Какие постоянные примеси содержатся в сталях

Примеси в стали. Купить оптом

Сталь и ее примеси

Все добавки или примеси, которые содержатся в стали, можно условно разделить на три вида:

• Скрытые;
• Постоянные;
• Случайные.

К скрытым добавкам можно отнести азот. Это вещество попадает в структуру стали из воздуха. Постоянными можно назвать, кремний, марганец, фосфор или серу. В раскисленной стали, в небольших количествах находиться алюминий в паре с кремнием и марганцем. Если примесь находится в таком виде, она выступает в качестве раскислителя. Сталь также может содержать флюсы, топливо, и руды железа, обогащены фосфором и серой.

Все вышеперечисленные вещества можно назвать примесями лишь в том случае, если их содержание в стали не превышает следующий процент:

• Элементы кремния – 0,02%;
• Элементы фосфора – 0,03%;
• Элементы марганца – 0,65%;
• Элементы алюминия – 0,02%;
• Элементы меди – 0,2%;
• Элементы серы – 0,2%.

Если процент содержания данных веществ в различных сталях превышает вышеперечисленные показатели, то их уже можно назвать не примесями, а легирующими элементами.

Фосфор и его воздействие на структуру стали

Благодаря присутствию фосфора, значительно повышается прочность стали. Чем больше фосфора находиться в стали, тем более прочным становиться металл, а его вязкость и пластичность, соответственно, снижается. При затвердевании стали, вещество способно сегрегировать. При высокой температуре фосфор хорошо растворяется в металле.

Для того чтобы повысить возможности механической обработки стали, количество фосфора увеличивают. Присутствие фосфора в конструкционной низколегированной стали способствует улучшенному сопротивлению металлу к коррозии. Добавления фосфора в аустенистые стали из хрома и никеля, повышают предел текучести.

Влияние серы

Высококачественные стали не должны содержать более чем 0,04% серы. Серная примесь, которая находиться в железе, создает сульфид железа, поскольку данная примесь не растворяется в металле. Если процент содержания серы в сталях слишком высок, это приводит к красноломкости, снижению ударной вязкости и пластичности металла.

Сера является склонной к сегрегации по зерновым границам. Такие ее свойства способствуют понижения показателя пластичности горячих сталей. Добавляя в сталь до 0,3 % серы, можно облегчить механическую обработку данных металлов.

Если в составе стали находится марганец, он немного нейтрализует негативное влияние серы на свойства металла. Сульфид марганца зачастую может образоваться в жидких сталях. Эта примесь очень пластична, особенно при высоких температурах обработки стали.

Алюминий в сталях

Компонент алюминий незаменим при раскислении стали, которая находиться в жидком состоянии. С его помощью также можно измельчить зерно в слитках стали. Алюминий – это вещество, которое может быть примесью, и одновременно, выполнять легирующую функцию в сталях.

Благодаря наличию алюминиевых примесей, сталь становиться более стойкой к образованию окалин. В качестве легирующего элемента, алюминий часто выступает в составе дисперсионно-упрочняемой стали, которая также является нержавеющей. В данном случае элемент способствует ускорению реакции выделения дисперсий. Низкоуглеродистая сталь, содержащая алюминий, является более устойчивой к коррозии и другим разрушающим воздействиям.

Азот, медь и олово в составе сталей

Влияние азота на сталь в некотором роде негативное. Он образует нитриды (неметаллические вещества), которые понижают свойства сталей. Но, достоинством азота является то, что находясь в составе сталей, он расширяет аустенитность металла. Элементы, которые образуют нитрид, такие как титан или ванадий, часто добавляют в стали с низкой легированностью.

Медь, которая находится в сталях, уменьшает их хладноломкость. Если количество медных веществ в стали превышает допустимую норму, то это ухудшает качество поверхности металла на стадии его горячей обработки. Присутствие меди в небольших количествах, способствует повышению антикоррозийных свойств сталей, а также делает их более прочными.

Олово оказывает негативное влияние на сталь, даже если оно его процентное соотношение небольшое. Олово склонно к сегрегации границ зерен, а также в легированных сталях может вызвать хрупкость. Присутствие олова в стальных слитках снижает горячую пластичность стали, а также снижает качество их поверхности таких слитков.

При производстве сталии современная металлургия использует огромное количество примесей и добавок. Пропорции и количество легирующих элементов, как еще называют добавки, обычно составляют коммерческую тайну металлургической компании. 

Углерод — неотъемлемая часть любой стали, так как сталь это сплав углерода с железом. Процентное содержание углерода определяет механические свойства стали. С увеличением содержания углерода в составе стали, твердость, прочность и упругость стали увеличиваются, но пластичность и сопротивление удару понижаются, а обрабатываемость и свариваемость ухудшается.

Кремний — незначительное его содержание в составе стали особого влияния на ее свойства не оказывает. При повышении содержания кремния значительно улучшаются упругие свойства, магнитопроницаемость, сопротивление коррозии и стойкость к окислению при высоких температурах.

Марганец — в углеродистой стали содержится в небольшом количестве и особого влияния на ее свойства не оказывает. Однако он образует с железом твердое соединение повышающее твердость и прочность стали, несколько уменьшая ее пластичность. Марганец связывает серу в соединение MnS, препятствуя образованию вредного соединения FeS. Кроме того, марганец раскисляет сталь. Сталь в состав которой входит большое количество марганца приобретает существенную твердость и сопротивление износу.

Легирующие компоненты в составе стали и их влияние на свойства:

Алюминий — сталь, состав которой дополнен этим элементом, приобретает повышенную жаростойкость и окалиностойкость.

Кремний — увеличивает упругость, кислостойкость, окалиностойкость стали.

Марганец — увеличивает твердость, износоустойчивость, стойкость против ударных нагрузок при этом не уменьшает пластичности.

Медь —  улучшает коррозионностойкие свойства стали.

Хром — повышает твердость и прочность стали, незначительно уменьшая пластичность, увеличивает коррозионностойкость. Содержание больших количеств хрома в составе стали придает ей нержавеющие свойства.

Никель — также как и хром придает стали коррозионную стойкость, а также увеличивает прочность и пластичность.

Вольфрам — входя в состав стали, образует очень твердые химические соединения — карбиды, резко увеличивающие твердость и красностойкость. Вольфрам препятствует расширению стали при нагреве, способствует устранению хрупкости при отпуске.

Ванадий — повышает твердость и прочность стали, увеличивает плотность стали. Ванадий является хорошим раскислителем.

Кобальт — повышает жаропрочность, магнитные свойства, увеличивает стойкость против ударных нагрузок .

Молибден — увеличивает красностойкость, упругость, предел прочности на растяжение, улучшает антикоррозионные свойства стали и сопротивление окислению при высоких температурах.

Титан — повышает прочность и плотность стали, является хорошим раскислителем, улучшает обрабатываемость и увеличивает коррозионностойкость.

Содержание постоянных примесей обычно ограничивается следующими верхними пределами: 0,8 % Мn; 0,5 % Si; 0,05 % Р; 0,05 % S. При большем их содержании сталь следует относить к легированным, куда эти элементы введены специально.

Марганец

Его вводят в любую сталь для раскисления:

FeO + Mn -> MnO +Fe,

т.е. для устранения оксида железа. Марганец хорошо растворяется в феррите и цементите. Он повышает прочность стали, практически не снижая пластичности, резко уменьшает красноломкость, т.е. хрупкость при высоких температурах вызванную влиянием серы.

Кремний

Его вводят в сталь для раскисления:

2FeO + Si -> 2Fe + SiO2.

Кремний полностью растворим в феррите; сильно повышает предел текучести стали, что снижает способность стали к пластической деформации. В сталях, предназначенных для холодной штамповки, вытяжки, содержание кремния должно быть минимальное.

Фосфор

Железные руды, топливо, флюсы содержат какое-то количество фосфора, которое в процессе производства чугуна остается в нем в той или иной степени и затем переходит в сталь. Фосфор хорошо растворяется в феррите и аустените, а при высоком содержании образует фосфид Fe3Р (15,62 % Р). Растворяясь в феррите, фосфор искажает кристаллическую решетку и увеличивает пределы прочности и текучести стали, сильно уменьшает пластичность и вязкость; каждые 0,01 % Р повышают порог хладноломкости на 20…25 0С. Фосфор является вредной примесью в сталях.

Сера

Как и фосфор, сера попадает в металл из руд, а также из печных газов — продукт горения топлива (SO2). Сера весьма ограниченно растворима в феррите, и практически любое ее количество образует с железом сернистое соединение — сульфид железа FeS, который входит в состав эвтектики, имеющей температуру плавления 988 0С. Она располагается преимущественно по границам зерен. При нагреве стали до температуры прокатки, ковки (1000…1200 0С) эвтектика расплавляется, нарушая связь между зернами. В процессе деформации в этих местах образуются надрывы и трещины. Это явление носит название красноломкости. Введение марганца в сталь уменьшает вредное влияние серы, так как при введении его в жидкую сталь идет образование сульфида марганца, имеющего температуру плавления

1620 0С:

FeS + Mn -> MnS + Fe.

Частицы MnS располагаются в виде отдельных включений и при деформации вытягиваются в строчки вдоль прокатки.

Сернистые соединения сильно снижают механические свойства стали при статическом и циклическом нагружении, особенно вязкость, пластичность, предел выносливости. Сера является вредной примесью в сталях.

Азот и кислород

Содержатся в стали в небольших количествах, зависящих от способа производства. Они могут в газообразном состоянии находиться в различных несплошностях , в a-твердом растворе, присутствовать в стали в виде хрупких неметаллических включений: оксидов (FeO, SiO2, Al2O3 и др.) нитридов (Fe2N, Fe4N, Mn4N и др.). Азот, кислород и их соединения резко повышают порог хладноломкости, уменьшают ударную вязкость, понижают сопротивление хрупкому разрушению.

Водород

С железом гидридов не образует. Поглощенный при выплавке водород не только охрупчивает сталь, но приводит к образованию флокенов- тонких трещин овальной или округлой формы. Кроме того, водород в металл может попасть в процессе нанесения гальванических покрытий, сварке, при контакте с водородсодержащими средами. Для снижения водородной хрупкости (удаления водорода) металл нагревается до 150…180 0С, желательно в вакууме при давлении порядка 10-2…10-3 мм рт. ст.

Улучшение качества стали

Для удаления из жидкой стали растворенных в ней газов и неметаллических включений применяют ее вакуумную обработку. Для этого ковш с жидкой сталью помещают в герметически закрытую камеру, где создается разряжение 267…667 Па (2…5 мм рт. ст.). Бурно выделяющиеся газы увлекают с собой и выносят из металла неметаллические включения. В течение 10…15 минут количество растворенных газов уменьшается в 3…5 раз, количество неметаллических включений- в 2…3 раза.

Для защиты металла от окисления разливку стали ведут в инертной атмосфере, например, аргона, под слоем синтетического шлака. Для получения сталей особо высокого качества применяют электрошлаковый переплав (ЭШП), плазменнодуговой переплав, электроннолучевой переплав, электродуговой вакуумный переплав. Металл хорошо очищается (рафинируется) от газов и неметаллических включений обработкой шлаком и направленной кристаллизацией жидкого расплава, созданием глубокого вакуума.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #