Влияние полезных примесей на свойства стали

Помимо железа и углерода (основных компонентов), сталь состоит из различных добавок и включений. Их можно условно разделить на две группы – вредные и полезные примеси. К первой категории относятся вещества и соединения, которые негативно влияют на потребительские качества стали. Элементы второй группы оказывают диаметрально противоположное действие, они способствуют улучшению тех или иных характеристик металла. Чтобы получить сталь, которая обладает оптимальными значениями основных характеристик (твердость, ударная вязкость, предел текучести), необходимо как можно подробнее разобраться в обеих группах примесей, какие элементы входят в них и каково влияние на качество стали отдельно взятых компонентов.

Вредные примеси стали

Название этой группы примесей имеет негативный подтекст, однако не стоит думать, что это абсолютное зло. Дело в том, что некоторые из них, помимо отрицательного влияния на качество металла, оказывают и положительное воздействие. Нужно еще учитывать, что от некоторых элементов из этой группы избавиться в принципе невозможно – они в том или ином количестве присутствуют в любой марке стали.

Сурьма

Негативным свойством этого компонента является сегрегация на поверхности зерен, которая происходит во время затвердевания стали. Эта особенность сурьмы способствует увеличению отпускной хрупкости легированных сталей. Наличие сурьмы в химическом составе сплава особенно негативно сказывается на качестве поверхности слитков, которые отлиты непрерывным способом.

Азот

Наличие азота приводит к образованию в структуре стали нитридов – неметаллических инородных включений, снижающих качество стали. Однако азот нельзя отнести только к вредным примесям, так как этот элемент оказывает на металл и положительное влияние. Дело в том, что благодаря азоту увеличивается аустенитная область диаграммы состояния железо-углерод. Аналогичным качеством обладает дорогой никель, поэтому при помощи азота можно заменить этот легирующий элемент, но не полностью.

Сера

Этот компонент считается для стали наиболее вредным. В стали примесь образует сульфид меди, из-за чего снижаются основные характеристики: свариваемость, пластичность, ударная вязкость. Кроме того, сера делает сталь хладоломкой, так как на границах кристаллов образуются сульфидные эвтектики. Из-за этих качеств содержание серы в сталях ограничено определенными нормами. Например, в высококачественных марках содержание серы не превышает 0,02-0,03%. В сталях общего назначения массовая доля этой примеси варьируется в пределах 0,03-0,04%. Чтобы свести содержание к минимуму, сталь подвергается специальной обработке, после которой массовая доля серы сокращается до 0,005%.

Фосфор

Это вещество не зря идет следом за серой, так как тоже считается наиболее вредным. Фосфор приводит к увеличению хладоломкости стали и снижению ударной вязкости металла. Наличие фосфора в сталях, легированных хромом, никелем и марганцем, способствует замедлению распада мартенсита и увеличивает упрочняемость стали. Коррозия аустенитной нержавеющей стали при контакте с сильным окислителем – тоже вина фосфора.

Углерод

Попадание этого компонента стали в данную категорию может вызывать удивление, так как наряду с железом углерод является основным компонентом стали любой марки. Однако нужно понимать, что чрезмерное количество углерода способствует переходу металла в хладоломкое состояние – увеличивается твердость и уменьшается предел прочности. Кроме того, увеличение процентного содержания углерода приводит к повышению электрического сопротивления металла и коэрцитивной силы.

Олово

Из-за сегрегации на границах зерен олова в составе стали уменьшает пластичность металла в аустенитно-ферритной области. Даже минимальное количество олова в химическом составе приводит к отпускной хрупкости металла. Особенно важно свести к минимуму содержание этого элемента при отливке слитков непрерывным способом.

Кислород

Для стали крайне важна такая характеристика, как пластичность, которая уменьшается из-за содержания кислорода. Кислород может попасть в состав не только во время выплавки, но и при сварке. Чтобы этого не допустить, используется сварка в среде защитных газов – аргоне, гелии. Для снижения содержания кислорода используется раскисление.

Полезные примеси стали

Если говорить о веществах, которые улучшают характеристики металла, то к ним относится:

• хром – увеличивает коррозионную устойчивость и твердость, при большом содержании хрома сталь становится нержавеющей;
• никель – увеличивает прочность и пластичность сплава;
• алюминий – способствует увеличению жаростойкости и устойчивость к образованию окалины;
• вольфрам – увеличивает красностойкость и твердость металла за счет способности образовывать карбиды (сверхтвердые соединения);
• кобальт – увеличивает жаростойкость и удароустойчивость;
• титан – уменьшает содержание вредного кислорода, повышает коррозионноустойчивость и обрабатываемость;
• ванадий – как и титан, считается эффективным раскислителем, увеличивает плотность и прочность металла.

Перечень отнюдь не исчерпывающий, существуют и другие элементы, улучшающие качества стали. Именно они используются при выплавке легированных, нержавеющих и жаропрочных сталей. Узнать о составе металла можно из обозначения той или иной марки стали.

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