Полезные и вредные примеси в сталях и чугунах

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.

Условные обозначения химических
элементов:

 азот ( N ) — А 

алюминий ( Аl ) — Ю 

бериллий ( Be ) — Л 

бор ( B ) — Р 

ванадий ( V ) — Ф 

висмут ( Вi ) — Ви

вольфрам ( W ) — В 

галлий ( Ga ) — Гл

иридий ( Ir ) — И

кадмий ( Cd ) — Кд

кобальт ( Co ) — К 

кремний ( Si ) — C

магний ( Mg ) — Ш 

марганец ( Mn ) — Г 

свинец ( Pb ) — АС

медь ( Cu ) — Д 

молибден ( Mo ) — М 

никель ( Ni ) — Н 

ниобий ( Nb) — Б 

селен ( Se ) — Е 

титан ( Ti ) — Т 

углерод ( C ) — У 

фосфор ( P ) — П

хром ( Cr ) — Х 

цирконий ( Zr ) — Ц

Углерод находится в стали обычно
в виде химического соединения Fe3C,
называемого цементитом. С увеличением
содержания углерода до 1,2% твердость,
прочность и упругость стали увеличиваются,
но пластичность и сопротивление удару
понижаются, а обрабатываемость ухудшается,
ухудшается и свариваемость.

Кремний, если он содержится в стали 
в небольшом количестве, особого 
влияния на ее свойства не оказывает.
При повышении содержания кремния 
значительно улучшаются упругие
свойства, магнитопроницаемость, сопротивление
коррозии и стойкость против окисления
при высоких температурах.

Марганец, как и кремний, содержится
в обыкновенной углеродистой стали 
в небольшом количестве и особого 
влияния на ее свойства также не
оказывает. Однако марганец образует с
железом твердый раствор и несколько повышает
твердость и прочность стали, незначительно
уменьшая ее пластичность. Марганец связывает
серу в соединение MnS, препятствуя образованию
вредного соединения FeS. Кроме того, марганец
раскисляет сталь. При высоком содержании
марганца сталь приобретает исключительно
большую твердость и сопротивление износу.

Сера является вредной примесью.
Она находится в стали главным 
образом в виде FeS. Это соединение
сообщает стали хрупкость при высоких
температурах, например при ковке, — свойство,
которое называется красноломкостью.
Сера увеличивает истираемость стали,
понижает сопротивление усталости и уменьшает
коррозионную стойкость.

В углеродистой стали допускается 
серы не более 0,06-0,07%.

Увеличение хрупкости стали 
при повышенном содержании серы используется
иногда для улучшения обрабатываемости
на станках, благодаря чему повышается
производительность при обработке.

Фосфор также является вредной 
примесью. Он образует с железом 
соединение Fe3P, которое растворяется
в железе. Кристаллы этого химического
соединения очень хрупки. Обычно они располагаются
по границам зерен стали, резко ослабляя
связь между ними, вследствие чего сталь
приобретает очень высокую хрупкость
в холодном состоянии (хладноломкость).
Особенно сказывается отрицательное влияние
фосфора при высоком содержании углерода.
Обрабатываемость стали фосфор несколько
улучшает, так как способствует отделению
стружки.

Легирующие элементы и их влияние 
на свойства стали.

Хром – наиболее дешевый и распространенный
элемент. Он повышает твердость и прочность,
незначительно уменьшая пластичность,
увеличивает коррозионную стойкость;
содержание больших количеств хрома делает
сталь нержавеющей и обеспечивает устойчивость
магнитных сил.

Никель сообщает стали коррозионную
стойкость, высокую прочность и пластичность,
увеличивает прокаливаемость, оказывает
влияние на изменение коэффициента теплового
расширения. Никель – дорогой металл,
его стараются заменить более дешевым.

Вольфрам образует в стали очень
твердые химические соединения – карбиды,
резко увеличивающие твердость и красностойкость.
Вольфрам препятствует росту зерен при
нагреве, способствует устранению хрупкости
при отпуске. Это дорогой и дефицитный
металл.

Ванадий повышает твердость и прочность,
измельчает зерно. Увеличивает плотность
стали, так как является хорошим раскислителем,
он дорог и дефицитен.

Кремний в количестве свыше 1% оказывает 
особое влияние на свойства стали: содержание
1-1,5% Si увеличивает прочность, при 
этом вязкость сохраняется. При большем
содержании кремния увеличивается электросопротивление
и магнитопроницаемость. Кремний увеличивает
также упругость, кислостойкость, окалиностойкость.

Марганец при содержании свыше
1% увеличивает твердость, износоустойчивость,
стойкость против ударных нагрузок, не
уменьшая пластичности.

Кобальт повышает жаропрочность, магнитные 
свойства, увеличивает сопротивление 
удару.

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

Титан повышает
прочность и плотность стали,
способствует измельчению зерна, является
хорошим раскислителем, улучшает обрабатываемость
и сопротивление коррозии.

Ниобий 
улучшает кислостойкость и способствует
уменьшению коррозии в сварных конструкциях.

Алюминий 
повышает жаростойкость и окалиностойкость.

Медь увеличивает 
антикоррозионные свойства, она вводится
главным образом в строительную
сталь.                                                                                                                                  
Церий повышает прочность и особенно пластичность.                

Цирконий 
оказывает особое влияние на величину
и рост зерна в стали, измельчает
зерно и позволяет получать сталь 
с заранее заданной зернистостью.

Лантан, цезий,
неодим уменьшают пористость, способствуют
уменьшению содержания серы в стали,
улучшают качество поверхности, измельчают
зерно.

Свойства чугунов зависят от
их химического состава, т.е. от содержания
в них углерода, кремния, марганца,
фосфора, серы. Углерод, химически связанный
с железом, образует цементит FesC. Цементит
придает чугуну хрупкость, но значительно
повышает твердость. Такой чугун, имеющий
в изломе блестящий металлический оттенок,
называют белым. Белые чугуны не обрабатываются
режущим инструментом. Углерод в чугуне
может находиться в свободном состоянии
в виде графита. Цементит в таких чугунах
не образуется, поэтому их твердость значительно
ниже твердости белых чугунов; такие чугуны
хорошо обрабатываются резанием. Присутствие
графита придает чугуну в изломе серый,
матовый оттенок-чугун в данном случае
называют серым. Кремний способствует
выделению углерода в чугуне в виде графита,
улучшает литейные свойства чугуна, понижает
его твердость. Марганец препятствует
выделению углерода в чугуне в виде графита
и способствует образованию цементита,
поэтому повышает твердость чугуна и при
определенном содержании его увеличивает
прочность. Фосфор, соединяясь с железом,
образует легкоплавкую хрупкую и твердую
составляющую, которая располагается
по границам зерен чугуна, вследствие
чего у чугуна значительно повышается
хрупкость и твердость, увеличивается
износостойкость. Образующаяся легко
плавкая составляющая улучшает заполняемость
литейных форм жидким чугуном. Фосфор
вредная примесь в чугуне. Сера тормозит
выделение углерода в чугуне в виде графита.
Образуя по границам зерен чугуна хрупкую
составляющую, сера снижает механические
свойства, способствует образованию трещин
в отливках. Вредное влияние серы может
быть нейтрализовано повышенным содержанием
марганца, с которым сера легко образует
тугоплавкое соединение.

Фазовая диаграмма стабильного 
равновесия Fe — С

Фазовая диаграмма состояния Fe —
С (стабильная) представлена на рисунке
выше (штриховые линии соответствуют выделению
графита, а сплошные — цементита). Температуры
плавления чугунов значительно ниже (на
300…400 °С), чем у стали.

Микроструктура чугунов  зависит
от скорости охлаждения металла: при быстром
охлаждении будет белый чугун (углерод
находится в химически связанном состоянии
в виде цементита и ледебурита), а при медленном
охлаждении будет серый чугун (углерод
находится в виде графита). Серые чугуны
делятся на высокопрочные и ковкие.

Влияние химических элементов на свойства
чугуна.

Серый чугун:

Углерод: Повышенное содержание углерода
приводит к уменьшению прочности, твердости
и увеличению пластичности; углерод улучшает
литейные свойства чугуна

Кремний: Кремний (с учетом содержания
углерода) способствует выделению графита
и снижает твердость, а также уменьшает
усадку; повышенное содержание кремния
снижает пластичность и несколько увеличивает
твердость