Влияние примесей на свойства сталей

Постоянные примеси

Постоянные примеси (кремний, марганец, сера, фосфор и газы) в определенном количестве всегда присутствуют в стали. Кремний и марганец вводят в процессе плавки (до 0,4 % серы и 0,1-0,8 % марганца), а сера и фосфор попадают из руд и вторичного сырья (до 0,05 %).

и
марганец
присутствуют в любой стали, оставаясь в ней после раскисления в небольшом количестве в виде полезных примесей (они являются раскислителями). Марганец повышает прочность горячекатаной стали.

и
фосфор
– вредные примеси, придают стали красноломкость (потери пластичности при 800 °С и выше).

Сталь с повышенным содержанием серы не поддается горячей обработке давлением. Кроме того, сера ухудшает механические свойства стали в холодном состоянии, значительно понижает ее вязкость. Единственное положительное влияние серы на свойства – улучшение обрабатываемости резанием.

Фосфор ухудшает пластические свойства стали, понижает ударную вязкость при комнатной температуре, а особенно при отрицательной температуре (придает стали хладоломкость). Это влияние заметно сказывается при содержании фосфора свыше 0,1 %. В отдельных случаях фосфор полезен: улучшает обрабатываемость стали резанием, а в присутствии меди – ее антикоррозионные свойства.

Сера и фосфор в повышенных количествах допускаются только в стали повышенной и высокой обрабатываемости резанием, которая имеет сравнительно невысокие механические свойства.

Газы (кислород

,
водород
,
азот
) как правило являются вредными примесями, присутствуют в любой стали в очень малых количествах, и их называют скрытыми примесями. Газы присутствуют в твердой стали в следующих формах: в газообразном состоянии (в порах, пустотах), в α-твердом растворе; в виде соединений, т.е. неметаллических включений (нитридов, оксидов).

Большое количество водорода

в стали опасно, так как это может привести к внутренним надрывам (флокенам). С течением времени количество водорода в стали уменьшается за счет выделения его из металла, которое происходит вследствие того, что водород не образует соединений с железом. Выделение водорода сопровождается улучшением механических свойств стали, особенно пластичности.

Азот и кислород образуют хрупкие неметаллические включения, ухудшающие свойства металла (уменьшение вязкости и повышение порога хладоломкости).

Случайные примеси

Случайные примеси – это химические элементы, попадающие в сталь из руд различных месторождений или из скрапа, а также вследствие разновидностей технологического процесса.

Наиболее часто случайными примесями являются никель (до 0,3 %), хром (до 0,2 %), медь (до 0,1 %). Содержание случайных примесей не допускается выше определенного предела, установленного техническими условиями для стали каждой марки, так как очень часто одни и те же элементы, полезные в стали одного состава, в другой оказываются вредными.

Специальные примеси

Специальные примеси (легирующие элементы) вводятся в сталь в определенных количествах с целью изменения ее строения и свойств (повышение прочности, получение особых физико–химических свойств и т.д.). Легирующие элементы преимущественно растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов (феррите, аустените, цементите) или образуют специальные карбиды.

Литература

1. Материаловедение / Ю.Т. Чумаченко, Г.В. Чумаченко. – Ростов н/Д: Феникс, 2005. – 320 с.
2. Материаловедение / О.В. Травин, Н.Т. Травина. М.: Металлургия. 1989. 384 с.
3. Металловедение / А.П. Гуляев. М.: Металлургия, 1986. 544 с.
4. Материаловедение / А.М. Адаскин, В.М. Зуев. – М.: ПрофОбрИздат, 2001. – 240 с.

Оптико-эмиссионный спектральный анализ C, S, P.

Оптико-эмиссионные спектрометры — универсальные приборы, которые способны решать широкий круг аналитических задач. В основу их работы лежат принципы атомно-эмиссионного спектрального анализа элементного состава вещества:

• спектр возбужденных атомов и ионов индивидуален для каждого элемента;
• интенсивность спектральной линии находится в зависимости от концентрации элемента в исследуемой пробе.

Эмиссионные спектральные приборы находят широкое применение в металлургии, что обусловлено следующими преимуществами метода:

• Возможность исследования проб в различном агрегатном состоянии.
• Анализ носит неразрушающий характер.
• Количество исследуемых элементов практически не ограничено. В их число входят углерод, сера и фосфор, которые представляют особый интерес для металлургов.
• Для проведения исследования в качестве пробы достаточно малого количества вещества.
• Высокая чувствительность и точность.
• Экспрессность.
• Возможность проведения сертификационного анализа.

Для анализа углерода, серы и фосфора с использованием эмиссионных спектрометров должны быть созданы в приборе определенные условия, а именно: бескислородная атмосфера. В противном случае определить элементы, длина волны которых короче 185 нм, не представляется возможным. В настоящее время удаление кислорода в приборе осуществляется двумя способами:

• путем прокачки инертным газом;
• вакуумированием.

Каждая из систем декислородизации имеет определенные особенности эксплуатации и обслуживания, поэтому при выборе прибора для анализа углерода, серы и фосфора следует учитывать их преимущества и недостатки. Это позволит подобрать спектрометр, который оптимально соответствует аналитической задаче, требованиям к точности результатов исследований и имеет удовлетворительные экономические показатели.

Оптико-эмиссионные приборы, предусматривающие прокачку инертным газом

В спектральных приборах для декислородизации используют чаще всего аргон. Для удаления кислорода предусматривается одна из следующих систем:

• Открытая. В результате продувки происходит вытеснение кислорода, а инертный газ удаляется из прибора в окружающую атмосферу.
• Замкнутая. При прохождении инертного газа происходит захват кислорода, который в дальнейшем очищается с помощью фильтра. Газ продолжает движение по замкнутой системе, давление в которой обеспечивает насос.

Приборы с открытой системой декислородизации отличаются простотой конструкции и меньшей стоимостью. Однако в этом случае степень очистки находится на низком уровне, а аргон расходуется безвозвратно. Применение подобных спектрометров целесообразно при пониженных требованиях к аналитическим характеристикам, как со стороны потребителя, так и со стороны производителя.

Конструкция приборов с замкнутой системой декислодизации усложняется, так как для обеспечения функциональности необходимы дополнительные компоненты и их обслуживание:

• Насос с блоком питания.
• Баллон с газом для компенсации потерь.
• Дополнительный фильтрующий элемент.

Каждый из этих компонентов прибора требует обслуживания, а расходные материалы — замены, что связано с дополнительными расходами. Кроме этого, в результате непрофессиональных действий обслуживающего персонала возникает риск завоздушить систему при замене фильтра. Ликвидация последствий этого требует не только с дополнительных материальных затрат, но и времени.

Оптико-эмиссионные приборы с системой вакуумирования

Система вакуумирования позволяет получить низкую остаточную концентрацию кислорода, которая во много раз ниже, чем в открытой системе декислородизации, и сопоставима с лучшими результатами, полученными в замкнутых. Следует отметить, что при этом нет необходимости использования инертного газа.

Такая система удаления кислорода применяется в наиболее совершенных спектральных приборах. В них установлен масляный насос, который дополняется специальными ловушками для масла. Кроме этого, предусмотрен клапан, который при аварийном отключении электропитания, не допускает повреждения спектрометра маслом в результате его проникновения в вакуумную магистраль.

Двухступенчатые масляные форвакуумные насосы — наиболее предпочтительное оборудование по сравнению безмасляными мембранными моделями. Они имеют сопоставимую стоимость, но при этом в десятки раз превосходят последние по степени удаления кислорода, а также обладают значительным ресурсом и намного проще в обслуживании.

Универсальные настольные и стационарные спектрометры Искролайн 100/300 — отличные образцы приборов, в которых для удаление кислорода реализована система вакуумирования. Они способны определять более 70 элементов, в число которых входят углерод, сера и фосфор, с пределом детектирования до 0,0001% Приборы позволяют быстро и точно проводить спектральный анализ сталей, и отличаются высоким спектральным разрешением, высокой сходимостью результатов измерений и высоким качеством изготовления.

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 σ_Т 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,

t_α,k – коэффициент Стьюдента,

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

k = n-1 – число степеней свободы,

Δ_М – максимальная относительная ошибка (допуск) при оценке математического ожидания в долях математического ожидания (Δ_М = γ*δ_М, где γ — генеральный коэффициент вариации, δ_М – 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,…, X_m) – 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

Примеси в сталях: вредные и полезные

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.

Влияние фосфора на свойства сталей

Фосфор (Р) сегрегирует при затвердевании стали, но в меньшей степени, чем углерод и сера. Фосфор растворяется в феррите и за счет этого повышает прочность сталей. С увеличением содержания фосфора в сталях их пластичность и ударная вязкость снижается и повышается склонность к хладноломкости.

Растворимость фосфора при высокой температуре достигает 1,2 %. С понижением температуры растворимость фосфора в железе резко падает до 0,02-0,03 %. Такое количество фосфора характерно для для сталей, то есть весь фосфор обычно растворен в альфа-железе.

Фосфор имеет сильную тенденцию сегрегировать на границах зерен, что приводит к отпускной хрупкости легированных сталей, особенно в марганцевых, хромистых, магниево-кремниевых, хромоникелевых и хромомарганцевых сталях. Фосфор, кроме того, увеличивает упрочняемость сталей и замедляет, как и кремний, распад мартенсита в сталях.

Повышенное содержание фосфора часто задают в низколегированных сталях для улучшения их механической обработки, особенно автоматической.

В низколегированных конструкционных сталях с содержанием углерода около 0,1 % фосфор повышает прочность и сопротивление атмосферной коррозии.

В аустенитных хромоникелевых сталях добавки фосфора способствуют повышению предела текучести. В сильных окислителях наличие фосфора в аустенитных нержавеющих сталях может приводить к их коррозии по границам зерен. Это обусловлено явлением сегрегации фосфора по границам зерен.

Влияние серы на свойства сталей

Содержание серы (S) в высококачественных сталях не превышает 0,02-0,03 %. В сталях общего назначения допустимое содержание серы выше – 0,03-0,04 %. Специальной обработкой жидкой стали содержание серы в стали доводят до 0,005 %.

Сера не растворяется в железе, поэтому любое ее количество образует с железом сульфид железа FeS. Этот сульфид входит в состав эвтектики, которая образуется при 988 °С.

Повышенное содержание серы в сталях приводит к их красноломкости из-за низкоплавких сульфидных эвтектик, которые возникают по границам зерен. Явление красноломкости происходит при температуре 800 °С, то есть при температуре красного каления стали.

Сера оказывает вредное влияние на пластичность, ударную вязкость, свариваемость и качество поверхности сталей (особенно в сталях с низким содержанием углерода и марганца).

Сера имеет очень сильную склонность к сегрегации по границам зерен. Это приводит к снижению пластичности сталей в горячем состоянии. Однако серу в количестве от 0,08 до 0,33 % намеренно добавляют в стали для автоматической механической обработки. Известно, что присутствие серы повышает усталостную прочность подшипниковых сталей.

Присутствие в стали марганца уменьшает вредное влияние серы. В жидкой стали протекает реакция образования сульфида марганца. Этот сульфид плавится при 1620 °С – при температурах значительно более высоких, чем температура горячей обработки сталей. Сульфиды марганца пластичны при температурах горячей обработки сталей (800-1200°С) и поэтому легко деформируются.

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.

Влияние олова на свойства сталей

Олово (Sn) уже в относительно малых количествах является вредным для сталей. Оно имеет очень сильную склонность сегрегировать к границам зерен и вызывать отпускную хрупкость в легированных сталях. Олово оказывает вредное влияние на качество поверхности непрерывнолитых слитков, а также может снижать горячую пластичность сталей в аустенитно-ферритной области диаграммы состояния.

Влияние сурьмы на свойства сталей

Сурьма (Sb) имеет сильную склонность сегрегировать при затвердевании стали и поэтому вредно влияет на качество поверхности непрерывнолитых стальных слитков. В твердом состоянии стали сурьма охотно сегрегирует к границам зерен и вызывает отпускную хрупкость легированных сталей.

Учебные материалы

Содержание постоянных примесей обычно ограничивается следующими верхними пределами: 0,8 % Мn; 0,5 % Si; 0,05 % Р; 0,05 % S. При большем их содержании сталь следует относить к легированным, куда эти элементы введены специально.

Марганец

Его вводят в любую сталь для раскисления:

FeO + Mn -> MnO +Fe,

т.е. для устранения оксида железа. Марганец хорошо растворяется в феррите и цементите. Он повышает прочность стали, практически не снижая пластичности, резко уменьшает красноломкость, т.е. хрупкость при высоких температурах вызванную влиянием серы.

Кремний

Его вводят в сталь для раскисления:

2FeO + Si -> 2Fe + SiO2.

Кремний полностью растворим в феррите; сильно повышает предел текучести стали, что снижает способность стали к пластической деформации. В сталях, предназначенных для холодной штамповки, вытяжки, содержание кремния должно быть минимальное.

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.

Азот и кислород

Содержатся в стали в небольших количествах, зависящих от способа производства. Они могут в газообразном состоянии находиться в различных несплошностях , в a-твердом растворе, присутствовать в стали в виде хрупких неметаллических включений: оксидов (FeO, SiO₂, Al₂O₃ и др.) нитридов (Fe₂N, Fe₄N, Mn₄N и др.). Азот, кислород и их соединения резко повышают порог хладноломкости, уменьшают ударную вязкость, понижают сопротивление хрупкому разрушению.

Водород

С железом гидридов не образует. Поглощенный при выплавке водород не только охрупчивает сталь, но приводит к образованию флокенов- тонких трещин овальной или округлой формы. Кроме того, водород в металл может попасть в процессе нанесения гальванических покрытий, сварке, при контакте с водородсодержащими средами. Для снижения водородной хрупкости (удаления водорода) металл нагревается до 150…180 0 С, желательно в вакууме при давлении порядка 10 -2 …10 -3 мм рт. ст.

Улучшение качества стали

Для удаления из жидкой стали растворенных в ней газов и неметаллических включений применяют ее вакуумную обработку. Для этого ковш с жидкой сталью помещают в герметически закрытую камеру, где создается разряжение 267…667 Па (2…5 мм рт. ст.). Бурно выделяющиеся газы увлекают с собой и выносят из металла неметаллические включения. В течение 10…15 минут количество растворенных газов уменьшается в 3…5 раз, количество неметаллических включений- в 2…3 раза.

Для защиты металла от окисления разливку стали ведут в инертной атмосфере, например, аргона, под слоем синтетического шлака. Для получения сталей особо высокого качества применяют электрошлаковый переплав (ЭШП), плазменнодуговой переплав, электроннолучевой переплав, электродуговой вакуумный переплав. Металл хорошо очищается (рафинируется) от газов и неметаллических включений обработкой шлаком и направленной кристаллизацией жидкого расплава, созданием глубокого вакуума.

Уважаемые студенты!
Специалисты нашего сайта готовы оказать помощь в учёбе по разным предметам:
✔ Решение задач
✔ Выполнение учебных работ
✔ Помощь на экзаменах

ВЛИЯНИЕ СЕРЫ И ФОСФОРА НА СВОЙСТВА ХЛАДОСТОЙКИХ СТАЛЕЙ

Содержание вредных примесей (серы и фосфора) относят к числу наиболее важных факторов, определяющих хладостойкость стали. Относительно допустимого содержания этих элементов в литературе нет единого мнения, хотя большинство исследователей в качестве предельной концентрации называют цифры порядка 0,02-0,03 % каждого. Сера и фосфор, неограниченно растворяясь в жидком железе, обладают различной растворимостью в а- и y-Fe, что определенным образом сказывается на свойствах стали.

Влияние фосфора на свойства хладостойких сталей.

Растворимость фосфора в y-Fe примерно в 10 раз ниже, чем в a-Fe. Его растворимость в a-Fe при 800 °С составляет 1,26 %, а при комнатной температуре — 0,015 %. Одной из причин, вызывающих резкое охрупчивание стали, является обогащение фосфором межзеренных границ вследствие развития ликвационных процессов. При этом даже могут образовываться включения фосфидной эвтектики, являющиеся концентраторами напряжений. Большое влияние на образование сегрегаций фосфора оказывает химический состав стали. Установлено, что при увеличении содержания углерода в стали происходит более интенсивное образование сегрегаций фосфора, которые объединяются и образуют сетку по границам первичных аустенитных зерен, что приводит к ослаблению межкристаллических связей.

Марганец также способен усиливать охрупчивающее действие фосфора. Увеличение концентрации марганца в расплаве приводит к уменьшению растворимости фосфора в объеме ферритного зерна и обогащению им границ зерен, что снижает пластические характеристики и хладостойкость стали. Поэтому при производстве экономно-легированных сталей, содержащих > 1 % марганца, необходимо стремиться к обеспечению в стали минимальных концентраций фосфора.

Дополнительное легирование молибденом снижает как склонность стали к отпускной хрупкости, так и критическую температуру хрупкости.

Никель и медь, как и молибден, значительно ослабляют вредное влияние фосфора на свойства стали.

Повышение порога хладоломкости (Г₅₀) с ростом концентрации фосфора наблюдается как в литой нетермообработанной стали, так и после нормализации. Однако, если в литом состоянии темп прироста Г₅о при увеличении концентрации фосфора на 0,01 % для стали 20ГФЛ составляет 26 °С, то после нормализации — лишь 20 °С. В стали 06ГФЛ соответствующие значения прироста Г50 — 10 и 4 °С. При этом абсолютный уровень Г₅₀ всегда ниже в нормализованном состоянии. Обогащение фосфором границ зерен может также явиться следствием перераспределения примесей из-за неодновременного протекания процессов превращения неравновесных структур. Обратимая отпускная хрупкость способствует не только абсолютному уменьшению уровня ударной вязкости, но и существенному повышению положения порога хладоломкости.

Другая причина, вызывающая снижение хладостойкости, заключается в том, что, растворяясь в феррите, фосфор заметно искажает кристаллическую решетку твердого раствора и упрочняет ее. Однако это упрочняющее действие сопровождается сильным охрупчивающим влиянием. При этом существенно повышается температура перехода в хрупкое состояние. Так, увеличение содержания фосфора с 0,014 до 0,03 % в стали типа 20ГЛ повышает критическую температуру хрупкости (Т₅о) на 15 °С, а работа развития трещины при этом снижается с 12 до 5 Дж/см 2 .

Критическая температура хрупкости в деформированных сталях сдвигается при увеличении содержания фосфора с 0,005 до 0,21 % на 150 °С в сторону высоких температур. В литой стали 35Л охрупчивающее действие фосфора оказывается еще более сильным (рис. 6.18).

По данным Ю. А. Шульте повышение содержания фосфора с 0,02 до 0,10 % однозначно снижает (в 4—6 раз) ударную вязкость литой нормализованной стали 35ГЛ во всем интервале температур испытаний (от +20 до -80 °С) (рис. 6.19).

В среднеуглеродистых сталях (типа 35ГЛ, 30ХНМЛ) увеличение содержания фосфора на 0,01 % повышает критическую температуру хрупкости примерно на 20 °С. Вредное влияние фосфора несколько ослабляется никелем, медью, молибденом.

Отрицательное влияние оказывает фосфор на хладостойкость высокомарганцевой стали типа 110Г13Л. Повышение его содержания и снижение температуры испытания однозначно снижают ударную вязкость (рис. 6.20). После испытаний

Рис. 6.18. Влияние примесей на критическую температуру сталей 25Л и 35Л в улучшенном состоянии:

1 — фосфор в стали 35Л; 2 — сера в стали 25Л

Рис. 6.19. Пространственная диаграмма влияния содержания фосфора на ударную вязкость стали 35ГЛ

на ударный изгиб образцы из стали с низким содержанием фосфора (0,034 %) имели полностью вязкий излом даже при температуре -100 °С, в то время как в стали с более высоким содержанием фосфора (0,090 %) уже при -20 °С наблюдалась грубокристаллическая структура излома.

Влияние фосфора на механические свойства стали 110Г13Л связано не только с уменьшением межзеренной связи при его выделении по границам, но и с повышением локальной неустойчивости аустенитной фазы в дефектных местах кристаллической решетки.