Какие примеси в сталях являются полезными
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.
Источник
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.
Сера — является вредной примесью в составе стали, где она находится преимущественно в виде FeS. Это соединение придает стали хрупкость при высоких температурах — красноломкость. Сера увеличивает истираемость стали, понижает сопротивление усталости и уменьшает коррозионную стойкость.
В углеродистой стали допустимое содержание серы — не более 0,07%.
Фосфор — также является вредной примесью в составе стали. Он образует с железом соединение Fe3P. Кристаллы этого соединения очень хрупки, вследствие чего сталь приобретает высокую хрупкость в холодном состоянии — хладноломкость. Отрицательное влияние фосфора наибольшим образом сказывается при высоком содержании углерода.
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.
Источник
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.
Источник
В сталях всегда присутствуют постоянные, вредные и случайные примеси, так как сталь является многокомпонентным сплавом.
Сера, фосфор и все газы являются вредными примесями, и усилия металлургов всегда направлены на максимальное снижение этих элементов в стали.
Сера. Содержание серы в сталях промышленных марок составляет обычно 0,015…0,050 %. Сера дает с железом соединение FеS, которое образует с железом легкоплавкую эвтектику, (температура плавления 988 °С), обычно располагающуюся вокруг зерен, закристаллизовавшихся ранее этой эвтектики. При горячей механической обработке (ковка, прокатка) эвтектика плавится, что вызывает потерю связи между зернами стали: слиток или поковка разваливается на части. Это явление называется красноломкостью.
Сера снижает механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность (δ и ψ), а также предел выносливости. Она ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость.
Фосфор.Содержание фосфора в стали 0,025…0,040 %. Весьма значительно снижает вязкость железа и стали. Особенно заметно проявляется это вредное влияние фосфора при повышенном содержании углерода в стали и при низких температурах. Явление повышенной хрупкости стали при низких температурах называется хладноломкостью. Повышение содержания фосфора на каждую 0,01 % повышает порог хладноломкости на 20…25 °С.
Для некоторых сталей возможно увеличение содержания серы и фосфора для улучшения обрабатываемости резанием. Это было при создании автоматных сталей, из которых на высокопроизводительных станках-автоматах изготовляется крепежный материал (гайки, болты) неответственного назначения, имеющий очень широкое применение в машиностроении. Короткая, хрупкая стружка и чистая поверхность резьбы являются главными положительными качествами автоматных сталей. Так как серы в этих сталях содержится до 0,15…0,20 %, а фосфора до 0,14 %, то такие стали можно отнести к разряду специальных.
Существенным является то, что сера и фосфор при кристаллизации стального слитка сильно ликвируют, в результате чего создаются участки с резко повышенной концентрацией этих вредных элементов по сравнению со средним их содержанием в стали.
Газы (азот, кислород, водород) попадают в сталь при выплавке.
Кислород,соединяясь со многими элементами, присутствующими в стали, образует неметаллические включения, так называемые оксиды (SiO2, А12О3 и др.). Неметаллические включения (окислы, нитриды), являясь концентраторами напряжений, могут значительно понизить предел выносливости и вязкость. Поэтому необходимо снижать содержание кислорода в стали путем хорошего раскисления и разливки в вакууме, тщательно контролировать структуру стали, идущей на изготовление ответственных изделий.
Очень вредным является растворенный в стали водород, который значительно охрупчивает сталь. Он приводит к образованию в катаных заготовках и поковках флокенов – тонких трещин овальной или округлой формы, имеющих в изломе вид пятен – хлопьев серебристого цвета.
Постоянные примеси
Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями.
Содержание марганца не превышает 0,8 %. Марганец,имеющийся в стали, интенсивнее, чем железо, соединяется с серой, образуя весьма тугоплавкое соединение MnS(температура плавления 1620 °С), располагающееся обычно в виде мелких глобулярных включений внутри зерен стали. Следовательно, включенияMnS оказывают менее вредное влияние на сталь, чем включения FeS.
Содержание кремния не превышает 0,4 %. Кремний является раскислителем стали, освобождающим ее от излишков кислорода. Кремний растворяется в феррите и повышает прочность стали, особенно повышается предел текучести s0,2. Но наблюдается некоторое снижение пластичности, что снижает способность стали к вытяжке.
Наличие марганца и кремния свыше указанных пределов переводит такие стали в разряд специальных, «легированных».
Случайные примеси – практически любые элементы, случайно попавшие в сталь, например Cr, Ni, Cu, Mo, Al, Ti и др., в количествах, ограниченных для примесей.
Источник