Влияние фосфора на свойства стали

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 σТ 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,

tα,k – коэффициент Стьюдента,

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

k = n-1 – число степеней свободы,

ΔМ – максимальная относительная ошибка (допуск) при оценке математического ожидания в долях математического ожидания (ΔМ = γ*δМ, где γ — генеральный коэффициент вариации, δМ – 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,…, Xm) – 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

Полезные и специальные примеси в стали

В стали встречаются вредные и полезные примеси. Сначала остановимся на полезных, к которым относят марганец и кремний:

Марганец – это химический элемент, благодаря которому возрастает прокаливаемость стали и снижается влияние серы, оказывающей вредное воздействие на металл.
Кремний – примесь данного элемента помогает раскислить сталь и, как следствие, повысить ее прочность. Его специально добавляют в металл в ходе его выплавки.

Углеродистая сталь содержит примесь кремния не более 0,35–0,4 % и марганец в количестве 0,5–0,8 %. Переход марганца и кремния в сталь происходит во время раскисления в ходе выплавки. Эти химические элементы соединяются с кислородом закиси железа FеO, а затем, превращаясь в окислы, переходят в шлак, то есть, иначе говоря, раскисляют сталь.

Данный процесс оказывает благоприятное воздействие на свойства стали. За счет дегазации металла кремнием увеличивается ее плотность. Часть химического элемента остается в феррите (твердом растворе) уже после раскисления, что приводит к значительному возрастанию предела текучести. При этом способность к холодной высадке и вытяжке у стали снижается.

По этой причине производители снижают количество кремния в сталях, изготавливаемых для холодной штамповки и высадки. Прочность металла значительно повышается благодаря примеси марганца. Последний сильно уменьшает красноломкость стали, оставляя пластичность практически неизменной. Таким образом, резко падает хрупкость стали при воздействии высокой температуры, которая возникала из-за присутствия серы.

Для получения сталей, имеющих определенные свойства, в металл добавляют специальные примеси. Они носят название легирующих элементов. Стали же именуют легированными.

Остановимся подробно на назначении некоторых элементов:

Алюминий – его примесь помогает повысить окалино- и жаростойкость стали.
Медь – увеличивает стойкость стали к коррозии.
Хром – повышает прочность, твердость сталей, увеличивает стойкость к коррозии, при этом пластичность падает незначительно. Нержавеющей сталь делает большое содержание хрома.
Никель – повышает пластичность, прочность, делает сталь стойкой к коррозии.
Вольфрам – при добавлении в сталь создает корбиды (химические соединения повышенной твердости). Они значительно повышают красностойкость и твердость. Под воздействием вольфрама сталь перестает расширяться в процессе нагревания, а хрупкость при отпуске уходит.
Ванадий – способствует возрастанию плотности, прочности и твердости стали. Он признается прекрасным раскислителем.
Кобальт – под его воздействием увеличивается жаропрочность, стойкость к ударным нагрузкам, возрастают магнитные свойства.
Молибден – улучшается сопротивляемость стали к окислению в ходе воздействия на нее высоких температур, возрастает упругость, красностойкость, увеличивается стойкость к коррозии, повышается предел прочности к растяжению.
Титан – являясь прекрасным раскислителем, он повышает стойкость к коррозии, увеличивает плотность и прочность металла, делает лучше его обрабатываемость.
Церий – способствует возрастанию пластичности и прочности стали.
Цирконий (Ц) – воздействует на зернистость стали, давая возможность изготовить металл с установленным размером зерна, делает его мельче.
Лантан, неодим и цезий – уменьшают пористость стали, сокращают количество серы, делают качество поверхности лучше, а зерно мельче.

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 углерода и постоянных примесей на свойства стали

Углеродистая сталь – многокомпонентный сплав, содержащий кроме железа и углерода ряд постоянных или неизбежных примесей : Mn , Si, S, P, O, N, H и др.

которые оказывают влияние на ее свойства. Эти же примеси, только в больших количествах содержатся и в чугунах.

Структура стали, после медленного охлаждения состоит из феррита и цементита. Количество цементита в стали возрастает прямо пропорционально содержанию углерода. Например ,при 0,37%С – Ц –5%, при 0,7% С –10% при2% — 30% Ц

C увеличением в стали углерода возрастает твердость, временное сопротивление, предел текучести, но уменьшается относительное удлинение, относительное сужение, удельная вязкость.

При содержании в стали углерода более 1% ее твердость возрастает, а временное сопротивление уменьшается.. Это объясняется выделением по границам бывшего зерна аустенита вторичного цементита, образующего сплошную сетку. При испытаниях на растяжение в этой сетке возникают высокие напряжения и цементит, будучи хрупким разрушается.

Увеличение содержания углерода сверх 0,4% и уменьшение ниже 0,3% приводит к ухудшению обрабатываемости резанием.

Увеличение содержания углерода снижает технологическую пластичность стали при горячей и в особенности при холодной обработке давлением, ухудшает свариваемость.

Содержание кремния в виде примеси составляет обычно до 0,4%

, марганца – до
0,5-0,8%
.

Марганец и кремний переходят в сталь в процессе ее раскисления при выплавке. Они раскисляют сталь, т.е с кислородом закиси железа FeO , в виде окислов переходят в шлак. Раскисление улучшает свойства сталей. Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка.

Кремний сильно повышает предел текучести стали.

Марганец повышает прочность стали, не снижая ее пластичности.

Марганец уменьшает вредное влияние серы и кислорода.

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.

Теоретические основы металлургического производства

14.1 Роль серы в сталеплавильных процессах

Сера является одной из наиболее вредных примесей стали, снижающих механическую прочность, пластичность и свариваемость металла, его эксплуатационные свойства и др. Ниже будут рассмотрены лишь отдельные примеры негативного влияния серы на качество металла.

Сера обладает неограниченной растворимость в жидком железе. Имеются данные, согласно которым в железе может растворяться до 38% серы при содержании ее в чистом сульфиде FeS равном 36,5%. При переходе металла из жидкого состояния в твердое растворимость серы в нем резко уменьшается и продолжает уменьшаться при охлаждении твердого металла от температуры кристаллизации до комнатных температур. Так, например, в -Fe при 1365оС сера растворяется в количестве ~ 0,055%, в -Fe при 910оС ~ 0,015%, а при комнатной температуре 0,001 – 0,002%. Таким образом, при затвердевании и охлаждении металла практически все количество содержащейся в расплаве серы выделяется из пересыщенного раствора в виде сульфида железа FeS или оксисульфидной эвтектики.

Из диаграммы состояния системы Fe-S следует, что температура плавления чистого сульфида железа равна 1190оС, а оксисульфидный расплав имеет эвтектику с температурой затвердевания ~ 985оС, что значительно ниже температуры плавления металла. Поэтому при кристаллизации стали включения сульфида железа и оксисульфидов выделяются в жидком виде. Хорошо смачивая металл, неметаллические включения в виде тонких пленок располагаются на границах зерен литого металла, занимая большую площадь.

При температурах более 1000оС (температура красного каления) эти включения находятся в жидком или пластичном состоянии, что ослабляет связь между зернами металла и его способность к горячей пластической деформации. Это явление называют красноломкостью стали. Красноломкость вызывает: образование горячих трещин на поверхности слитков, литых заготовок и изделий; появление рванин, трещин и других поверхностных дефектов при прокатке; плохое сваривание внутренних пустот металла при прокатке, в результате чего головная обрезь от слитков увеличивается при повышении концентрации серы и др.

В настоящее время явление красноломкости устраняется введением в сталь марганца. При соотношении [%Mn]/[%S] = 20 – 22 и более сера выделяется из пересыщенного раствора в виде сульфидов марганца MnS, имеющих высокую температуру плавления.

Согласно классификации Симса включения сульфида марганца в литой стали принято подразделять на три группы. Внешний вид включений MnS на поверхности не травленого шлифа показан на рисунок 14.1.

Рисунок 14.1

– Включения сульфидов марганца в литом металле: а – сульфиды марганца I типа; б – сульфиды марганца II типа; в – сульфиды марганца III типа

Сульфиды марганца I типа наблюдаются в слабо раскисленной стали ([O] > 0,02%). Они представляют собой глобулярные включения оксисульфидов размером до 100 мкм, беспорядочно распределенные по поверхности шлифа.

Сульфиды марганца II типа наблюдаются при содержании кислорода в стали менее 0,01%. Это однородные эвтектические сульфиды, расположенные по границам зерен в виде пленок или цепочек, а также сульфиды, выделяющиеся в виде плоских кристаллов а конце процесса кристаллизации.

Сульфиды марганца III встречаются при концентрации кислорода в стали менее 0,01% и высоком содержании углерода, кремния, алюминия и др. Это включения с четко выраженными ребрами, углами и плоскостями. Они характеризуются кажущейся однородностью, но в действительности эти сульфиды содержат оксидные вкрапления.

В настоящее время для раскисления металла широко используется алюминий. При этом сульфиды марганца в литом металле представлены преимущественно включениями II и III типов. Особенность этих включений заключается в их склонности к изменению формы и размеров при горячей пластической деформации металла, в результате чего сульфидные включения в прокате имеют вид длинных строчек, вытянутых в направлении прокатки. Это особенно характерно для стали с содержанием марганца 1 – 1,5% и более.

Образцы для определения механических свойств металла могут быть вырезаны вдоль направления прокатки (продольный образец), поперек (поперечный образец) и перпендикулярно поверхности проката (вертикальный образец). При этом в зависимости от ориентации образца относительно направления прокатки в сечении, где происходит его разрушение, форма сульфидных включений и занимаемая ими площадь оказывается различной. Площадь, которую занимают сульфидные включения в сечении разрушения образца, увеличивается при переходе от продольных образцов к поперечным и от поперечных образцов к вертикальным (рисунок 14.2).

В сравнении с металлом прочность сульфидных включений очень мала и в первом грубом приближении их можно рассматривать как трещины, ослабляющие сечение образца. В связи с этим наиболее высокие значения механических характеристик металла будут установлены при испытании продольных образцов. При переходе к поперечным и вертикальным образцам механические свойства металла будут ухудшаться.

Рисунок 14.2

– Форма сульфидных включений в сечении образцов, вырезанных из проката вдоль направления прокатки, поперек и перпендикулярно поверхности проката

Зависимость механических характеристик металла от взаимной ориентации сульфидных включений и направления действия разрушающей нагрузки (или от ориентации образца относительно направления прокатки) получила название анизотропии механических свойств стали. Особенно сильное воздействие анизотропия оказывает на пластические свойства металла – относительное удлинение, относительное сужение и особенно ударную вязкость.

Явление анизотропии устраняется путем снижения концентрации серы в стали до низкого уровня. В качестве примера на рисунке 14.3 показано влияние содержания серы на соотношение значений ударной вязкости стали, которые получены при испытании поперечных, продольных и вертикальных образцов, вырезанных из бесшовных труб. Из приведенных данных видно, что для устранения анизотропии механических характеристик стали концентрация серы в ней не должна превышать 0,003 – 0,004%.

Рисунок 14.3

– Влияние содержания серы на соотношение ударной вязкости стали на поперечных (aq), продольных (al) и вертикальных (ah) образцах, вырезанных из бесшовных труб

Другим способом устранения анизотропии является модифицирование сульфидных включений в результате обработки щелочноземельными и редкоземельными металлами. В этих случаях достаточно изотропный металл может быть получен при содержании серы 0,010 – 0,016%.

В отдельных случаях повышенное содержание серы в стали является желательным. Примером могут служить автоматные стали, в которые сера вводится для получения хрупкой стружки. Например, сталь А12 содержит, % мас: 0,08 – 0,16 C; 0,6 – 0.9 Mn; 0,15 – 0,35 Si; 0,08 – 0,2 S; не более 0,15 P.

14.1 Роль серы в сталеплавильных процессах

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 красно

ломкости 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 углерода, серы и фосфора на качество стали

Определение углерода, серы и фосфора в стали для металлургов, литейщиков и машиностроителей имеет первоочередную важность. Это позволяет получить качественную продукцию и исключить неисправимый брак. Государственные стандарты регламентируют содержание примесей в стали и методы определения их содержания.

Углерод в стали

Углерод — полиморфный неметаллический элемент, который способен растворяться в железе в жидком и твердом состоянии с образованием твердых растворов — феррита и аустенита. Кроме этого, он создает с железом химическое соединение — цементит (Fe3C), и может быть представлен в высокоуглеродистых сталях в виде графита.

В зависимости от содержания углерода стали классифицируются на:

низкоуглеродистые (до 0,3% С);
среднеуглеродистые (0,3-0,6% С);
высокоуглеродистые (более 0,6% С).

Содержание углерода оказывает влияние на структуру стали, количество и соотношение фаз, поэтому определяет показатели твердости и пластичности металла. При повышении содержания углерода происходит снижение ударной вязкости, и повышается порог хладноломкости. Увеличение концентрации C приводит к изменению и электрических свойств: растет сопротивление и коэрцитивная сила, уменьшается магнитная проницаемость и плотность магнитной индукции.

С ростом углерода происходит ухудшение литейных свойств, обрабатываемость давлением, резанием и свариваемость. Обработка резанием низкоуглеродистых сталей также затрудняется.

Сера в стали

Сера — вредная примесь, основными источниками которой служат передельный чугун и руда, используемые при выплавке стали. Она способна растворяться в жидком железе, а в процессе кристаллизации образует FeS. Сульфид железа образует с железом эвтектику с низкой температурой плавления, которая располагается по границам зерен. При технологическом нагреве до температуры обработки металла давлением она оплавляется, а при деформировании становится причиной надрывов и трещин. Это явление называется красноломкостью, так как сталь при температуре 900-1000℃ становится ярко-красного цвета.

Повышение содержания серы нелинейно влияет на порог хладноломкости: сначала происходит его повышение, а при повышении содержания MnS он понижается. Негативное влияние сера оказывает на свариваемость и коррозионную стойкость.

Фосфор в стали

Фосфор относится к вредным примесям стали, источником которой служат шихтовые материалы, в основном — чугун. Он способен в значительных количествах растворяться в феррите, что приводит к искажению кристаллической решетки. Одновременно с этим происходит увеличение временного сопротивления и предела текучести, уменьшение пластичности и вязкости. Увеличение содержания фосфора становится причиной повышения порога хладноломкости и уменьшения работы развития трещины.

Фосфор в значительной мере подвержен ликвации, что приводит к резкому снижению вязкости в центральной части слитка. В настоящее время технологии глубокой очистки стали от фосфора не существует.

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.

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.

Примеси в сталях

В сталях всегда присутствуют постоянные, вредные и случайные примеси, так как сталь является многокомпонентным сплавом.

Сера, фосфор и все газы являются вредными примесями

, и усилия металлургов всегда направлены на максимальное снижение этих элементов в стали.

Сера

. Содержание серы в сталях промышленных марок составляет обычно 0,015…0,050 %. Сера дает с железом соединение FеS, которое образует с железом легкоплавкую эвтектику, (температура плавления 988 °С), обычно располагающуюся вокруг зерен, закристаллизовавшихся ранее этой эвтектики. При горячей механической обработке (ковка, прокатка) эвтектика плавится, что вызывает потерю связи между зернами стали: слиток или поковка разваливается на части. Это явление называется
красноломкостью.
Сера снижает механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность (δ и ψ), а также предел выносливости. Она ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость.

Фосфор.

Содержание фосфора в стали 0,025…0,040 %. Весьма значительно снижает вязкость железа и стали. Особенно заметно проявляется это вредное влияние фосфора при повышенном содержании углерода в стали и при низких температурах. Явление повышенной хрупкости стали при низких температурах называется
хладноломкостью.
Повышение содержания фосфора на каждую 0,01 % повышает порог хладноломкости на 20…25 °С
.
Для некоторых сталей возможно увеличение содержания серы и фосфора для улучшения обрабатываемости резанием. Это было при создании автоматных сталей, из которых на высокопроизводительных станках-автоматах изготовляется крепежный материал (гайки, болты) неответственного назначения, имеющий очень широкое применение в машиностроении. Короткая, хрупкая стружка и чистая поверхность резьбы являются главными положительными качествами автоматных сталей. Так как серы в этих сталях содержится до 0,15…0,20 %, а фосфора до 0,14 %, то такие стали можно отнести к разряду специальных.

Существенным является то, что сера и фосфор при кристаллизации стального слитка сильно ликвируют, в результате чего создаются участки с резко повышенной концентрацией этих вредных элементов по сравнению со средним их содержанием в стали.

Газы (азот, кислород, водород) попадают в сталь при выплавке.

Кислород,соединяясь со многими элементами, присутствующими в стали, образует неметаллические включения, так называемые оксиды (SiO2, А12О3 и др.). Неметаллические включения (окислы, нитриды), являясь концентраторами напряжений, могут значительно понизить предел выносливости и вязкость. Поэтому необходимо снижать содержание кислорода в стали путем хорошего раскисления и разливки в вакууме, тщательно контролировать структуру стали, идущей на изготовление ответственных изделий.

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

– тонких трещин овальной или округлой формы, имеющих в изломе вид пятен – хлопьев серебристого цвета.

Постоянные примеси

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

Содержание марганца

не превышает 0,8 %. Марганец,имеющийся в стали, интенсивнее, чем железо, соединяется с серой, образуя весьма тугоплавкое соединение MnS(температура плавления 1620 °С), располагающееся обычно в виде мелких глобулярных включений внутри зерен стали. Следовательно, включенияMnS оказывают менее вредное влияние на сталь, чем включения FeS
.
Содержание кремния

не превышает 0,4 %. Кремний является раскислителем стали, освобождающим ее от излишков кислорода. Кремний растворяется в феррите и повышает прочность стали, особенно повышается предел текучести s0,2. Но наблюдается некоторое снижение пластичности, что снижает способность стали к вытяжке.

Наличие марганца и кремния свыше указанных пределов переводит такие стали в разряд специальных, «легированных».

Случайные примеси

– практически любые элементы, случайно попавшие в сталь, например Cr, Ni, Cu, Mo, Al, Ti и др., в количествах, ограниченных для примесей.

Сера, фосфор и все газы являются вредными примесями

, и усилия металлургов всегда направлены на максимальное снижение этих элементов в стали.

Сера

Фосфор.

Газы (азот, кислород, водород) попадают в сталь при выплавке.

– тонких трещин овальной или округлой формы, имеющих в изломе вид пятен – хлопьев серебристого цвета.

Постоянные примеси

Содержание марганца

Случайные примеси

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