Примеси и их влияние на свойства сталей

В сталях промышленного производства кроме основных элементов (железо, углерод и легирующие элементы в легированных сталях) содержатся примеси – постоянные и случайные, попадающие в сталь из вторичного сырья или руд, скрытые – газы (кислород, азот и водород), попадающие в сталь при выплавке, специальные, вводимые в сталь для получения заданных свойств (легирующие элементы).

Постоянные примеси подразделяются на вредные (сера, фосфор и газы – кислород, азот и водород) и полезные (кремний, марганец).

Случайные примеси (хром, никель, медь, олово, мышьяк и др.), число их невелико, они мало влияют на свойства и в дальнейшем не рассматриваются.

Массовая доля фосфора в стали 0,025 – 0,045 %. Фосфор, растворяясь в феррите, искажает кристаллическую решетку и увеличивает предел прочности σ_в и предел текучести σ_т, но снижает пластичность и вязкость. Располагаясь вблизи зерен, фосфор увеличивает температуру перехода в хрупкое состояние, вызывает хладоломкость, уменьшает работу распространения трещин. Повышение массовой доли фосфора на каждые 0,01 % повышает порог хладоломкости на 20 – 25 °С. Это плохо, потому что сталь хрупко разрушается при более высоких значениях тем-пературы. Так, если порог хладоломкости повысился на 20 °С и выше, сталь становится хрупкой уже при комнатной температуре.

Фосфор обладает склонностью к ликвации, поэтому в центре слитка отдельные участки имеют резко пониженную вязкость. Для некоторых сталей возможно увеличение массовой доли фосфора до 0,10 – 0,15 % для улучшения обрабатываемости резанием. Фосфор искажает кристаллическую решетку.

Серауменьшает пластичность, свариваемость и коррозионную стойкость. Массовая доля серы в сталях составляет 0,025 – 0,06 %. Сера – вредная примесь, попадает в сталь из чугуна. При взаимодействии с железом образует химическое соединение – сульфид серы FeS, который образует с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988 °С. При нагреве под прокатку или ковку (до значения температуры горячей деформации 900–1150 °С) эвтектика плавится, нарушаются связи между зернами. При деформации в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины, заготовка разрушается – явление красноломкости.

Красноломкость – повышение хрупкости при высоких температурах.

Сера снижает механические свойства, особенно ударную вязкость а _ни пластичность (δ и ψ), а также предел выносливости. Она ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость.

Красноломкость отсутствует при массовой доле серы в стали 0,025 % и менее, так как эти количества растворяются в железе, не образуя сульфидов. Красноломкость устраняют введением в сталь марганца. Марганец восстанавливает железо из его сульфида, образуя тугогоплавкий сульфид (температура плавления 1620 ºС) в соответствии с реакцией

.

Газы даже в незначительных количествах заметно ухудшают свойства стали. Азот и кислород находятся в стали в виде хрупких неметаллических включений: оксидов (FeO, SiO₂, Al₂O₃)нитридов (Fe₂N), в виде твердого раствора или в свободном состоянии, располагаясь в дефектах (раковинах, трещинах).

Примеси внедрения (азот N, кислород О) повышают порог хладоломкости и снижают сопротивление хрупкому разрушению. Неметаллические включения (оксиды, нитриды), являясь концентраторами напряжений, могут значительно понизить предел выносливости и вязкость.

Очень вредным является растворенный в стали водород, который значительно охрупчивает сталь. Он приводит к образованию в катаных заготовках и поковках флокенов.

Флокены – тонкие трещины овальной или округлой формы, имеющие в изломе вид пятен – хлопьев серебристого цвета. Металл с флокенами нельзя использовать в промышленности, при сварке образуются холодные трещины в наплавленном и основном металле. Если водород находится в поверхностном слое, то он удаляется в результате нагрева при 150 – 180 ° С, лучше в вакууме ~10⁻² – 10⁻³ мм рт.ст. Для удаления скрытых примесей используют вакуумирование.

Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями.

Раскисление – это процесс восстановления железа из его оксидов:

FeO+Mn→Fe+MnO, а также 2FeO+Si→2Fe+SiO₂.

Образующиеся оксиды марганца и кремния всплывают в шлаке, их удаляют вместе с ним перед разливкой металла.

Массовая доля марганца не превышает 0,5 – 0,8 %. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности, и резко снижает красноломкость стали, вызванную влиянием серы. Он способствует уменьшению массовой доли сульфида железа FeS, так как образует с серой сульфид марганца MnS. Частицы сульфида марганца располагаются в виде отдельных включений, которые деформируются и оказываются вытянутыми вдоль направления прокатки.

Массовая доля кремния не превышает 0,35 – 0,4 %. Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний растворяется в феррите и повышает прочность стали, особенно повышается предел текучести σ_0,2, но наблюдается некоторое снижение пластичности, что снижает способность стали к вытяжке.