Влияние постоянных примесей на углеродистые стали

Основной продукцией черной металлургии является сталь. При этом, на долю углеродистой стали приходится 85%, и только 15% стали легированной.

Таким образом, основным конструкционным металлом в общем машиностроении является углеродистая сталь.

Промышленная углеродистая сталь содержит от 0,5% до 3% различных примесей. Прежде всего это примеси, попадающие в сталь в процессе ее производства (марганец, фосфор) и невозможностью, или большой стоимостью их удаления (сера, фосфор, кислород, азот, водород). В металле обычно содержится и некоторое количество случайных примесей (хром, никель, медь).

Марганец и кремний почти всегда содержатся в руде, а также используются для раскисления. Однако их содержание в количестве 0,3…0,8 марганца и 0,17…0,37 кремния не только не ухудшают качество стали, но и улучшают ее. Наличие в феррите растворенного в нем марганца, усиливает металлическую связь в его кристаллической решетке, вследствие чего возростают модули упругости первого и второго рода.

К постоянным примесям в стали относятся фосфор и сера.

Фосфор, попадая в сталь из руды, топлива и флюсов растворяется в кристаллической решетке феррита. Затем, за счет ликвации, располагается по границам зерен. Это приводит к снижению пластичности и существенно охрупчивает сталь. Повышает температуру, при которой сталь сохраняет пластичность свойства. То есть, придает стали хладноломкость. Из за этого, содержание фосфора в стали может находиться в пределах 0,01… 0,07%.

Сера находится в стали в связанном состоянии, в виде механических примесей и (FeS и MnS), которые по разному взаимодействуют с компонентами стали, а значит и по разному влияют на ее свойства. Сульфид железа FeS образует легкоплавкую эвтектику (988^о), которая, располагаясь по границам зерен, существенно снижает прочность и пластичность стали. Это отрицательно сказывается при технологической обработке стали в горячем состоянии (800…1200С) и проявляется в виде красноломкости.

Температура плавления MnS существенно выше 1620^о С и присутствует в стали в виде мелких включений.

В связи с изложенным содержание серы не должно превышать 0,05%, а для ответственных деталей не более 0,03…0,04%.

.

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

.

Кислород в кристаллической решете железа не растворяется, поэтому, в стали он присутствует в виде зерен FeO и Fe₂O₃. Эти неметаллические включения снижают прочностные и пластические свойства стали.

.

Азот в очень малых количествах способен растворяться в феррите, упрочняя, но одновременно и охрупчивая его.

.

Водород попадает в сталь при ее выплавке и выходит из нее по мере снижения температуры. Некоторое количество оставшегося в стали водорода, охрупчивает ее. Этот не растворившийся водород образует флокены (микроскопические трещины). В изломе эти флокены видны как хлопьеобразные серебристые пятна. Этот дефект снижает прочность и пластичность стали настолько, что исключает ее использование как конструкционного материала.

.

Все неметаллические примеси существенно ухудшают металлургическое качество стали и снижают ее механические свойства.