Влияние меди на свойства стали

Примеси в сталях: вредные и полезные

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 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.

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.

Влияние серы на свойства сталей

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 красноломкости 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 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 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.

Влияние олова на свойства сталей

Олово (Sn) уже в относительно малых количествах является вредным для сталей. Оно имеет очень сильную склонность сегрегировать к границам зерен и вызывать отпускную хрупкость в легированных сталях. Олово оказывает вредное влияние на качество поверхности непрерывнолитых слитков, а также может снижать горячую пластичность сталей в аустенитно-ферритной области диаграммы состояния.

Влияние сурьмы на свойства сталей

Сурьма (Sb) имеет сильную склонность сегрегировать при затвердевании стали и поэтому вредно влияет на качество поверхности непрерывнолитых стальных слитков. В твердом состоянии стали сурьма охотно сегрегирует к границам зерен и вызывает отпускную хрупкость легированных сталей.

Источники:Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies, ed. G. E. Totten, 2006.

Гуляев А. П. Металловедение, 1986.

Влияние алюминия на свойства стали

Статьи научных сотрудников

Малько С. И., Исхаков А. Ф., Пащенко С. В. (ЗАО «Ферросплав»)

Гольдштейн В. Я. (ЗАО «Наука и металлургия»)

Кожевников Н. Г., Наумов А. В., Гольдштейн В. А. (ООО «Промтрактор-Промлит»)

Традиционная технология производства ответственных деталей тележек грузовых железнодорожных вагонов – боковых рам и надрессорных балок – предусматривает выплавку (в электрических и мартеновских печах) стали марки 20ГЛ, выпуск металла в разливочный ковш, заливку форм и термообработку литых изделий.

Согласно требованиям ОСТ 32.

183-2001, эти изделия должны иметь высокие значения прочностных и пластических характеристик: предел пластичности -30-35 кгс/мм², временное сопротивление не менее 50 кгс/мм², относительные удлинение – не менее 20% и сужение – не менее 30%, ударную вязкость KCU при +20°С не менее 5 кгс*м/мм² и при -60°С не менее 2,5 кгс*м/мм², а KCV при -60°С (Аксv) не менее 1,7кгс*м/мм². Получение такого комплекса механических свойств обеспечивается формированием в готовых изделиях мелкодисперсной феррито-перлитной структуры, отсутствием развитой карбидной сетки, грубых неметаллических включений и т.д.

На практике наибольшие сложности вызывает достижение заданных значений Аксv, хотя данная характеристика металла является наиболее важной для большинства изделий ответственного назначения, работающих в условиях знакопеременных ударных нагрузок.

Причина этого — неоптимальная структура боковых рам и надрессорных балок, изготовленных по традиционной технологии.

Мощными инструментами воздействия на процессы структурообразования являются модифицирование стали при внепечной обработке, а также грамотно проведенная термообработкой литых изделий, позволяющая реализовать потенциальные преимущества металла, заложенные модифицированием.

В условиях промышленного производства ООО «Промтрактор-Промлит» (г.Чебоксары) — крупнейшего производителя рам и балок тележек грузовых железнодорожных вагонов в Российской Федерации – на основе анализа действующей технологии производства и качества получаемых на ее основе изделий осуществили корректировку выплавки и термообработки металла.

Целью проводимых технологических операций было повышение уровня низкотемпературной ударной вязкости до значений, требуемых ОСТ 32.183-2001 и не достигаемых стабильно при изготовления изделий по действующей технологии. Работа выполнялась научно-производственными фирмами ЗАО «Наука и металлургия» и ЗАО «Ферросплав» (г.

Челябинск) совместно со специалистами ООО «Промтрактор-Промлит».

Анализ большого массива данных по влиянию химсостава изготовленных в 2004-2005 гг.

изделий на их механические свойства показал, что повышение уровня низкотемпературной ударной вязкости (А kcv), в целом, обеспечивается при снижении содержания углерода, серы и фосфора в металле.

Обнаруженное влияние этих элементов на низкотемпературную ударную вязкость по нашему мнению объясняется участием дисперсных (менее 1 мкм) частиц преимущественно нитрида алюминия в стабилизации зеренной структуры при термообработке литых изделий.

Рис.1 Влияние содержания алюминия в стали на ударную вязкость изделий

Их количество, размер, характер распределения зависит от содержания алюминия и азота, а также условий выделения частиц при кристаллизации, охлаждении отливок и их последующей термообработке. В работе оценивали количество азота в металле показавшем разный уровень Аксv.

Рис.2 Влияние содержания азота в стали на ударную вязкость изделий

Из приведенных на рис.2 результатов видно, что при существующей технологии производства изделий содержание азота является важнейшим показателем, определяющим качество металла: повышение количества азота в стали сопровождается ростом Акс v, а высокие значения ударной вязкости (более 1,7 кгс*м/см²) получены лишь при содержании азота не менее 0,015%.

Вместе с тем встречаются случаи, когда при относительно высоком содержании азота (не менее 0,015%) металл характеризуется низким уровнем Акс v. Чтобы понять причину этого, на металле с количеством азота не менее 0,013% оценивали содержание алюминия.

Эти элементы входят в состав нитрида в соотношении 1: 1,92, и если допустить, что весь азот связан в нитриды, то можно оценить количество требуемого для этого алюминия и сравнить его с фактическим содержанием в стали.

Рис.3 Влияние «остаточного» алюминия на ударную вязкость изделий

На рис.

3 представлена зависимость между низкотемпературной ударной вязкостью и содержанием «остаточного» (разницы между фактическим и связанным в нитриды) алюминия, показывающая, что высокие значения Акс v не менее 1,7 кгс*м/см² имеют место лишь при определенном соотношении между содержаниями N и Al: % Al = 1,92 * % N + (0,01 – 0,03) %, где % Al и % N – содержание алюминия и азота в стали, т.е. дефицит алюминия, равно как и его избыток, негативно сказываются на качестве получаемых изделий.

На самом деле влияние азота на уровень ударной вязкости значительно сложнее. Оно проявляется и через упрочнение твердого раствора азотом, и через влияние нитридных частиц на зеренную структуру (причем, лишь частицы определенных размеров являются ингибиторными, т.е. тормозящими рост зерен)и т.д.

Предложенная технология получения боковых рам и надрессорных балок с использованием модифицирования металла включает: выплавку стали 20ГЛ в 30-тонной электропечи с основной футеровкой, порционный перелив металла в 9-12 т разливочные ковши, раскисление алюминием, обработку расплава порошковой проволокой со специально подобранными составами наполнителей из расчета 1-2 кг проволоки на тонну стали, разливку в формы и термообработку литых изделий.

Наполнители порошковой проволоки подбирали на основе силикокальция (состав 1), с добавками азота (состав 2). В отдельных экспериментах модификаторы на основе силико-бария (состав 3) и силикокальция с титаном (состав 4) отдавали в виде крупки размером 1-20 мм на струю при наполнении металлом разливочного ковша из расчета 3 кг на тонну стали.

Оценку сульфидных, оксисульфидных, оксидных и нитридных неметаллических включений (размером более 1 мкм) проводили на готовых изделиях, отличающихся условиями выплавки (текущий и модифицированный металл), содержанием алюминия и азота, а также уровнем низкотемпературной ударной вязкости, по ГОСТ 1778.

Включения в исследовавшихся образцах представлены преимущественно сульфидами, оксисульфидами и оксидами. В плавках с одновременно повышенным содержанием азота

(более 0,015%) и алюминия (более 0,06%),  либо при наличии сильного нитридообразующего элемента (титана) наблюдали нитридные включения. Иногда сульфидные включения располагались на нитридах. Оксидные частицы встречались в виде скоплений.

На металле текущего производства с наибольшей ударной вязкостью (Акс v не менее 2,5 кгс*м/см²) наблюдается минимальное содержание как мелких (до 8 мкм), так и крупных (более 20 мкм) сульфидных включений суммарной объемной долей 75 -100 *10 -6%.

И наоборот, наибольшая плотность и объемная доля сульфидных включений (в 3-5 раз большая, чем у предыдущих) имеет место в металле с низкой ударной вязкостью (Акс v менее 0,9 кгс*м/см 2). Примечательно, что количество сульфидных включений при этом практически не коррелирует с плавочным содержанием марганца и серы.