Специальные стали: виды, примеси для легирования

14.08.2020 Автор: VT-METALL

Вопросы, рассмотренные в материале:

• Полезные и специальные примеси в стали
• Вредные примеси в стали, которые ухудшают ее свойства

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

В стали встречаются вредные и полезные примеси. Сначала остановимся на полезных, к которым относят марганец и кремний:

• Марганец – это химический элемент, благодаря которому возрастает прокаливаемость стали и снижается влияние серы, оказывающей вредное воздействие на металл.
• Кремний – примесь данного элемента помогает раскислить сталь и, как следствие, повысить ее прочность. Его специально добавляют в металл в ходе его выплавки.

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.

Рекомендовано к прочтению

• Резка меди лазером: преимущества и недостатки технологии
• Виды резки металла: промышленное применение
• Металлообработка по чертежам: удобно и выгодно

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.

Остановимся подробно на назначении некоторых элементов:

• Алюминий – его примесь помогает повысить окалино- и жаростойкость стали.
• Медь – увеличивает стойкость стали к коррозии.
• Хром – повышает прочность, твердость сталей, увеличивает стойкость к коррозии, при этом пластичность падает незначительно. Нержавеющей сталь делает большое содержание хрома.
• Никель – повышает пластичность, прочность, делает сталь стойкой к коррозии.
• Вольфрам – при добавлении в сталь создает корбиды (химические соединения повышенной твердости). Они значительно повышают красностойкость и твердость. Под воздействием вольфрама сталь перестает расширяться в процессе нагревания, а хрупкость при отпуске уходит.
• Ванадий – способствует возрастанию плотности, прочности и твердости стали. Он признается прекрасным раскислителем.
• Кобальт – под его воздействием увеличивается жаропрочность, стойкость к ударным нагрузкам, возрастают магнитные свойства.
• Молибден – улучшается сопротивляемость стали к окислению в ходе воздействия на нее высоких температур, возрастает упругость, красностойкость, увеличивается стойкость к коррозии, повышается предел прочности к растяжению.
• Титан – являясь прекрасным раскислителем, он повышает стойкость к коррозии, увеличивает плотность и прочность металла, делает лучше его обрабатываемость.
• Церий – способствует возрастанию пластичности и прочности стали.
• Цирконий (Ц) – воздействует на зернистость стали, давая возможность изготовить металл с установленным размером зерна, делает его мельче.
• Лантан, неодим и цезий – уменьшают пористость стали, сокращают количество серы, делают качество поверхности лучше, а зерно мельче.

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.

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.

VT-metall предлагает услуги:

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.

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.

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 0 С. Фосфор является вредной примесью в сталях.

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 0 С. Она располагается преимущественно по границам зерен. При нагреве стали до температуры прокатки, ковки (1000…1200 0 С) 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

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.

Влияние химического состава на механические свойства стали

Каждый химический элемент, входящий в состав стали, по-своему влияет на ее механические свойства – улучшает или ухудшает.

Углерод (С), являющийся обязательным элементом и находящимся в стали обычно в виде химического соединения Fe3C (карбид железа), с увеличением его содержания до 1,2% повышает твердость, прочность и упругость стали и уменьшает вязкость и способность к свариваемости. При этом также ухудшаются обрабатываемость и свариваемость.

Кремний (Si) считается полезной примесью, и вводится в качестве активного раскислителя. Как правило, он содержится в стали в небольшом количестве (в пределах до 0,4%) и заметного влияния на ее свойства не оказывает. Но при содержании кремния более 2% сталь становится хрупкой и при ковке разрушается.

Марганец (Mn) содержится в обыкновенной углеродистой стали в небольшом количестве (0,3-0,8%) и серьезного влияния на ее свойства не оказывает. Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы, повышает твердость и прочность стали, ее режущие свойства, увеличивает прокаливаемость, но снижает стойкость к ударным нагрузкам.

Сера (S) и фосфор (Р) являются вредными примесями. Их содержание даже в незначительных количествах оказывает вредное влияние на механические свойства стали. Содержание в стали более 0,045% серы делает сталь красноломкой, т.е. такой, которая при ковке в нагретом состоянии дает трещины. От красноломкости сталь предохраняет марганец, который связывает серу в сульфиды (MnS). Содержание в стали более 0,045% фосфора, делает сталь хладноломкой, т.е. легко ломающейся в холодном состоянии. Обрабатываемость стали фосфор несколько улучшает, так как способствует отделению стружки.

Ниобий (Nb) улучшает кислостойкость стали и способствует уменьшению коррозии в сварных конструкциях.

Титан (Тi) повышает прочность, плотность и пластичность стали, улучшает обрабатываемость и сопротивление коррозии. Повышает прокаливаемость стали при малых содержаниях и понижает при больших.

Хром (Cr) повышает прочность, закаливаемость и жаростойкость, режущие свойства и стойкость на истирание, но снижает вязкость и теплопроводность стали. Содержание большого количества хрома (в обычных сортах стали доходит до 2%, а в специальных — до 25%) делает сталь нержавеющей и обеспечивает устойчивость магнитных сил.

Молибден (Mo) повышает прочностные характеристики стали, увеличивает твердость, красностойкость, антикоррозионные свойства. Делает ее теплоустойчивой, увеличивает несущую способность конструкций при ударных нагрузках и высоких температурах. Затрудняет сварку, так как активно окисляется и выгорает.

Никель (Ni) увеличивает вязкость, прочность и упругость, но несколько снижает теплопроводность стали. Никелевые стали хорошо куются. Значительное содержание никеля делает сталь немагнитной, коррозионностойкой и жаропрочной.

Вольфрам (W) образуя в стали твердые химические соединения – карбиды, резко увеличивает твердость и красностойкость. Увеличивает работоспособность стали при высоких температурах, ее прокаливаемость, повышает сопротивление стали к коррозии и истиранию, уменьшает свариваемость.

Ванадий (V) обеспечивает мелкозернистость стали, повышает твердость и прочность. Увеличивает плотность стали, так как является хорошим раскислителем. Снижает чувствительность стали к перегреву и улучшает свариваемость.

Кобальт (Co) повышает жаропрочность, магнитные свойства, увеличивает сопротивление удару.

Алюминий (Аl) является активным раскислителем. Делает сталь мелкозернистой, однородной по химическому составу, предотвращает старение, улучшает штампуемость, повышает твердость и прочность, увеличивает сопротивление окислению при высоких температурах.

Медь (Cu) влияет на повышение коррозионной стойкости, предела текучести и прокаливаемости. На свариваемость не влияет.

Для всестороннего понимания и анализа процессов, происходящих при легировании и деформировании сталей, важную роль играет знание зависимостей между химическим составом и механическими свойствами.

Целью настоящих исследований является изучение комплексного влияния химического состава на предел текучести σТ арматурной стали класса А500С

.

В течение сентября и октября текущего года в Лаборатории испытаний строительных материалов и конструкций ГБУ «ЦЭИИС» проводились испытания образцов арматурных стержней диаметром от Ø16 до Ø36. Были выполнены более 30 параллельных испытаний. При этом для одной и той же пробы данного типоразмера арматурных стержней определяли фактическую массовую долю химических элементов с помощью оптико-эмиссионного спектрометра PMI-MASTER SORT (рис.1) и механические свойства стали при помощи испытательной машины ИР-1000М-авто (рис.2).

Рис.1 — Испытание арматурного стержня для определения химического состава стали.

Рис.2 — Испытания арматурной стали на растяжение.

Для обеспечения достоверности статистических выводов и содержательной интерпретации результатов исследований сначала определили необходимый объем выборки, т.е. минимальное количество параллельных испытаний. Так как в данном случае испытания проводятся для оценки математического ожидания, то при нормальном распределении исследуемой величины минимально необходимый объем испытаний можно найти из соотношения:

где υ – выборочный коэффициент вариации,

tα,k – коэффициент Стьюдента,

α=1-P – уровень значимости (Р — доверительная вероятность),

k = n-1 – число степеней свободы,

ΔМ – максимальная относительная ошибка (допуск) при оценке математического ожидания в долях математического ожидания (ΔМ = γ*δМ, где γ — генеральный коэффициент вариации, δМ – максимальная ошибка при оценке математического ожидания в долях среднеквадратического отклонения).

Как правило, генеральный коэффициент вариации γ неизвестен, и его заменяют выборочным коэффициентом вариации υ, для определения которого нами была проведена серия из десяти предварительных испытаний.

По результатам проведенных испытаний и выполненных расчетов при доверительной вероятности Р=0,95 получен необходимый объем выборки, равной n=26

. Фактическое количество испытаний, как было сказано выше, составило 36.

Массив данных, полученных по результатам проведенных параллельных испытаний, был обработан с помощью многофакторного корреляционного анализа.

Уравнение множественной регрессии может быть представлено в виде:

Y = f (β, X) + ε,

где X=(X1, X2,…, Xm) – вектор независимых (исходных) переменных; β – вектор параметров (подлежащих определению); ε – случайная ошибка (отклонение); Y – зависимая (расчетная) переменная.

Разработка множественной корреляционной модели всегда сопряжена с отбором существенных факторов, оказывающих наибольшее влияние на признак-результат. В нашем случае из дальнейшего рассмотрения были исключены три элемента (Аl, Тi, W) по причине их низкой массовой доли (

Если вы нашли ошибку: выделите текст и нажмите Ctrl+Enter