Влияние примесей на свойства стали

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Влияние примесей на свойства стали

30.10.2020

К вредным примесям сталей и сплавов относятся сера, фосфор, газы (водород, азот, кислород), некоторые цветные металлы. Источники поступления их в сталь различны: исходное сырье (руда, кокс, шлакообразующие, лом, лигатура), печная атмосфера (продукты горения топлива, воздух), огнеупорные материалы (футеровка печей, ковшей и др.). Поэтому содержание примесей в стали в значительной мере зависит от способа ее выплавки (табл. 1).
Влияние примесей на свойства стали

Сера. Основные ее источники — шихта (чугун, кокс) и печные газы (в мартеновских печах продукт горения топлива SO2). Сера — один из наиболее сильно ликвирующих элементов. Максимальная растворимость ее в феррите около 0,01 % (рис. 1). Избыток серы при затвердевании стали образует с железом соединение FeS, которое входит в состав легкоплавкой эвтектики, выделяющейся по границам зерен металла.

Вредное влияние серы определяется прежде всего явлением красноломкости стали. Нагрев металла выше 800 °С, т. е. выше температур красного каления, приводит к оплавлению границ зерен и ослаблению связи между ними. Из-за повышенной хрупкости сталь с высоким содержанием серы не поддается горячей обработке давлением.

Повышенное содержание серы и склонность ее к ликвации ответственны за образование кристаллизационных трещин в слитках, отливках и сварных швах, охрупчивание металла в околошовной зоне при сварке.

При пониженном содержании серы вокруг зерен не образуются сплошные оторочки сульфида -железа, который выделяется в виде менее вредных обособленных включений. Введение в сталь марганца способствует замещению им железа в составе сульфидов. Температура плавления MnS 1620 °С, т. е. выше, чем сульфида железа 1190 °С). Однако при горячей обработке давлением пластичные сульфиды марганца деформируются, вытягиваясь вдоль направления прокатки, что приводит к анизотропии свойств металла.

Незначительно изменяя показатели статической прочности, содержание серы сильно влияет на характеристики сопротивления металла динамическому разрушению (рис. 2), т. е. уменьшает эксплуатационную надежность материала. Влияние содержания серы на величину вязкости стали своеобразно и получило название сульфидного эффекта. В отличие от других вредных примесей повышение ее содержания в конструкционной стали понижает порог хладноломкости.

Существенно влияет содержание серы на свойства жаропрочных сталей и сплавов. Длительная прочность их при нормальной температуре почти не зависит от содержания серы. Однако жаропрочные свойства очень чувствительны к наличию даже небольшого количества вредных примесей (рис. 3).

С учетом отрицательного влияния серы на свойства сталей содержание этого элемента регламентировано ГОСТами в следующих пределах: в обычной стали 0,040—0,045 %, в качественной — 0,030— 0,035 % и в высококачественной — до 0,020—0,025 %. Ho эти требования сегодня нельзя признать достаточными ввиду большой склонности серы к ликвации. Степень последней существенно зависит от массы слитков и может достигать 200—600 %.

Фосфор. Его источниками служат железные и марганцевые руды, топливо и флюсы. При выплавке чугуна некоторое количество фосфора остается в металле и затем, в той или иной мере, зависящей от способа производства (см. табл. 1), переходит в сталь. Присутствуя в стали как примесь, фосфор может полностью растворяться в феррите (рис. 4). Поэтому его влияние, усиливающееся ликвацией и локализацией у границ зерен, обусловлено внедрением в а- или у-решетки железа.

Наличие фосфора особенно сильно сказывается на механических свойствах стали в области низких температур (явление хладноломкости). Он уменьшает работу распространения трещины и сопротивление металла хрупкому разрушению (рис. 5), при этом его негативное влияние тем сильнее, чем выше прочность стали. В состоянии отпускной хрупкости отрицательное воздействие фосфора на порог хладноломкости еще больше. Фосфор не ухудшает свойств нержавеющих и жаростойких (хромоникелевых) сталей. Однако аустенитные безникелевые стали (Г13), как и высокопрочные, при повышенной загрязненности фосфором малопригодны для эксплуатации при низких температурах.

Газы. Водород попадает в сталь из атмосферы печи и влажной шихты (металлолом, лигатура, шлакообразующие). При затвердевании стали растворенный водород не успевает удалиться и его содержание в слитке превышает равновесные значения (рис. 6).

Водород способствует образованию пористости, возникновению и развитию трещин, расслаиванию металла. Наиболее существенным дефектом катаных и кованых (особенно крупных) стальных изделий считают флокены. Водород значительно ухудшает физические свойства и изменяет поведение стали при эксплуатации. В частности, резко снижается пластичность, длительная прочность и выносливость металла, возможно внезапное хрупкое разрушение длительно нагружаемых конструкций.

Азот попадает в сталь из исходной шихты, раскислителей, лигатур (феррохром, ферромарганец), атмосферы. Отмечено также неблагоприятное влияние шлаков в восстановительный период электроплавки.

Растворимость азота, как и водорода, резко уменьшается с понижением температуры и при температурах полиморфных превращений изменяется скачкообразно (см. рис. 6). Выделение азота из пересыщенных твердых растворов в форме дисперсных нитридов растянуто во времени, вызывает напряженность кристаллической решетки, ослабление границ зерен и обусловливает старение стали.

Взаимодействие азота с дислокациями и другими дефектами кристаллической решетки (образование атмосфер Коттрелла) приводит к повышению пределов текучести и прочности, твердости, понижению пластических свойств стали при статических испытаниях и критической температуры хрупкого разрушения при испытании на удар. Эти признаки характеризуют явление деформационного старения и его частный случай — синеломкость стали.

При определенном содержании алюминия, титана, ванадия и некоторых других элементов азот связывается с ними в стойкие питриды, что предотвращает старение металла, способствует измельчению его структуры и повышает начальную температуру роста зерна при пагреве. Однако наряду с этим устойчивая мелкодисперсная нитридная фаза отрицательно влияет па технологическую пластичность металла при прокатке и ковке, на эксплуатационные свойства сталей ответственного назначения (например подшипниковых), является причиной хрупкого (интеркристаллитного) излома средне- и малоуглеродистых легированных сталей.

Азот ухудшает и некоторые другие свойства стали: понижается сопротивляемость межкристаллитной коррозии под напряжением и магнитная проницаемость, увеличивается электросопротивление металла и способность к закалке.

Источники загрязнения металла кислородом многообразны. Это шихтовые материалы, окислители (кислород и руда), шлакообразующие, лигатуры, раскислители, воздух при контакте металла во время плавки и разливки, огнеупорные материалы в результате их размывания или вследствие химического взаимодействия с ними.

Растворимость кислорода в твердом железе (рис. 7) очень мала (в феррите при нормальной температуре 0,003 % или даже 0,0006 %), и он находится в стали преимущественно в составе оксидов. Поскольку дифференцировать влияние растворенного и связанного кислорода па свойства стали весьма сложно, негативные последствия ее окисленности объясняют исключительно влиянием неметаллических включений. В зависимости от морфологии и топографии оксидов оно выражается в анизотропии механических свойств металла, склонности к старению, ухудшении механических характеристик (особенно ударной вязкости), снижении усталостной прочности, контактной выносливости, жаропрочности, коррозионной стойкости, магнитных свойств, увеличении электросопротивления. При значительной окисленности стали затрудняется ее горячая обработка давлением и появляется склонность к росту зерна при нагреве.

Цветные примеси. Металлы цинк, свинец, олово, висмут, кадмий, сурьма и металлоиды селен и мышьяк поступают в сталь в основном из руды и металлолома. Поэтому содержание цветных примесей стали в большой мере зависит не от способа ее выплавки, а от качества исходной шихты. Например, около 0,1 % As содержится в металле металлургического комбината Азовсталь; в стали, выплавленной на бытовом ломе, больше олова, свинца и цинка.

Диаграммы состояния бинарных сплавов железа с цинком, оловом, сурьмой и мышьяком характеризуют их как системы с эвтектиками и ограниченными твердыми растворами. Свинец, висмут и кадмий не растворяются как в жидком, так и в твердом железе. Впрочем, такой подход к вопросу о поведении цветных примесей в сталях не совсем правомерен, поскольку в многокомпонентных сплавах на основе железа и никеля они могут растворяться. Так, если для системы Fe—Pb характерно расслоение во всей области температур и концентраций, то диаграмма состояния Ni—Pb относится к эвтектическому типу.

Негативное воздействие цветных примесей обычно отождествляют с влиянием серы. Низкая температура плавления примесей и образование легкоплавких эвтектик обусловливают выделение их при затвердевании стали преимущественно по границам зерен металла. Это, естественно, сказывается прежде всего на свойствах сталей и сплавов при высоких температурах.

Особенно чувствительны к наличию цветных примесей жаропрочные стали и сплавы. Установлено, что содержание свинца, олова, цинка и висмута должно строго лимитироваться как для получения достаточной технологической пластичности (деформация при высоких температурах), так и недопущения снижения жаропрочности. Длительная прочность под напряжением у низколегированных котельных сталей резко снижается при содержании свинца, цинка и олова более 0,0003 %, 0,003 % и 0,0005 % соответственно. Самым вредным элементом в жаропрочных сталях и сплавах признан свинец. Причем отрицательные последствия его присутствия усиливаются с повышением содержания никеля в сталях и в никелевых жаропрочных сплавах проявляются особенно резко. Установлено, что снижение жаропрочных свойств сплава ХН70МВТЮ вызывается наличием свинцовой эвтектики, расположенной по границам зерен и снижающей сопротивление металла межкристаллитному разрушению. Однако температура плавления последней составляет 1300 °С, что значительно выше рабочих температур и температур горячей деформации сплава. Подобным примером А.П. Гуляев отрицает универсальность объяснения вредного влияния цветных примесей исключительно их легкоплавкостью или низкой температурой плавления образующихся эвтектик.

Цветные примеси ухудшают качество металла и при низких температурах. Наличие олова затрудняет холодную прокатку жести. Мышьяк, олово и особенно сурьма подобно фосфору уменьшают ударную вязкость стали тем больше, чем выше ее прочность. Склонность конструкционной хромистой и хромоникелевой стали к отпускной хрупкости сильно возрастает уже при незначительном содержании этих элементов.

В рамках обсуждаемого вопроса нужно указать и на неблагоприятное влияние углерода. В большинстве современных нержавеющих сталей он не является необходимым элементом. Склонность их к MKK определяется выделением вторичных карбидов, которых, естественно, будет тем меньше, чем ниже абсолютное содержание углерода и меньше разница в его растворимости при высокой и низкой температуре. Межкристаллитная коррозия характерна для диапазона температур от 750 °C и ниже. Растворимость углерода в аустените при этом уменьшается от 0,005 % и не зависит от содержания никеля. По-видимому, предотвратить MKK аустенитных хромоникелевых сталей можно только при уменьшении содержания углерода до 0,001 %.

Необходимо отметить некоторые общие закономерности. Подобно легирующим элементам влияние вредных примесей определяется тем, в какой форме они присутствуют в стали. Почти все они образуют с a-железом ограниченные твердые растворы переменной концентрации. Поскольку содержание вредных примесей в жидкой стали выше, чем их растворимость при низкой температуре, то ее кристаллизация сопровождается образованием первичных и вторичных карбидов, сульфидов, нитридов и оксидов, выделяющихся из у-и а-растворов. Таким образом, воздействие примесей характеризуется упрочнением стали из-за образования твердого раствора или второй фазы, а также явлением старения. Кроме того, вредные примеси весьма склонны к ликвации и при затвердевании металла распределяются по высоте и сечению слитка неравномерно. Содержание элементов в различных областях слитка может отличаться в 2—3 и более раз и превышать не только их растворимость в железе (со всеми вытекающими последствиями), но и пределы, оговоренные ГОСТами.

Обсуждая влияние серы, фосфора, газов и цветных примесей на свойства сталей и сплавов, мы затрагивали до сих пор лишь негативную сторону этого вопроса. Вместе с тем в некоторых случаях перечисленные элементы либо способствуют повышению эксплуатационных свойств металла, либо используется их отрицательное влияние. Здесь следует упомянуть об азоте, который применяется для повышения поверхностной твердости деталей (азотирование), а также в качестве аустенитизатора и позволяет экономить никель при производстве нержавеющих сталей. Сера (до 0,3 %), фосфор (до 0,15 %), свинец (до 0,5 %) вводятся в состав сталей для улучшения их обрабатываемости резанием. Известно пассивирующее влияние сурьмы против действия кислот на хромоникелевые и медноникелевые литейные сплавы.

Из сказанного следует, что для достижения наилучших свойств конкретного сплава требуется либо рафинирование, либо оптимальное легирование его примесями. Эффективное управление этими процессами невозможно без знания закономерностей поведения примесей.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: