Влияние примесей на свойства стали и чугуна

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