Влияние вредных и полезных примесей на свойства стали

 Влияние примесей на свойства сталей

 Постоянные примеси

Постоянные примеси (кремний, марганец, сера, фосфор и газы) в определенном количестве всегда присутствуют в стали. Кремний и марганец вводят в процессе плавки (до 0,4 % серы и 0,1-0,8 % марганца), а сера и фосфор попадают из руд и вторичного сырья (до 0,05 %).

Кремний и марганец присутствуют в любой стали, оставаясь в ней после раскисления в небольшом количестве в виде полезных примесей (они являются раскислителями). Марганец повышает прочность горячекатаной стали.

Сера и фосфор – вредные примеси, придают стали красноломкость (потери пластичности при 800 °С и выше).

Сталь с повышенным содержанием серы не поддается горячей обработке давлением. Кроме того, сера ухудшает механические свойства стали в холодном состоянии, значительно понижает ее вязкость. Единственное положительное влияние серы на свойства – улучшение обрабатываемости резанием.

Фосфор ухудшает пластические свойства стали, понижает ударную вязкость при комнатной температуре, а особенно при отрицательной температуре (придает стали хладоломкость). Это влияние заметно сказывается при содержании фосфора свыше 0,1 %. В отдельных случаях фосфор полезен: улучшает обрабатываемость стали резанием, а в присутствии меди – ее антикоррозионные свойства.

Сера и фосфор в повышенных количествах допускаются только в стали повышенной и высокой обрабатываемости резанием, которая имеет сравнительно невысокие механические свойства.

Газы (кислород, водород, азот) как правило являются вредными примесями, присутствуют в любой стали в очень малых количествах, и их называют скрытыми примесями. Газы присутствуют в твердой стали в следующих формах: в газообразном состоянии (в порах, пустотах), в α-твердом растворе; в виде соединений, т.е. неметаллических включений (нитридов, оксидов).

Большое количество водорода в стали опасно, так как это может привести к внутренним надрывам (флокенам). С течением времени количество водорода в стали уменьшается за счет выделения его из металла, которое происходит вследствие того, что водород не образует соединений с железом. Выделение водорода сопровождается улучшением механических свойств стали, особенно пластичности.

Азот и кислород образуют хрупкие неметаллические включения, ухудшающие свойства металла (уменьшение вязкости и повышение порога хладоломкости).

 Случайные примеси

Случайные примеси – это химические элементы, попадающие в сталь из руд различных месторождений или из скрапа, а также вследствие разновидностей технологического процесса.

Наиболее часто случайными примесями являются никель (до 0,3 %), хром (до 0,2 %), медь (до 0,1 %). Содержание случайных примесей не допускается выше определенного предела, установленного техническими условиями для стали каждой марки, так как очень часто одни и те же элементы, полезные в стали одного состава, в другой оказываются вредными.

 Специальные примеси

Специальные примеси (легирующие элементы) вводятся в сталь в определенных количествах с целью изменения ее строения и свойств (повышение прочности, получение особых физико–химических свойств и т.д.). Легирующие элементы преимущественно растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов (феррите, аустените, цементите) или образуют специальные карбиды.

 Литература

1. Материаловедение / Ю.Т. Чумаченко, Г.В. Чумаченко. – Ростов н/Д: Феникс, 2005. – 320 с.
2. Материаловедение / О.В. Травин, Н.Т. Травина. М.: Металлургия. 1989. 384 с.
3. Металловедение / А.П. Гуляев. М.: Металлургия, 1986. 544 с.
4. Материаловедение / А.М. Адаскин, В.М. Зуев. – М.: ПрофОбрИздат, 2001. – 240 с.

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:

1. 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).

2. 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)

3. 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.

4. 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.

Примеси: постоянные, скрытые и случайные

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.

Влияние фосфора на свойства сталей

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.

Влияние серы на свойства сталей

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.

Влияние алюминия на свойства сталей

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.

Влияние азота на свойства сталей

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.

Влияние меди на свойства сталей

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.

Влияние олова на свойства сталей

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.

Влияние сурьмы на свойства сталей

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.

Примеси делятся на полезные и вредные:

Полезные примеси – Si Mn

Они попадают в сталь в процессе раскисления, то есть удаления хрупкой закиси железа FеО, которая резко увеличивает хрупкость стали.

После раскисления в стали остается Si≤0,3%. Кремний повышает σ02 и тем самым затрудняет пластическую деформацию. В сталях, предназначенных для холодной штамповки (кузова автомобилей), содержание Si должно быть минимально.

Кроме того, после раскисления в стали остается 0,4…0,8% Мn. Марганец повышает прочность горячекатанной стали и устраняет красноломкость, вызванную вредной примесью — серой.

Вредные примеси — S, Р, газы (О2, Н2, N2).

S — сера — образует сульфид железа FeS, нерастворимый в железе. FeS с железом образует эвтектику (FeS+Fе) с температурой плавления 988o, эта эвтектика залегает по границам зерен.

При нагреве слитка под горячую прокатку или ковку (1100…1200o С) эвтектика расплавляется и слиток рассыпается на зерна (красноломкость).

Марганец устраняет эту красноломкость, так как у него термодинамическое сродство к сере больше, чем у железа. Поэтому образуется не сульфид железа, а более тугоплавкое MnS (Тпл =1464o С), у которого нет оплавления и нет красноломкости. Твердое и хрупкое MnS, располагаясь по границам деформированных зерен, повышает твердость и прочность стали, но снижает пластичность, ударную вязкость, коррозионную стойкость и свариваемость, поэтому содержание серы ограничено ГОСТ, не более 0,05%.

Р — фосфор — незначительно растворяется в железе, при этом повышается твердость, прочность, но снижается пластичность, и особенно ударная вязкость. Кроме того, фосфор повышает порог хладноломкости, что нежелательно. По ГОСТ его должно содержаться в стали до 0,045%.

Газы образуют хрупкие оксиды, нитриды, гидриды, что резко повышает хрупкость стали, снижает коррозионную стойкость и свариваемость.

ГЛАВА 5. ДИАГРАММА «Fe — C», ЧУГУНЫ

В зависимости от того, находится ли углерод в виде цементита или графита, чугуны делятся на белые и серые.

Дата добавления: 2014-12-01; просмотров: 473;

ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ: