Классификация примесей в железоуглеродистых сплавах

 

Примеси делятся на следующие группы.

1) Постоянные (неизбежные), к которым относятся:

С – основной элемент – восстановитель железа из руды;

Mn, Si – раскислители, специально вводимые в сталь для снижения содержания кислорода;

S, P – неизбежные (вредные) примеси, попадающие в сталь из руды.

2) Случайные – попадающие в небольших количествах из шихты при плавке

 (Cr, Ni и др.).

3) Скрытые – N, O, H; их источником служит атмосфера, водяные пары.

4) Легирующие – элементы, специально вводимые в сталь в определенных

количествах для изменения структуры и свойств.

Некоторые примеси, в зависимости от количества, могут быть как постоянными, так и слу­чайными либо легирующими элементами.

  Например, кремний и марганец, обычно содержащиеся в углеродистых ста­лях в количестве менее 1%, являются постоянными примесями; в сталях же 65Г (Mn~1%), 110Г13Л (Mn~13%), 60C2А (Si~2%) - легирующими элементами. Хром и никель, присутствуя в сталях в количестве меньше ~ 0,3%, яв­ляются случайными примесями; в сталях 40Х (Cr~1%) и 40Х13 (Cr~13%) – легирующими элементами.

 

Влияние углерода

Влияние углерода на структуру и фазовый состав стали

 

Содержание углерода в соответствии с диаграммой состояния (рис.1, а) определяет структуру стали и ее фазовый состав. Изменение соотношения структурных составляющих в практически используемом диапазоне концентраций углерода (до 1,3%) представлено на рис. 1, б, изменение фазового состава на рис.1, в. Из рис.1 в видно, что с увеличением содер­жания углерода в стали возрастает количество твердой и хрупкой фазы цементита (Ц): от 0 до 19,4% в стали У13:

              

Изменяется и количество структурных состав­ляющих:

- в доэвтектоидных сталях с повышением содержания углерода увеличивается количество перлита от 0 до 100%, количе­ство мягкой составляющей – феррита избыточного – уменьшается;

- в заэвтектоидных сталях увеличивается количество хрупкой составляющей – це­ментита вторичного (Ц₂); его максимальное количество в реально используемой стали с максимальным количеством углерода (У13) составляет согласно правилу отрезков (рис.1,а):

Ц₂ .

 

 

s_в       НВ   d,y

s₀₂              s_в КС

НВ           s₀₂

                                         y

                    КС      d

 

0,4 0,8 1,2 %С

 

Рис. 2. Изменение механических свойств в стали

       в зависимости от содержания углерода:

   s_в – предел прочности; s₀₂ – предел текучести; КС – ударная вязкость;

       d и y - относительное удлинение и сужение

 

Влияние примесей в стали

Марганец и кремний оказывают благоприятное влияние на свойства стали, сера и фосфор – вредные, но неизбежные примеси.

1) Марганец (как постоянная примесь) содержится в стали в количествах 0,25…1,0% (для качественных конструкционных сталей марок 25-70 количество марганца составляет 0,5-0,8%). Марганец рас­творяется в феррите до 47%, а также частично образует Mn₃C. Повышает прочно­стные, особенно упругие свойства стали, частично компенсирует вредное действие серы.

2) Кремний растворяется в феррите до 14%. В силу большой разницы в атомных раз­мерах железа и кремния, растворение последнего вызывает искажение решетки твер­дого раствора, в результате прочность феррита увеличивается, а пла­стичность и вязкость снижаются.

Поэтому при изготовлении изделий методами холодной пластической дефор­мации (высадка, холодная прокатка) используются кипящие (не полностью раскис­ленные) стали с пониженным (до 0,07%) содержанием кремния (0,03% – в сталях для холодной высадки).

В спокойных конструкционных качественных сталях содержание кремния находится в пределах 0,17-0,37%.

3) Сера – вредная примесь, нерастворима в железе, образует химические соединения. Она способствует возникновению красноломкости – хрупкости при горячей пластиче­ской деформации (ковке, прокатке). Причина этого явления - образование легкоплавкой эвтектики Fe-FeS (t_пл=985⁰ С), выделяющейся по границам зерен. При нагреве до температуры ковки~1100-1200⁰ С эвтектика и границы зерен оплавляются – связь между ними на­рушается, и при деформации происходит разрушение.

Сернистые соединения железа снижают механические свойства стали – особенно КС, d, y.

Сера – сильно ликвирующая примесь (до 600%), вызывает анизотропию свойств, ухудшает свариваемость, коррозионные свойства. Поэтому допустимое содержание серы в стали не превышает 0,05% (0,04% в качественных сталях).

Вредное действие серы частично компенсируется марганцем, который образует сульфид MnS. Связывая серу, марганец препятствует образованию эвтектики Fe-FeS. Сульфид же марганца имеет высокую температуру плавления (t_пл =1620⁰ С) и по границам зерен не располагается.

4) Фосфор для сталей (в отличие от чугуна) - вредная, но неизбежная примесь.      

Растворяется в феррите до 1,2%. При этом в связи с резким различием атомных радиусов Fe и Р возникают большие искажения в кристаллической решетке. В результате прочностные характеристики возрастают, сильно снижается пластич­ность стали. Присутствие фосфора способствует возникновению хладноломкости – снижению ударной вязкости при пониженных температурах (рис.3).

 

 

Однако фосфор может оказывать и полезное действие: при содержании до 0,1% улучшает обрабатываемость резанием автоматных малоуглеродистых ста­лей (предназначенных для обработки на токарных автоматах). Они имеют большой запас вязкости, вследствие чего получается длинная трудноудаляемая стружка. Фосфор способствует образованию короткой ломкой стружки, что обеспечи­вает лучшую чистоту поверхности деталей.

В присутствии меди, вытесняющей фосфор из твердого раствора, он обра­зует химическое соединение Fe₃P – фосфид железа, который присутствует в виде мельчайших твердых частичек в вязком феррите, образуя особый эвтектоид. В та­кой структурной форме фосфор является полезным элементом, повышая комплекс механических свойств стали и ее стойкость против коррозии (пример – строитель­ная сталь 18ХГСНДАП, в которую фосфор введен в качестве легирующего элемента, что отражено в маркировке буквой П).

5) Кислород – очень вредная примесь; он нерастворим в железе, образует оксиды – не­металлические включения. Твердые оксиды делают сталь хрупкой, препятствуют ее обработке режущим инструментом. Наличие 0,1% кислорода сильно повышает красноломкость стали. Поэтому сталь контролируют на неметаллические включения, их количество оценивают в баллах по ГОСТ 1778. Норма загрязненности устанавливается научно-технической документацией.

6) Азот образует очень твердые и хрупкие нитриды, ухудшает механические свойства металла, способствует повышению порога хладноломкости, а также развитию деформационного старения - снижению пластич­ности, ударной вязкости с течением времени за счет блокирования дислокаций.

7) Водород растворяется в феррите, сильно охрупчивает сталь, способствует образо­ванию флокенов (в поперечном сечении это тонкие трещины, в продольном изломе – хлопья серебристого цвета). Флокены возникают в связи с тем, что при понижении температуры растворимость водорода уменьшается, он выделяется из твердого рас­твора, создавая внутреннее давление, вследствие чего возникают разрывы. Для ле­гированных сталей, особо склонных к образованию флокенов, необходима специ­альная противофлокенная обработка (очень медленное охлаждение в колодцах).

При сварке водород способствует возникновению холодных трещин в наплавлен­ном и основном металле.

Вредное влияние водорода необходимо также учитывать при травлении сталей: в результате поглощения водорода из травильного раствора в стали возможно разви­тие водородной хрупкости – во избежание этого необходим нагрев металла до 180-200⁰ С и выдержка не менее 10 мин.

 

Классификация сталей

Существуют различные принципы классификации сталей:

- по способу производства (мартеновская, кислородно-конвертерная, электросталь и др.);

- по степени раскисленности (кипящая, полуспокойная, спокойная);

- по составу (углеродистая, легированная – хромистая, хромо-никелевая и др.);

- по структуре (эвтектоидная, до- и заэвтектоидные);

- по качеству;

- по назначению;

Более подробно рассмотрим два последних принципа классификации.