Влияние постоянных примесей на углеродистые стали

Основной продукцией черной металлургии является сталь, причем приблизительно 85% изготавливается углеродистой стали и 15% легированной. Таким образом, основным металлическим материалом нашей промышленности является углеродистая сталь.

Получаемая в промышленности углеродистая стать имеет довольно сложный химический состав. Содержание железа в ней может быть в пределах 97,0—99,5%, и в нее попадает некоторое количество элементов, связанных с технологией производства (марганец, кремний) или невозможностью полного их удаления из состава металла (сера, фосфор, кислород, азот, водород), случайные примеси (хром, никель, медь) и, кроме того, некоторые неметаллические включения.

В зависимости от способа выплавки (конвертерный, мартеновский и крайне редко — в электропечах^[1]) стали различаются содержанием примесей.

Постоянными примесями в стали считаются такие, которые попадают в нее в процессе получения, разливки, а также из исходных материалов, топлива, футеровки (материал внутренних стенок) печи и атмосферы (см. гл. 12, параграф 12.3).

Как следует из рассмотрения диаграммы состояния «железо — углерод» (см. рис. 5.1), феррит составляет основную фазу стали.

Наличие в феррите растворенного в нем марганца усиливает металлическую связь в его кристаллической решетке, вследствие чего возрастают значения модуля Юнга (модуля продольной упругости) и модуля сдвига.

Марганец в виде оксида Мп0₂ — пиролюзита — постоянно находится в железных рудах, следовательно, он присутствует в сталях и чугунах. Марганец также попадает в стали при раскислении ее ферромарганцем при выплавке, часть марганца взаимодействует с основными компонентами стали и в процессе кристаллизации переходит в ее фазовые составляющие — феррит и цементит.

Аналогично воздействует на свойства стали кремний, растворяющийся только в феррите. Кремний в виде соединения SiO — кремнезема — всегда имеется в железной руде (эту часть руды называют пустой породой). К раскислителям, которыми пользуются при выплавке стали, относится кремнийсодержащий материал ферросилиций, активно вступающий в реакцию обмена с FeO оксидом железа (II). Поэтому присутствие небольшого количества кремния в стали также является технологически неизбежным.

На основе вышесказанного можно заключить, что все марки конструкционной углеродистой стали содержат 0,3—0,8% Мп и 0,17−0,37% Si.

К постоянным примесям в стали относятся фосфор и сера. Эти элементы оказывают существенное влияние на механические, технологические и другие свойства стали, поэтому их количество в различных марках строго регламентируется.

Фосфор попадает в сталь из руды, топлива и флюсов, используемых в металлургическом производстве. В большинстве случаев фосфор, находящийся в стали, растворяется в кристаллической решетке феррита и за счет ликвации располагается по границам зерен. Это приводит к снижению пластичности и существенно охрупчивает сталь, повышает температуру перехода в хрупкое состояние, т. е. фосфор придает стали хладноломкость. Из-за этого количество фосфора в стали может находиться в пределах 0,01—0,07%.

Сера присутствует в небольших количествах в железных рудах и металлургическом топливе и поэтому попадает в сталь во время металлургического процесса. Сера находится в стали в связанном состоянии в виде механических примесей (FeS и MnS), которые по-разному взаимодействуют с компонентами стали и соответственно влияют на ее свойства. Сульфид железа образует с железом легкоплавкую эвтектику (?_пл = 988°С), которая располагается по границам зерен и существенно снижает прочность и пластичность стали. Это отрицательно сказывается при технологической обработке стали в горячем состоянии (800— 1200°С) и проявляется в виде явления красноломкости. Температура плавления MnS существенно выше 1620 °C, и его присутствие в стали в виде мелких включений способствует увеличению прочности. Присутствие высокотепературных включений тормозит передвижение дислокаций, за счет чего сохраняется высокая температура эксплуатации, без снижения прочностных характеристик стали. Сера вызывает охрупчивание стали, и поэтому содержание ее жестко отслеживается. Для ответственных деталей содержание серы может быть не более 0,03—0,04%, а в обычных сталях допускается 0,05%.

Из вышесказанного ясно, что постоянные примеси — марганец и кремний — оказывают в какой-то степени положительное влияние на механические свойства стали, а фосфор и сера ухудшают их и являются очень вредными примесями.

При выплавке и разливке стали в нее из окружающей атмосферы попадают кислород, азот, водород и другие газы.

Кислород в кристаллической решетке железа не растворяется, поэтому в стали он присутствует в виде зерен оксидов железа FeO, Fe₂C)3 и других элементов. Эти неметаллические включения снижают прочностные и пластические свойства стали.

Азот в очень малых количествах способен растворяться в феррите, упрочняя и одновременно охрупчивая его. Некоторое количество азота в стали образует с железом нитриды, которые располагаются в стали в виде включений и также охрупчивают ее.

При выплавке стали в нее попадает водород, растворяется в ней и, так как он не образует с железом гидридов, выходит из нее по мере снижения температуры. Некоторое количество оставшегося водорода в стали охрупчивает ее. Этот нерастворившийся водород встали образуетфлокены (микроскопическиетрещины). В изломе эти флокены видны как хлопьеобразные серебристые пятна. Этот дефект снижает прочность и пластичность стали и исключает ее использование как конструкционного материала.

Включения оксидов MnO, Si0₂ и А1₂0₃, а также некоторых других элементов могут образовываться в стали как продукты реакций раскисления на определенном этапе выплавки, а также попасть в нее из футеровки печей. Все неметаллические примеси существенно ухудшают металлургическое качество стали и снижают ее механические свойства.

• [1] Метод получения стали в электропечах используют только для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сталейи сплавов, так как он наиболее дорогой.