2. Влияние постоянных примесей на свойства стали

Постоянными примесями сталей считают марганец, кремний, фосфор, серу, а также газы (водород, азот, кислород), в том или ином количестве постоянно присутствующие в технических сортах стали.

Обычно содержание этих элементов ограничивается следующими верхними пределами,

При большем содержании их сталь следует отнести к сорту легированных, когда эти элементы введены специально (отсюда и название легированные стали или специальные Стали).

Рассмотрим влияние примесей отдельно.

Марганец. Этот элемент вводят в любую сталь для раскисления.

т. е. для устранения вредных примесей закиси железа. Марганец устраняет также вредные сернистые соединения железа (см. ниже), растворяется в феррите и цементите.

Марганец заметно влияет на свойства стали, повышая прочность в горячекатаных изделиях, изменяя и некоторые другие свойства. Но так как во всех сталях содержание марганца примерно одинаково, то его влияние на сталь разного состава остается не ощутимым.

Кремний. Влияние начальных присадок кремния аналогично влиянию марганца. Кремний раскисляет сталь по реакции:

Кремний структурно не обнаруживается, так как полностью растворим в феррите, кроме той части кремния, которая в виде окиси кремния не успела всплыть в шлак и осталась в металле в виде силикатных включений.

Фосфор. Руды железа, а также топливо и флюсы содержат какое-то количество фосфора, которое в процессе производства чугуна остается в нем в той или иной степени и затем переходит в сталь.

При выплавке стали в основных мартеновских печах из металла удаляется большая часть фосфора. Сталь, выплавленная в основной

мартеновской печи, содержит немного фосфора (0,02-0,04 %), а в электропечи менее 0,02 %. Уменьшить содержание до 0,01 % и меньше металлургическими приемами затруднительно и достигается это использованием исходной высокочистой шихты (например, железо ПВ). Диаграмма состояния железо—фосфор приведена на рис. 150, а.

Растворимость фосфора при высокой температуре достигает 1,2 %, но она резко снижается при понижении температуры (рис. 150, б) и согласно последним исследованиям при 200 °С и ниже она составляет всего лишь Однако это количество фосфора обычно присутствует в стали.

Рис. 160. Диаграмма состояния : а — общий вид; б — растворимость Р в а-жедезе

Отсюда можно заключить, что фосфор целиком растворяется в а-железе.

Тем не менее углерод и легирующие элементы уменьшают растворимость фосфора, однако, металлографически избыточные соединения не обнаруживаются. Поэтому и в этих случаях фосфор находится в а-растворе, но такой раствор является пересыщенным.

Современными методами исследования было показано, что находящийся в растворе фосфор неравномерно распределяется и обогащает (сегрегирует) границы зерен. Малая скорость диффузии фосфора в -железе практически исключает выделение фосфидных выделений из раствора.

Фосфидные включения в виде, так называемой, фосфидной эвтектики (стэдит) наблюдается в фосфористых чугунах, содержащих фосфора

Растворяясь в -железе, фосфор резко повышает температуру перехода в хрупкое состояние (рис. 151), иначе вызывает хладноломкость стали. Таким образом, фосфор является вредным элементом. Следует отметить, что в отдельных случаях фосфор желательный

элемент, так как он, создавая хрупкость, облегчает обрабатываемость стали режущим элементом, а в присутствии меди повышает сопротивление коррозии.

Сера. Как и фосфор, сера попадает в металл из руд, а также из печных газов — продукт горения топлива . В основном мартеновском процессе и при выплавке стали в основной электри ческой печи сера удаляется из стали.

Обычно содержание серы для высококачественной стали не должно превышать 0,02-0,03 %. Для стали обычного качества допускают более высокое содержание серы: 0,03-0,04 %.

Обработкой жидкого металла синтетическими шлаками можно уменьшить содержание серы до 0,005 %.

Рис. 151. Влияние фосфора на хладноломкость стали

Рис. 152. Диаграмма состояния

Сера нерастворима в железе (рис. 152) и любое ее количество образует с железом сернистое соединение — сульфид железа который входит в состав эвтектики, образующейся при

Наличие легкоплавкой и хрупкой эвтектики, расположенной, как правило, по границам зерен, делает сталь хрупкой при и выше, т. е. в районе температур красного каления. Явление это носит название красноломкости.

Обычно сернистая эвтектика присутствующая в небольшом количестве, коалесцирует, т. е. феррит эвтектики объединяется с ферритом основной массы металла, а соединение располагается вокруг зерен (рис. 153, а).

Такая форма включений серы является особенно вредной, так как при горячей обработке давлением получаются надрывы и трещины.

Последнее связано с тем. что еще в процессе нагрева стали вокруг оторочек сернистого железа, начиная с температуры происходит оплавление (т. е. образование расплава в соответствии с диаграммой, приведенной на рис. 152). Отдельные обособленные округлые включения сульфидов уже менее вредны (рис. 153, б).

Введение марганца в сталь уменьшает вредное влияние серы, так как при введении его в жидкую сталь протекает реакция образования сульфида марганца:

Рис. 153. Сернистые включения в виде: а — оторочек по границам зерна; б — обособленных включений, в — сульфида марганца,

Сульфид марганца плавится при т. е. при температурах значительно более высоких, чем температура горячей обработки 1.

При температурах горячей обработки сульфид марганца пластичен и под действием внешних сил вытягивается в продолговатые линзы (рис. 153, в; 154, а).

Сульфиды пластичны и деформируются при горячей обработке в отличие от оксидова, которые хрупки, под действием

механических сил крошатся и располагаются в виде цепочек (рис. 154, б).

Пластинчатая форма включений сульфида марганца не влияет на свойства стали в направлении вдоль прокатки, но существенно, примерно в 2 раза, снижает пластические и вязкие свойства поперек прокатки, т. е. увеличивает анизотропию свойств (отношение «поперечных» и «продольных» свойств).

Современный прием скругления сульфидных включений — это обработка («модифицирование») жидкой стали или силикокальцием или редкими землями (церием).

Рис. 154. Неметаллические включения: а — сульфиды (пластичные); б — оксиды (хрупкие)

Эти модификаторы в первую очередь соединяются с серой, образуя соответственно сульфиды кальция или сульфиды церия, которые при температурах прокатки прочнее сульфидов марганца и не деформируются в пластины, а сохраняют округлую форму (см. рис. 153, б), более или менее распределяются в металлической матрице, не образуя в отличие от оксидов цепочки.

Такая модификация сульфидных включений улучшает «поперечные» свойства и коэффициент анизотропии относительного сужения и ударной вязкости от 0,5 при пластинчатой форме сульфидов повышается до 0,8.

Явление анизотропии учитывается в ГОСТах и технических условиях на металлопродукцию, в которых оговаривается направление вырезки образца.

В настоящее время широко распространен такой метод выплавки стали, при котором шлак приготавливают в отдельной печи (так называемый синтетический шлак). В результате обработки металла таким шлаком происходит более полное удаление серы, а также улучшаются свойства главным образом при испытании поперек волокна.

Своеобразно влияние серы на вязкие свойства, поскольку сера присутствует в большинстве марок стали в виде сульфидов марганца,

это ее влияние получило название сульфидный эффект. В отличие от других «вредных» элементов сера не повышает, а даже понижает порог хладноломкости, хотя и понижает ударную вязкость при вязком изломе (рис. 155).

Другими словами снижение содержания серы полезно в том смысле, что при этом повышается сопротивление вязкому разрушению, но снижается сопротивление хрупкому.

В общем случае серу все же следует считать вредной примесью в стали.

Рис. 155. Влияние серы на вязкие свойства стали

Как и фосфор, сера (см. ниже п. 6) облегчает обрабатываемость резанием.

«Газы». Водород, азот и кислород содержатся в стали в небольших количествах, зависящих от способа производства (табл. 15).

Водород, азот, кислород могут присутствовать в следующих формах: находиться в различных несплошностях (газообразном состоянии), находиться в -твердом растворе; образовывать различные

Таблица 15. (см. скан) Примерное содержание газов в стали, (по массе)

соединения, так называемые неметаллические включения (нитриды, оксиды).

Если водорода в металле много, то это может привести к чрезвычайно опасным внутренним надрывам в металле (флокенам, см. с. 354).

Образованные азотом и кислородом хрупкие неметаллические включения ухудшают свойства металла.

Растворимость водорода, азота, кислорода и углерода в а-железе невелика, но так как с понижением температуры эта растворимость резко уменьшается (рис. 156), то в условиях обычного (неравновесного) охлаждения стали после прокатки или ковки образуется пересыщенный твердый раствор этих элементов в -железе.

Рис. 156. Растворимость примесей внедрения углерода, кислорода и азота в а-желеэе

Теоретически правильнее эти элементы, а также углерод называть примесями внедрения, тем более что влияние их на свойства специфично и похоже.

Пластическая деформация и последующий невысокий нагрев такого пересыщенного раствора приводят к сильному охрупчиванию вследствие процессов старения (так называемое «деформационное старение»). Это проявляется в первую очередь в уменьшении запаса вязкости и в повышении порога хладноломкости. Так как содержание указанных примесей невелико (см. табл. 15), то их влияние на многие другие свойства незаметно. Однако в отличие почти от всех механических свойств примеси внедрения сильно влияют на вязкие свойства, уменьшая ударную вязкость и резко повышая порог хладноломкости (рис. 157, а, б).

Водород не образует соединений с железом (гидридов), поэтому он может выделяться из металла. После выплавки сталь содержит некоторое количество водорода, которое с течением времени постепенно уменьшается. Продолжительность этого процесса может быть несколько дней, недель или месяцев (в зависимости от толщины изделия). При этом механические свойства улучшаются.

Из сказанного следует, что наличие водорода, азота и кислорода в металле ухудшает его свойства.

Радикальным средством уменьшения указанных элементов и неметаллических включений в металле является выплавка или разливка металла в вакууме. Вакуумированный металл обладает более высокими свойствами вследствие высокой чистоты по неметаллическим включениям и отсутствия (практически) растворенных атомов водорода, азота и кислорода.

Примеси цветных металлов. Переплавка бытового и машиностроительного лома приводит к загрязнению стали примесями цветных металлов ( и др.). Обычно содержание этих элементов невелико — сотые и даже тысячные доли процента (кроме меди, содержание которой достигает

Рис. 157. Влияние примесей внедрения кислорода (а) и азота (б) на вязкие свойства железа

При таком их количестве влияние их на механические свойства практически не сказывается, однако, тщательно поставленные опыты показывают, что все цветные примеси повышают порог хладноломкости.

Ниже приводятся данные: насколько по массе каждой примеси повышает порог хладноломкости (для сравнения приводятся данные и по другим примесям, не относящимся к цветным): кислород азот углерод фосфор медь олово цинк висмут сурьма

Конечно, когда содержание элемента измеряется тысячными долями процента, влияние его на охрупчивание стали невелико, но когда их несколько, то влияние их суммируется; этим пренебрегать, вероятно, не следует.