Какое влияние оказывают примеси на свойства стали

Вредные примеси в стали не только ухудшают ее состав, но и могут привести к последующей деформации изготовленного из нее изделия. Однако нельзя все их рассматривать как нежелательные. Некоторые из них относят к полезным, а от других вообще невозможно избавиться, так как они постоянные. Да и нет необходимости их устранять, поскольку постоянные примеси могут влиять на качественные характеристики стали.

В этой статье мы поговорим о том, какими являются вредные примеси стали и как они влияют на ее состав и характеристики стальных изделий.

Полезные и специальные примеси в стали

Углеродистая сталь содержит примесь кремния не более 0,35–0,4 % и марганец в количестве 0,5–0,8 %. Переход марганца и кремния в сталь происходит во время раскисления в ходе выплавки. Эти химические элементы соединяются с кислородом закиси железа FеO, а затем, превращаясь в окислы, переходят в шлак, то есть, иначе говоря, раскисляют сталь.

Данный процесс оказывает благоприятное воздействие на свойства стали. За счет дегазации металла кремнием увеличивается ее плотность. Часть химического элемента остается в феррите (твердом растворе) уже после раскисления, что приводит к значительному возрастанию предела текучести. При этом способность к холодной высадке и вытяжке у стали снижается.

По этой причине производители снижают количество кремния в сталях, изготавливаемых для холодной штамповки и высадки. Прочность металла значительно повышается благодаря примеси марганца. Последний сильно уменьшает красноломкость стали, оставляя пластичность практически неизменной. Таким образом, резко падает хрупкость стали при воздействии высокой температуры, которая возникала из-за присутствия серы.

Для получения сталей, имеющих определенные свойства, в металл добавляют специальные примеси. Они носят название легирующих элементов. Стали же именуют легированными.

Вредные примеси в стали, которые ухудшают ее свойства

Давайте разберемся, какие вредные примеси содержатся в стали. Основными являются фосфор и сера.

• Сера.

Сера (S) содержится в сталях высокого качества в количестве не более 0,02–0,03 %. Для металла общего назначения этот показатель повышается до 0,03–0,04 %. С помощью спецобработки количество серы уменьшается до 0,005 %.

Растворения серы в железе не происходит, а образуется FeS (сульфид железа). Он входит в эвтектику, образующуюся при температуре +988 °С.

При высоком содержании серы сталь становится красноломкой. Это происходит из-за появления на границах зерен сульфидных эвтектик, имеющих низкую способность к плавке. Красноломкость появляется при температуре красного каления стали – +800 °С.

Плохое влияние сера оказывает на свариваемость, пластичность, ударную вязкость, а также поверхность металла. Это особенно заметно, если марганец и углерод содержатся лишь в небольших количествах.

Склонность к сегрегации на границах зерен у серы значительна. По этой причине в ходе нагрева пластичность стали падает. Если металл предназначен для дальнейшей обработки автоматическим механическим способом, то в состав обязательно добавляют серу в количестве от 0,08 % до 0,33 %, так как она способствует возрастанию у подшипниковых сталей усталостной прочности.

Марганец же снижает вредное воздействие серы на сталь. При жидком состоянии сплава он вступает в реакцию с образованием сульфида марганца, температура плавления которого составляет +1620 °С. Она значительно превышает температуру горячей обработки металла (от +800 °С до +1200 °С). При таком нагреве сульфиды марганца достаточно пластичны и просто деформируются.

• Фосфор.

Сегрегация фосфора (Р) в значительно меньшей, чем серы и углерода, степени происходит в ходе затвердевания сталей. Идет его растворение в феррите, из-за чего прочность металла увеличивается. Чем больший процент фосфора содержит сталь, тем выше ее хладноломкость и ниже ударная вязкость, пластичность.

Высокая температура среды позволяет достичь растворимости фосфора в пределах 1,2 %. Чем ниже становится температура, тем меньше растворимость фосфора. Она постепенно опускается до 0,02–0,03 %. Именно такое содержание данного химического элемента наблюдается в сталях. Это может говорить о том, что он, как правило, полностью растворяется в альфа-железе.

Отпускная хрупкость хромистых, хромоникелевых и хромомарганцевых, марганцевых и магниево-кремниевых легированных сталей во многом зависит от сегрегации фосфора по границам зерен. Элемент способствует замедлению распада мартенсита и повышает упрочняемость.

С целью улучшения механической (автоматической) обработки в низколегированные стали добавляют большое содержание фосфора.

При наличии углерода в количестве 0,1 % в конструкционной низколегированной стали фосфор должен увеличивать антикоррозийные свойства, а также прочность металла.

Наличие фосфора в хромоникелевых аустеничных сталях приводит к увеличению предела текучести. При попадании аустеничной нержавеющей стали в среду сильного окислителя присутствие в ее составе фосфора вызывает коррозию на границах зерен. Такое поведение предопределено сегрегацией фосфора на этих границах.

• Углерод.

Вредные примеси в стали – это не только сера и фосфор, но и углерод.

Медленно остывая, сталь приобретает структуру, состоящую их двух фаз – цементита и феррита. Цементит связан в стали с углеродом. Его содержание прямо пропорционально количеству последнего. При этом цементит имеет твердость, значительно превышающую жесткость феррита. Цементит, вернее, входящие в его состав частицы (хрупкие, твердые), увеличивают сопротивляемость деформации, повышая противодействие движению дислокации. Помимо того, снижается вязкость и пластичность металла.

Как следствие, при возрастании процента углерода происходит увеличение твердости стали, пределов ее текучести и прочности, снижение относительных сужения и удлинения, а также ударной вязкости. То есть чем больше углерода, тем легче сталь переходит в хладноломкое состояние. Если содержание углерода в стали колеблется в диапазоне 1,0–1,1 %, то растет твердость металла в отожженном состоянии. При этом предел прочности снижается.

Такое явление, как снижение прочности, наблюдается по причине выделения аустенита вторичного цементита на границах бывшего зерна. Этот цементит делает сплошную сетку в сталях с вышеуказанным составом. В ходе растяжения сетка напрягается и цемент, хрупкий по своей природе, начинает разрушаться. Все это является причиной распада и последующего уменьшения предела прочности. Увеличивая количество углерода, можно добиться уменьшения плотности стали, увеличения электросопротивляемости, коэрцитивной силы, снижения остаточной индукции, теплопроводности и магнитной проницаемости.

• Азот.

Рассматривая вопрос о том, какие вредные примеси присутствуют в стали, нельзя забывать о влиянии азота (N). Под его воздействием в металле образуются нитриды, представляющие собой неметаллические хрупкие инородные тела, которые делают свойства стали значительно хуже.

Однако вредные примеси в стали являются в какой-то мере полезными, а иногда и неустранимыми. К положительным сторонам примеси азота стоит отнести его способность увеличить аустеничную область диаграммы состояния металла. Он делает аустеничную структуру стабильнее. Кроме того, он способен заменить собой никель (но только частично) в рассматриваемых сталях.

Для увеличения прочности низколегированной стали прибегают к добавлению титана, ванадия и ниобия (нитридообразующих элементов). В процессе горячей обработки и последующего охлаждения, взаимодействуя, они создают небольшие карбонитриды и нитриды, придающие стали прочность.

• Олово.

Даже небольшое количество олова (Sn) вредно для стали. В легированных сталях этот элемент способен вызвать отпускную хрупкость. Кроме того, олово сегрегируется на границах зерен стали, уменьшает ее горячую пластичность в аустенитно-ферритной области диаграммы состояния. Непрерывнолитые слитки под воздействием олова имеют низкое качество поверхности.

• Водород.

Обсуждая вредные примеси в стали и их влияние на материал, нельзя забывать, пожалуй, о самом опасном из них – водороде. В процессе сварки этот химический элемент во всех случаях является вредной примесью. Причина заключается в излишнем охрупчивании стали. При проведении сварочных работ водород может попасть в расплав из:

• атмосферы дугового разряда;
• может уже содержаться в металле.

Поглощенный из атмосферы водород, пребывающий в ионизированном и атомарном виде, в ходе кристаллизации значительно уменьшает собственную растворимость. В результате его последующего выделения из материала в нем образуются трещины и поры.

Водород, уже находящийся в металле, может быть в виде гидрида (связанном) или в диффузно-подвижном состоянии (в виде твердого раствора). Молекулярный водород содержится в микронесплошностях материала.

Снизить количество водорода в сварочной зоне можно следующими способами:

• используют окислители атмосферы (применяют специальные руднокислые электроды или работают под защитой CO2);
• покрытия электродов и флюсы дополняют хлоридами и фторидами (ими могут быть соли и плавиковый шпат);
• проводят просушку материалов, предназначенных для сварки (флюса, электродов, газов, проволоки и пр.).

• Кислород.

Вредные примеси в стали включают в себя и кислород, который понижает пластичность металла. Для защиты материала при сварке используют процесс раскисления шва до определенной нормы. В ходе сварки титана, алюминия и прочих высокоактивных металлов мастера делают атмосферу внутри рабочей зоны без кислорода. Используя для этого гелий, аргон, галидные флюсы, они создают вакуум, поскольку для этих металлов достаточно сложно найти раскислители.

• Сурьма.

Сурьма (Sb) оказывает вредное влияние на поверхность стали (непрерывнолитых слитков). Причина заключается в ее сегрегации в процессе затвердевания металла. Когда сталь переходит в твердое состояние, сурьма сегрегирует на границах зерен, что приводит у легированных сталей к отпускной хрупкости.

Состав стали с углеродом

Технология производства не полностью удаляет примеси из стали. Они занимают малую процентную долю, но присутствуют во всех углеродистых сталях. Содержание углерода разделяет сталь на углеродистую и легированную. Углерод добавляют намеренно, чтобы изменить технические характеристики и механические свойства сталей. Наличие примесей зависит от выбранной плавки сталей. Процентное содержание разных элементов в составе стали:

• железо — до 99 %;
• углерод — до 2,14 %;
• кремний — до 1 %;
• марганец — до 1 %;
• фосфор — до 0,6 %;
• сера — до 0,5 %.

Сталь содержит незначительное количество водорода, кислорода и азота.

Какие свойства у стали с разным содержанием углерода?

Механические свойства стали зависят от количества углерода. Увеличение или снижение содержания углерода, даже в сотых долях процента, предопределяет сферу применения металла. Структура углеродистой стали меняется от содержания цементита и феррита. Когда в сталь добавляют больше углерода, сплав становится твердым, прочным и упругим. Когда уменьшают, улучшают ее пластичность и сопротивление удару.

В зависимости от того, сколько углерода в составе сплава, различают несколько видов стали:

• Низкоуглеродистые содержат меньше 0,25 % углерода. Пластичные, но легко деформируемые. Обрабатываются в холодном состоянии и под действием высокой температуры.
• Среднеуглеродистые — 0,3-0,6 %. Пластичные, текучие и среднепрочные. Из них изготавливают детали и конструкции, которые будут использовать в нормальных условиях.
• Высокоуглеродистые — 0,6-2 %. Износостойкие, прочные и дорогие углеродистые стали с низкой вязкостью. Плохо поддаются сварке без предварительного разогрева обрабатываемой зоны до +225оС.

Низкоуглеродистые и среднеуглеродистые стали обрабатывать и варить проще, чем высокоуглеродистые.

Влияние постоянных примесей на свойства сталей

В сталях всегда присутствуют примеси, которые делятся на четыре группы. 1.Постоянные примеси

: кремний, марганец, сера, фосфор.

Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями.

Содержание марганца не превышает 0,5…0,8 %.

Марганец повышает прочность, не снижая пластичности, и резко снижает красноломкость стали, вызванную влиянием серы. Он способствует уменьшению содержания сульфида железа
FeS
, так как образует с серой соединение сульфид марганца
MnS
. Частицы сульфида марганца располагаются в виде отдельных включений, которые деформируются и оказываются вытянутыми вдоль направления прокатки.

Содержание кремния не превышает 0,35…0,4 %.

Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний растворяется в феррите и повышает прочность стали, особенно повышается предел текучести, σ0.2. Но наблюдается некоторое снижение пластичности, что снижает способность стали к вытяжке

Содержание фосфора в стали 0,025…0,045 %.

Фосфор, растворяясь в феррите, искажает кристаллическую решетку и увеличивает предел прочности σв и предел текучести σm, но снижает пластичность и вязкость.

Располагаясь вблизи зерен, увеличивает температуру перехода в хрупкое состояние, вызывает хладоломкость, уменьшает работу распространения трещин, Повышение содержания фосфора на каждую 0,01 %

повышает порог хладоломкости на
20…25oС.
Фосфор обладает склонностью к ликвации, поэтому в центре слитка отдельные участки имеют резко пониженную вязкость.

Для некоторых сталей возможно увеличение содержания фосфора до 0,10…0,15 %,

для улучшения обрабатываемости резанием.

S

– уменьшается пластичность, свариваемость и коррозионная стойкость. Р–искажает кристаллическую решетку.

Содержание серы в сталях составляет 0,025…0,06 %.

Сера – вредная примесь, попадает в сталь из чугуна. При взаимодействии с железом образует химическое соединение – сульфид серы
FeS
, которое, в свою очередь, образует с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления
988oС.
При нагреве под прокатку или ковку эвтектика плавится, нарушаются связи между зернами. При деформации в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины, заготовка разрушается – явление
красноломкости
.

Красноломкость –

повышение хрупкости при высоких температурах

Сера снижает механические свойства, особенно ударную вязкость а и пластичность

(δи ψ), а так же предел выносливости. Она ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость.

2. Скрытые примеси

— газы (азот, кислород, водород) – попадают в сталь при выплавке.

Азот и кислород находятся в стали в виде хрупких неметаллических включений: окислов (FeO, SiO2, Al2O3

)нитридов (
Fe 2N
), в виде твердого раствора или в свободном состоянии, располагаясь в дефектах (раковинах, трещинах).

Примеси внедрения (азот N

, кислород
О
) повышают порог хладоломкости и снижают сопротивление хрупкому разрушению. Неметаллические включения (окислы, нитриды), являясь концентраторами напряжений, могут значительно понизить предел выносливости и вязкость.

Очень вредным является растворенный в стали водород, который значительно охрупчивает сталь. Он приводит к образованию в катанных заготовках и поковках флокенов.

Флокены

– тонкие трещины овальной или округлой формы, имеющие в изломе вид пятен – хлопьев серебристого цвета.

Металл с флокенами нельзя использовать в промышленности, при сварке образуются холодные трещины в наплавленном и основном металле.

Если водород находится в поверхностном слое, то он удаляется в результате нагрева при 150…180

, лучше в вакууме ~10-2…10-3мм рт. ст.

Для удаления скрытых примесей используют вакуумирование.

3. Специальные примеси

– специально вводятся в сталь для получения заданных свойств. Примеси называются легирующими элементами, а стали — легированные сталями.

Нагартованная сталь

Широкое применение нашли в хозяйстве проволока, тонкие листы. Эти виды изделий получают в металлургии прокаткой, волочением в холодном состоянии. В результате такой обработки металл упрочняется за счет явления, которое называется наклеп. За счет комнатной температуры упрочнение не снимается. Такой вид обработки называется нагартовкой.

Нагартовка стали сильно зависит от степени наклепа и от содержания углерода (рис. 7).

Рекордные значения σв получены для обжатия до 90 % в стали 1,2 % С при ∅ проволоки 0,1 мм.

Нагартовка — неизбежный процесс любой пластической деформации. Нагартовка (наклеп) сопровождается увеличением прочности и твердости и существенным снижением пластичности.

Поэтому после прокатки или волочения в холодном состоянии листы, швеллеры, трубы нагартовываются.

Чаще всего это желательное изменение свойств. Бывает, что нежелательное. Например, чеканку на нагартованном медном листе не сделаешь — порвется. Приходится снимать наклеп термической обработкой (отжигом).

⇐ Предыдущая4Следующая ⇒


Виды углеродистой стали по степени раскисления

У углеродистой стали разная степень раскисления. Бывают спокойные, кипящие и полуспокойные сплавы. Названия связаны с содержанием вредных примесей — оксидом железа. Чем меньше кислорода в сплаве, тем стабильнее и долговечнее стали. После разливки сталь выделяет газы и затвердевает.

В спокойных сталях кислород удален почти полностью, поэтому у них однородная структура и равномерное распределение состава. Полуспокойные чаще содержат 0,15-0,3 % углерода. Таким сталям свойственна неравномерная структура из-за частичного раскисления сплава. Больше всего кислорода у кипящих сталей. Такое раскисление приводит к разному химическому составу. В кипящих сталях много примесей: углерода, азота, серы и фосфора.

Вредные примеси в заполнителях

Перечень ГОСТ включает девять позиций. Ниже рассматриваются важнейшие из них. Пылевидные и глинистые примеси. Частицы пыли имеют размеры 0,05—0,005 мм, глины < 0,005 мм. Поэтому они имеют высокую удельную поверхность, требуют большого количества воды на свое смачивание и повышают водопотребность бетонной смеси. Их содержание для бетонов разных видов ограничивается в песках 2-3%, в крупных заполнителях — обычно 1%. При этом недопустимо присутствие глины в комках. Органические примеси могут отрицательно влиять на процесс твердения цемента и прочность бетона. Они выявляются с помощью колориметрической (цветовой) пробы. Органические примеси чаще встречаются в песке, но могут быть и в гравии. Аморфные разновидности кремнезема. При твердении бетона в нем создается щелочная среда. Поэтому в заполнителях не должно содержаться компонентов, реагирующих со щелочами. Это может привести к увеличению объема продуктов реакции в затвердевшем бетоне и появлению трещин. Такими веществами являются аморфные разновидности кремнезема (опал, халцедон и т. д.). ГОСТ предусматривает определение в заполнителях количества растворимого в щелочах кремнезема и ограничивает его содержание (не более 50 ммоль/л). Сернистые и сернокислые соединения могут вызывать коррозию бетона и стальной арматуры. Простейший пример — гипсовый камень. Он вводится в цемент при помоле в ограниченном количестве для замедления схватывания. При твердении гипс образует с алюминатом крупные кристаллы гидросульфоалюмината кальция в первые сутки твердения, когда бетон еще достаточно пластичен и рост кристаллов не разрушает его. Присутствие же гипса в заполнителях может привести к этой реакции в более длительные сроки, что вызовет трещинообразование в бетоне. Также действуют и другие сернокислые соединения. Соединения серы могут способствовать и коррозии арматуры в бетоне. Поэтому их содержание в заполнителях ограничивается. Ионы хлора рассматриваются сегодня как большая опасность для коррозионной стойкости арматуры в бетоне. Они могут находиться в заполнителях в виде водорастворимых хлоридов. Их содержание в пересчете на ион хлора ограничивается для крупного заполнителя 0,1 %, для песка — 0,15%. Ограничиваются также слоистые силикаты (например, слюды), ряд железистых соединений, свободные волокна асбеста, уголь. Приведенные данные показывают, что заполнители должны быть тщательно исследованы перед их применением в бетоне.

Чем отличаются инструментальные и конструкционные стали?

Сфера применения и способ изготовления — главные отличия сталей. Конструкционные углеродистые стали выплавляют в конвертерах и мартеновских печах. Они бывают высокого и обыкновенного качества. Их разделяют на группы А, Б и В. Маркируют соответственно буквами и цифрами. В обозначении буква говорит о группе стали, а цифры указывают на содержание углерода, увеличенное в 100 раз. Чем больше значение, тем прочнее сталь. Стали обыкновенного качества с повышенным содержанием марганца маркируются буквой «Г».

Сталь группы А поставляют по механическим свойствам, группы Б — по химическому составу, группы В — по механическим свойствам и химическому составу. Это означает, что сталь группы А обладает заявленными свойствами, а сталь группы Б отвечает нормативной документации.

Углеродистую инструментальную сталь выплавляют в мартеновской или электрической печи. Она бывает спокойной, полуспокойной и кипящей. Ее разделяют на качественную и высококачественную сталь. Доля примесей в качественной инструментальной стали регламентирована: серы должно быть не более 0,4 %, фосфора — не больше 0,6 %. Цифра в маркировке говорит о содержании углерода в сотых долях. Также она обозначает условный номер марки материала.

Как влияют на свариваемость легирующие примеси?

Влияние главных легирующих элементов на свариваемость стали

• Фосфор, сера – вредоносные примеси. Содержание данных химических элементов для низкоуглеродистых сталей 0,4-0,5%.

• Углерод – важный компонент в составе сплавов, который определяет такие показатели, как закаливаемость, пластичность, прочность, другие свойства материала. Содержание углерода в пределах 0,25% не воздействует на качество сварки. Наличие более 0,25% данного хим. элемента способствует формированию закалочных соединений, зоны термического влияния, образуются трещины.

• Медь. Содержание меди как примеси не более 0,3%, как добавки для низколегированных сталей – пределах 0,15-0,50%, как легирующего компонента – не более одного процента. Медь улучшает коррозионную стойкость металла, при этом не ухудшает показатели качества сваривания.

• Марганец. Содержание марганца до одного процента не затрудняет сварочный процесс. Если марганца 1,8-2,5%, то не исключается образование закалочных структур, трещин, зоны термического влияния.

• Кремний. Этот химический элемент присутствует в металле как примесь — 0,30 процентов. Такое количество кремния не влияет на показатель качества соединения металлов. При наличии кремния в пределах 0,8-1,5%, он выступает легирующим компонентом. В данном случае существует вероятность формирования тугоплавких оксидов, ухудшающих качество соединения металлов.

• Никель, как и хром, присутствует в низкоуглеродистых сталях, его содержание составляет до 0,3%. В низколегированных металлах никеля может быть около 5%, высоколегированных – порядка 35 процентов. Химический компонент повышает пластичность, прочностные характеристики металла, повышает качество сварных соединений.

• Хром. Количество данного компонента в низкоуглеродистых сталях ограничено до 0,3 процентов, его содержание в низколегированных металлах может быть в пределах 0,7-3,5%, легированных – 12-18 процентов, высоколегированных примерно 35%. В момент сваривания хром способствует формированию карбидов, значительно ухудшающих коррозионную устойчивость металла. Хром способствует формированию тугоплавких оксидов, которые негативно влияют на качество сварки.

• Молибден. Наличие этого химического элемента в металле ограничено 0,8 процентами. Такое количество молибдена позитивно сказывается на прочностных характеристиках сплава, но в процессе сварки элемент выгорает, в результате чего на наплавленном участке изделия формируются трещины.

• Ванадий. Содержание этого элемент в легированных сталях может составлять от 0,2 до 0,8 процентов. Ванадий способствует повышению пластичности, вязкости металла, улучшает его структуру, повышает показатель прокаливаемости.

• Ниобий, титан. Данные химические компоненты содержатся в жаропрочных, коррозионно-стойких металлах, их концентрация составляет не более одного процента. Ниобий и титан понижают показатель чувствительности металлического сплава к межкристаллитной коррозии.

( 1 оценка, среднее 4 из 5 )