойства улучшаются

Углеродистые инструментальные стали бывают двух видов: качественные и высококачественные

Качественные углеродистые инструментальные стали маркируют буквой » У » (углеродистая) ; следующая за ней цифра (У7, У8, У10 и т.д.) показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента

Высококачественные стали маркируются буквой » А » в конце (У10А)

Инструментальные углеродистые стали: Обладают высокой твёрдостью (60-65 HRC) , прочностью и износостойкостью и применяются для изготовления различного инструмента

Углеродистые инструментальные стали У8 (У8А) , У10 (У10А) , У11 (У11А) , У12 (У12А) и У13 (У13А) вследствие малой устойчивости переохлажденного аустенита имеют небольшую прокаливаемость, и поэтому эти стали применяют для инструментов небольших размеров

Для режущего инструмента (фрезы, зенкеры, свёрла, спиральные пилы, шаберы, ножовки ручные, напильники, бритвы, острый хирургический инструмент и т.д.) обычно применяют заэвтектоидные стали (У10, У11, У12 и У13) , у которых после термической обработки структура мартенсит и карбиды

Деревообрабатывающий инструмент, зубила, кернеры, бородки, отвёртки, топоры изготовляют из сталей У7 и У8, имеющих после термической обработки трооститную структуру

Углеродистые стали в исходном (отожжённом) состоянии имеют структуру зернистого перлита, низкую твердость (HB 170-180) и хорошо обрабатываются резанием. Температура закалки углеродистых инструментальных сталей У10-У13 должна быть 760-780 0 С, т. е несколько выше Ас1, но ниже Аст для того, чтобы в результате закалки стали получали мартенситную структуру и сохраняли мелкое зерно и нерастворенные частицы вторичного цементита. Закалку проводят в воде или водных растворах солей. Мелкий инструмент из сталей У10-У12 для уменьшения деформаций охлаждают в горячих средах (ступенчатая закалка)

Отпуск проводят при 150-1700 С для сохранения высокой твёрдости (62-63 HRC)

Сталь У7 закаливают с нагревом выше точки Ас3 (800-8200 С) и подвергают отпуску при 275-325 0 С (48-58 HRC)

Углеродистые стали можно использовать в качестве режущего инструмента только для резанья материалов с малой скоростью, так как их высокая твёрдость сильно снижается при нагреве выше 190-200 0 С

2. Диаграмма состояния железо-карбид железа

Стали, содержащие от 0,8 до 2.14 % С, называют заэвтектоидными

В начале нагревания заэвтектоидный сплав имеет структуру перлита и вторичного цементита

При повышении температуры до 7270 С (т. 1) , происходит эвтектоидное превращение, перлит превращается в аустенит. От точки 1 до точки 2 сплавы имеют структуру аустенит + вторичный цементит. По мере приближения к точки 2 концентрация углерода в аустените увеличивается согласно линии SE

При температурах, соответствующих линии SE (т. 2) , аустенит оказывается насыщенным углеродом, и при повышении температуры сплав полностью затвердевает и имеет структуру только аустенита. До точки 3 в сплаве не происходит никаких изменений, просто увеличивается температура

При повышении температуры в точки 3 из твёрдого аустенита выделяется жидкость. Структура становится жидкость+аустенит. До точки 4 в сплаве не происходит никаких изменений

В точке 4 под влиянием высокой температуры весь аустенит превращается в жидкость

Таким образом, после окончательного нагревания заэвтектоидные сплавы состоят из жидкости

3. Зародыши аустенита при нагреве выше 7270 С образуются на границах раздела феррит — карбид. При таком нагреве число зародышей всегда достаточно велико и начальное зерно аустенита мелкое. Чем выше скорость нагрева, тем меньше зерно аустенита, так как скорость образования зародышей выше, чем скорость их роста

При дальнейшем повышении температуры или увеличении длительности выдержки при данной температуре происходит собирательная рекристаллизация и зерно увеличивается. Рост зерна, образовавшегося при нагреве до данной температуры, естественно, не изменяется при последующим охлаждении Способность зерна аустенита к росту зерна неодинакова даже у сталей одного марочного состава вследствие влияния условий их выплавки

По склонности к росту зерна различают два предельных типа сталей: наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые

В наследственно мелкозернистой стали при нагреве до высоких темпера тур (1000-10500 С) зерно увеличивается незначительно, однако при более высоком нагреве наступает бурный рост зерна. В наследственно крупнозернистой стали, наоборот, сильный рост зерна наблюдается даже при незначительном перегреве выше 7270 С. Различная склонность к росту зерна определяется условиями раскисления стали и её составом

Чем меньше зерно, тем выше прочность (sв, sт, s-1) , пластичность (d, y) и вязкость (KCU, KCT) , ниже порог хладноломкости (t50) и меньше склонность к хрупкому разрушению. Уменьшая размер зерна аустенита, можно компенсировать отрицательное влияние других механизмов упрочнения на порог хладноломкости

Легирующие элементы, особенно карбидообразующие (нитридообразующие) задерживают рост зерна аустенита. Наиболее сильно действуют Ti, V, Nb, Zr, Al, и N, образующие трудно растворимые в аустените карбиды (нитриды) , которые служат барьером для роста зерна. Чем больше объёмная доля карбидов (нитридов) и выше их дисперсность (меньше размер) , тем мельче зерно аустенита. Одновременно нерастворимые карбиды (натриды) оказывают зародышное влияние на образование новых зёрен аустенита, что также приводит к получению более мелкого зерна. Марганец и фосфор способствуют росту зерна аустенита

Все методы, вызывающие измельчение зерна аустенита, — микролегирование (V, Ti, Nb и др.) , высокие скорости нагрева и др. — повышают конструкционную прочность стали

Крупное зерно стремятся получить только в электротехнических (трансформаторных) сталях, чтобы улучшить их магнитные свойства

источник

Сталь — это сплав железа с углеродом, где углерода до 2,14%. В стали всегда присутствуют и другие элементы — примеси, попадающие в сплав из природных соединений, и из металлолома, в процессе раскисления: марганец, кремний, сера, фосфор, никель, медь, хром, мышьяк и другие.

Примеси в стали подразделяются на постоянные, случайные и вредные. Качество стали определяется содержанием вредных примесей.

Основные вредные примеси — это сера и фосфор. «Сера и фосфор являются теми главными врагами, с которыми металлургам черных металлов приходится иметь дело» (А.А. Байков).

Так же к вредным примесям относятся неметаллические включения — газы (азот, кислород, водород), за исключением мышьяка, они присутствуют во всех сталях. Вредными эти примеси прежде всего являются потому, что повышение их содержания понижает сопротивление проката хрупким разрушениям различной природы, особенно вредно эти примеси влияют на свойства сталей, эксплуатируемых при низких температурах. Одна из важных задач современной металлургии — сведение их содержания к разумному минимуму.

Сера (S) попадает в сталь из чугуна (из золы и руды).

S — 0,035 — 0,06% (0,018% S — качественная сталь). Сера нерастворима в железе, она образует с железом соединение FeS. Это соединение образуют с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления — Тпл = 988?С.

Наличие эвтектики вызывает красноломкость, т.е. хрупкость при высоких температурах. При нагреве до 1000-1200?С эвтектика, располагающая по границам зёрен, расплавляется и при деформации (ОМД) в стали возникают надрывы и трещины. Сера образует с ним

Эвтемктика (греч. йutektos — легкоплавящийся) — жидкая система (раствор или расплав), находящаяся при данном давлении в равновесии с твёрдыми фазами, число которых равно числу компонентов системы.

Поэтому при нагреве стальных заготовок для пластической деформации сталь становится хрупкой. При горячей пластической деформации заготовка

разрушается. Это явление называется красноломкостью. Одним из способов

уменьшения влияния серы является введение марганца. Эти включения пластичны и не вызывают красноломкости.

Вывозят серу из стали с помощью марганца. Марганец обладает большим сродством к сере, чем железо, и образует соединение MnS с высокой температурой плавления Тпл = 1620?С:

Сера и её соединения при комнатных и пониженных температурах способствует снижению ударной вязкости стали, т. к. разрушение металла идёт по сульфидным включениям (поэтому ударная вязкость металла (KCU) снижается) (рис. 5).

Рисунок 5. Влияние серы на вязкие свойства стали

Также сера снижает пластичность — д, ш%.

Сернистые включения ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость. Сера облегчает обрабатываемость резанием.

Фосфор (Р) содержится в пределах 0,025-0,045% Р. Попадает в сталь в процессе производства из руды, топлива, флюсов.

Фосфор занимает особое место среди других элементов, присутствие которых отрицательно сказывается на качестве стали. С одной стороны, фосфор является легирующим элементом, сильно упрочняющим феррит и повышающим коррозионную стойкость проката в атмосферных условиях; с другой стороны, повышенное содержание фосфора в стали обусловливает появление хрупкости, снижение ударной вязкости и сопротивления хрупкому разрушению, а также увеличение склонности к образованию кристаллизационных трещин при сварке.

Растворяясь в феррите, фосфор сильно искажает решетку и увеличивает пределы прочности и текучести, но уменьшает пластичность и вязкость. Сильное упрочняющее действие фосфора объясняется тем, что в феррите он замещает атомы железа, а так как его атом больше атомов железа, то это приводит к существенному упрочению, но также и к охрупчиванию. Кроме того, фосфор препятствует поперечному микроскольжению, увеличивая тем самым склонность к микроплоскому скольжению, при этом уменьшается количество плоскостей скольжения, особенно с понижением температуры, а также увеличивается склонность железа к двойникованию.

Снижение вязкости тем значительнее, чем больше в стали фосфора.

Фосфор значительно повышает порог хладноломкости.

Каждая 0,01% Р повышает порог хладноломкости стали на 20 — 25?С (для углерода такое же влияние оказывает каждая 0,1%).

Фосфор обладает большой склонностью к ликвации (неоднородность распределения). Фосфор скапливается в серединных слоях слитка, по границам зёрен, сильно снижая ударную вязкость.

Фосфор (Р) — усиливает ковалентную (хрупкую) связь и ослабляет металлическую. С понижением температуры хрупкость металла увеличивается (хладноломкость) (рис. 6). Фосфор облегчает обрабатываемость стали режущим инструментом (создавая хрупкость). Совместное присутствие в стали фосфора и меди (Р + Сu) — повышает сопротивление коррозии.

Рисунок 6. Влияние фосфора на хладноломкость стали (0,2% С, 1% Mn)

Так называют присутствующие в стали газы — азот, кислород, водород — ввиду сложности определения их количества. Газы попадают в сталь при её выплавке.

В твёрдой стали они могут присутствовать, либо растворяясь в феррите, либо образуя химическое соединение (нитриды, оксиды). Газы могут находиться и в свободном состоянии в различных несплошностях.

Даже в очень малых количествах азот, кислород и водород сильно ухудшают пластические свойства стали. Содержание их в стали допускается

0,2 — 0,4 %. В результате вакуумирования стали их содержание уменьшается, свойства улучшаются.

Кислород (О2): образует неметаллические включения оксиды — FeO, MnO, Al2O3, SiO2.

Азот (N2): образует нитриды — Fe4N, Fe2N, AlN.

Кислород и азот в свободном виде располагаются в раковинах, трещинах и др. Эти включения значительно уменьшают ударную вязкость, повышают порог хладноломкости и уменьшают пластичность, при этом повышается прочность стали (рис. 7).

Рисунок 7. Влияние примесей внедрения кислорода (а) и азота (б) на вязкие свойства железа

Водород (Н2): при затвердевании часть водорода в атомарном состоянии остаётся в стали. При переходе атомарного водорода в молекулярный повышается давление до 150 МПа, образуя эллипсовидные впадины — флокены, которые являются неисправимым браком. Флокены способствуют сильному охрупчиванию стали.

Частично удалить водород с поверхностного слоя можно путём нагрева до 150-180?С, лучше всего в вакууме

10-2 — 10-3 мм. рт. ст. или нагрев до 800?С и выдержке, водород уходит и остаётся чистый металл.

источник

Влияние примесей на свойства стали и чугуна

Сталь — деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (и другими элементами), характеризующийся эвтектоидным превращением. Содержание углерода в стали не более 2,14 %, но не менее 0,022 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.

Учитывая, что в сталь могут быть добавлены легирующие элементы, сталью называется содержащий не менее 45 % железа сплав железа с углеродом и легирующими элементами (легированная, высоколегированная сталь).

Чугу́н — сплав железа с углеродом (содержанием обычно более 2,14 %). Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют: белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Как правило, чугун хрупок.

Примеси могут оказывать на свойства стали как положительное, так и отрицательное влияние, поэтому их делят на полезные и вредные. Полезные примеси в основном влияют на свойства кристаллов (зерен), а вредные примеси ухудшают межкристаллитные (межзеренные) связи.

В сталях большинства марок главной полезной примесью является углерод. Такие стали называют углеродистыми. Содержание углерода в углеродистых сталях чаще всего составляет 0,05—0,50%, но может достигать 1% и более (теоретически до 2,14%). В углеродистых сталях в качестве полезной примеси также могут содержаться марганец (0,3—0,6%) и кремний (0,15—0,3%). Содержание вредных примесей, которыми обычно являются сера, фосфор, кислород и азот, ограничивают сотыми и тысячными долями процента.

Полезные примеси: В первую очередь, это кремний и марганец.

— Марганец: Благодаря марганцу в стали повышается прокаливаемость, а вредное воздействие серы, наоборот, понижается.

— Кремний: повышает прочность стали, раскисляя ее.

И фосфор, и кремний вводится в сталь специально при выплавке.

Вредные примеси: К вредным примесям относятся сера и фосфор.

— Сера: Влияние серы отрицательно сказывается на пластичности и вязкости стали. Сталь становится красноломкой при ковке и прокатке. Но сера может влиять на сталь и положительно. Она придает стали свойства, более оптимальные для обработки. Поэтому, в некоторых случаях, содержание серы все же допустимо (но только в автоматических сталях неответственного назначения). В стали сера появляется из чугуна.

— Фосфор: Негативное влияние фосфора сказывается на пластичности стали. Это связано с тем, что тип кристаллической решетки заметно фосфора заметно отличается от стали. Фосфор содержится в руде, из которой выплавляют сталь.

Отрицательно сказываются на качестве стали и такие газы, как кислород, азот и водород.

— Кислород: уменьшает вязкость и пластичность стали.

— Азот: Имеет аналогичное действие.

— Водород: вызывает хрупкость стали.

Эти примеси могут попадать в сплав из природных соединений (руд), например, сера и фосфор; из металлического лома — хром, никель и др.; в процессе выплавки и раскисления — углерод, кремний и марганец. Углерод находится главным образом в связанном состоянии в виде цементита. В свободном состоянии в виде графита он содержится в чугунах. С увеличением содержания углерода в сталях возрастают твердость, прочность и уменьшается пластичность. Сера является вредной примесью. Она образует легкоплавкую эвтектику FeS + + Fe, которая при кристаллизации сплава располагается по границам зерен и при повторном нагреве расплавляется, что приводит к образованию трещин и надрывов. Это явление носит название красноломкости.

Содержание серы должно быть менее 0,06 %. Фосфор ухудшает пластические свойства сплава, вызывая явление хладноломкости. Его содержание в стали не должно превышать 0,08 %. В чугуне допускается до 0,3 % Р. Азот, кислород и водород присутствуют в сплавах в составе оксидов FeO, Si02, А1203, нитридов Fe4N или в свободном состоянии, при этом они располагаются в дефектных местах в виде молекулярного и атомарного газов. Оксиды и нитриды служат концентраторами напряжений и могут снижать механические свойства (прочность, пластичность). Водород растворяется в стали при расплавлении. При охлаждении сплава растворимость водорода уменьшается, он накапливается в микропорах под высоким давлением и может стать причиной образования внутренних надрывов в металле (флокенов) и трещин. Кремний и марганец попадают в железоуглеродистый сплав при его выплавке и в процессе раскисления. Кремний повышает предел текучести и уменьшает склонность к хладноломкости. Кремний способствует графитизации чугуна. Марганец образует твердый раствор с железом и немного повышает твердость и прочность феррита. Стали классифицируются по химическому составу, качеству и назначению. По химическому составу классифицируют главным образом конструкционные стали, предназначенные для изготовления деталей машин и металлических конструкций. Конструкционные стали делят на углеродистые и легированные. Углеродистые стали могут быть низкоуглеродистые: С 0,09 . 0,25 %; среднеуглеродистые: С 0,25 . 0,45 % и высокоуглеродистые: С 0,45 . 0,75 %. Легированные стали условно подразделяют на низколегированные с содержанием легирующих элементов 2,5 %; среднелегированные — от 2,5 до 10 % и высоколегированные — более 10 %.

Другие стали, например инструментальные, с особыми физико-химическими свойствами по химическому составу обычно не классифицируются. По назначению стали подразделяют на конструкционные, инструментальные и стали и сплавы с особыми свойствами — жаропрочные, кислотостойкие, износостойкие, магнитные и др. По качеству различают стали общего назначения, качественные, высококачественные и особовысококачественные, в последнем случае в маркировке указывается способ выплавки и последующей обработки стали. Под качеством стали понимают совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей — серы и фосфора. Газы являются скрытыми количественно трудноопределяемыми примесями, поэтому нормы содержания вредных примесей служат основными показателями для разделения сталей по качеству. Стали обыкновенного качества содержат до 0,05 % S и 0,04 % Р, качественные — не более 0,04 % S и 0,035 % Р, высококачественные -не более 0,025 % S и 0,025 % Р, особовысококачественные — не более 0,015 % S и 0,025 % Р. Стали углеродистые обыкновенного качества (ГОСТ 380-88) обозначаются индексом Ст и порядковым номером, например, Ст1, СтЗ, Ст5. Чем выше номер в обозначении стали, тем выше ее прочность и ниже пластичность.

источник

Согласно классификации Н. Т. Гудцова, примеси в стали подразделяют на постоянные (обыкновенные), случайные некрытые (вредные).

Постоянными примесями в стали являются марганец и кремний, которые как примеси имеются практически во всех промышленных сталях. Содержание марганца в конструк­ционных сталях обычно находится в пределах 0,3—0,8 % (если марганец не является легирующим элементом), в ин­струментальных сталях его содержание несколько меньше /q 15 0,40 %). Введение марганца как технологической до­бавки в таких количествах необходимо для перевода серы из сульфида железа в сульфид марганца. Кремний в хоро­шо раскисленных (спокойных) сталях обычно содержится в пределах 0,17—0,37 >%. В неполной мере раскисленных низкоуглеродистых (^0,2 % С) сталях его содержится меньше: в полуспокойных 0,05—0,017 %, в кипящих 8—10 приводит практически к полному связыванию серы в туго-

Рис. 9. Зависимость ударной вязкости нормализованной ста­ли типа 45 от содержания в ией серы (В. Кнорр)

Рнс. 10. Зависимость ударной вязкости KCV (а) и температуры перехода Ту, (б) стали 08Г2МБ от содержания серы (Е. Н. Жукова) овМП а:

Эффекта или сульфидного парадокса (рис. 10). Оно объясняется тем, что повышение содержания се­ры снижает ударную вязкость на поперечных образцах с острым надрезом (KCV), т. е. сопротивление стали вязко­му разрушению (рис. 10,а). Увеличение прочности стали приводит к более существенному влиянию серы на сниже­ние вязкости. Наиболее интенсивно понижается сопротив­ление вязкому разрушению при содержаниях серы до 0,010%. В то же время влияние серы на температуру пе­рехода из вязкого в хрупкое состояние, определяемое по наличию 50 % вязкой составляющей в изломе ударных об­разцов— T5о, т. е. на сопротивление стали хрупкому разру­шению, имеет экстремальный характер. Как показывают данные, представленные на рис. 10,6, наиболее склонна к хрупкому разрушению сталь при концентрации серы

0,010%. При меньших и больших концентрациях серы температура перехода T50 понижается. Экстремальное со­держание серы в различных сталях может быть разным. Таким образом, сульфидный эффект заключается в повы­шении сопротивления стали хрупкому разрушению при од­новременном уменьшении сопротивления вязкому разруше­нию с увеличением содержания серы выше определенного предела. Можно полагать, что сульфидный эффект обуслов­лен различным взаимодействием движущейся трещины с сульфидами в зависимости от вязкости матрицы.

В жаропрочных аустенитных сталях повышение содер­жания серы заметно уменьшает пределы ползучести и дли­тельной прочности, т. е. S снижает жаропрочные свойства.

Растворимость фосфора в а — и у-железе значительно выше, чем содержание фосфора в стали, как примеси. Поэтому фосфор в стали целиком находится в твердом растворе, и его влияние на свойства сказывается посредством измене­ния свойств феррцта и аустенита. Вредное действие фосфо­ра на свойства может усугубляться из-за сильной склонно­сти его к ликвации (степень ликвации достигает 2—3).

Действие фосфора на свойства феррита проявляется в его упрочняющем влиянии и особенно в усилении хладно­ломкости стали, т. е. повышении температуры перехода из вязкого в хрупкое состояние (рис. 11). \

Фосфор относится к сильным упрочнителям (см. гл. IV, п — 4). Несмотря на то что содержание его в стали обычно

Не превышает 0,030—0,040 %, он увеличивает предел теку­чести феррита на 20—30 МПа. В то же время увеличение содержания фосфора В пределах сотых долей процента мо­жет вызывать повышение порога хладноломкости на не-

Рис. 11. Влияние фосфора на Oa и ат (М. С. Михалев, М. И. Гольдштейи) и ударную вязкость KCU (А. П. Гуляев) низкоуглероднстой феррнто-перлнтной стали (0,2 % С, 1 % Mn)

Сколько десятков градусов (

20—25 cC на 0,01 % Р) бла­годаря сильному уменьшению работы распространения тре­щины.

В конструкционных улучшаемых сталях фосфор ответ­ственен за проявление обратимой отпускной хрупкости (см.

Гл. IX, п. 6). В этом случае’ влияние его на порог хладно­ломкости особенно сильно (0,010 % P повышает темпера­туру перехода на

Аналогично фосфор влияет на порог хладноломкости аус — тенитных марганцовистых ста­лей, при этом его вредное вли­яние проявляется менее, резко (рис. 12). Влияние фосфора в допустимых пределах на меха­нические и жаропрочные свой­ства хромоникелевых аустенит — ных нержавеющих и жаропроч­ных сталей заметно не прояв­ляется.

Рнс. 12. Влияние фосфора на порог хладноломкости Tso аусте — нитной марганцовистой стали г 110Г13 (А. П. Гуляев):

В сталях, выплавленных на базе керченских руд, содер­жится мышьяк. Его влияние на свойства стали аналогично фосфору, но вредное действие мышьяка значительно сла­бее, чем фосфора. Поэтому в качественной стали такого производства допускается до 0,08 % As.

R сталях в определенных количествах обычно присутствуют водород, ислород, азот. Содержание их в сталях зависит прежде всего от спо­соба выплавки. Примерное содержание, %, газов в стали при разных способах выплавки по данным А. П. Гуляева:

Электропечной Мартеновский Кислородно-

Водород • • • Кислород • • • Азот. . . •

. 0,0004—0,0006 0,002—0,004 0,007—0,010

0,0003—0,0007 0,005—0,008 0,004—0,006 0,0001—0,0008 0,005—0,003 0,002—0,005

Водород может входить в состав твердого раствора стали и выде­ляться в газообразном состоянии, скапливаясь в порах металла, при этом в стали образуются флокены. Кислород обычно связан в неметал­лические включения. Азот отрицательно влияет на свойства стали, если он находится в твердом растворе или образует нитриды железа, вызы­вая старение стали. Положительное влияние азота на свойства стали проявляется при связывании его в прочные нитриды AlN, VN1 NbN или карбонитриды V (С, N), Nb (С, N) и др., что используется в сталях с карбоннтридным упрочнением. Кроме того, азот широко используется в качестве аустеннтообразующего элемента в коррозионностойкнх и жаропрочных сталях.

В заключение необходимо отметить, что борьбу с вредными при­месями в стали в основном проводят при выплавке стали. Уменьшение содержания вредных примесей в стали требует зачастую немалых за­трат для осуществления определенных технологических приемов и при­менения специальных методов выплавки.

источник