Примеси в стали

Влияние марганца, кремния, серы, фосфора, кислорода, азота, водорода

Способы удаления примесей

Сера. Фосфор. Марганец. Кремний. Кислород. Азот. Водород. Медь.

Согласно классификации Н. Т. Гудцова, примеси в стали подразделяют на постоянные (обыкновенные), случайные и скрытые (вредные).

Постоянными примесями в стали являются марганец и кремний, которые как примеси имеются практически во всех промышленных сталях. Содержание марганца в конструкционных сталях обычно находится в пределах 0,3–0,8 % (если марганец не является легирующим элементом), в инструментальных сталях его содержание несколько меньше (0,15 – 0,40). Введение марганца, как технологической добавки, в таких количествах необходимо для перевода серы из сульфида железа в сульфид марганца. Кремний в хоро­шо раскисленных (спокойных) сталях обычно содержится в пределах 0,17 – 0,37 %. В неполной мере раскисленных низкоуглеродистых ( 0,2 % С) сталях его содержится меньше: в полуспокойных 0,05 – 0,017 %, в кипящих 0,07 %. В нержавеющих и жаропрочных, нелегированных кремни­ем сталях, его содержание ограничено 0,8 %.

Случайными примесями в стали могут быть практичес­ки любые элементы, случайно попавшие в сталь из скрапа, природно-легированной руды или раскислителей. Чаще все­го это Cr, Mn, Сu, Мо, W, Al, Ti и др. в количествах, ограни­ченных для примесей.

Скрытыми примесями в стали являются сера, фосфор, мышьяк и газы: водород, азот и кислород. Однако в последнее время азот, серу и фосфор иногда используют в качестве легирующих добавок для обеспечения ряда особых свойств.

По марочному химическому составу стали можно определить, какие элементы являются легирующими добавками, а какие – примесями. Если в марочном составе стали устанавливают нижний (не менее) и верхний (не более) пределы содержания в стали данного элемента, то он будет легирующим. Как правило, для примесей устанавливается только верхний предел содержания. Исключение составляют лишь марганец и кремний, количество которых регламентируется нижним и верхним пределом, как для примесей, так и для легирующих добавок.

Вредные примеси: сера, фосфор и газы присутствуют практически во всех сталях и в зависимости от типа стали они могут оказывать на свойства различное влияние. Рассмотрим их роль в стали.

Сера

Рис. 64. Диаграмма состояний системы Fe–S

Рис. 65. Влияние серы на свойства стали

При комнатной температуре растворимость серы в -железе практически отсутствует. Поэтому вся сера в стали связана в сульфиды железа и марганца и частично в сульфиды легирующих элементов. С повышением температуры сера растворяется в - и -железе (рис.64), хотя и незначительно, но до вполне определенных концентраций (0,02 % в -железа при 913 °С и 0,05 % S в -железе при 1365 °С). Поэтому ceрнистые включения могут видоизменяться при термической обработке стали.

Сульфиды пластичны при высоких и комнатных температурах, поэтому они при прокатке вытягиваются в “волосовины” или плёны в зависимости от формы проката. Но их пограничная прочность с металлом ниже, чем металла. Это приводит к тому, что в процессе деформации листовой заготовки происходит расслоение и трещина выходит на поверхность. Характерным признаком расслоений, вызванных повышенным содержанием серы, является форма трещины, которая напоминает параболу.

Стали, содержащие сульфиды, обладают низкой коррозионной стойкостью во влажной среде.

Увеличение содержания серы в стали мало влияет на прочностные свойства, но существенно изменяет вязкость стали и ее анизотропию в направлениях поперек и вдоль прокатки (рис. 65). Особенно сильно анизотропия выражена

при вы­соком содержании серы. Ударная вязкость испытывается на об­разцах,

вырезанных поперек направления прокатки. Именно такие образцы испытывают при контроле ударной вязкости. Указанное явление связано с усилением полосчатости перлитной и ферритно-перлитной структуры вследствие вытянутости сульфидов в строчки вдоль прокатки.

Фосфор

Фосфор переходит в сталь из шихтовых материалов. Растворимость фосфора в - и -железе значительно выше, чем содержание фосфора в стали, как примеси. Поэтому фосфор в стали целиком находится в твердом растворе, и его

Рис. 66. Влияние фосфора на температуру хрупко-вязкого перехода стали

влияние на свойства сказывается посредством измене­ния свойств феррита и аустенита. Вредное действие фосфо­ра на свойства может усугубляться из-за сильной склонно­сти его к ликвации на границах зерен.

Действие фосфора на свойства феррита проявляется в его упрочняющем влиянии и, особенно в усилении хладно­ломкости стали, т. е. повышении температуры перехода из вязкого в хрупкое состояние (рис.66).

На рис. 67 приведена диаграмма состояний системы Fe – P.

Рис. 67. Диаграмма состояний Fe – P

Фосфор относится к сильным упрочнителям. Несмотря на то, что содержание его в стали обычно не превышает 0,030 – 0,040 %, он увеличивает предел текучести феррита на 20 – 30 МПа. В то же время увеличение содержания фосфора в пределах сотых долей процентов может вызвать увеличение порога

хлад­ноломкости на несколько десятков градусов. Неблагоприятное влияние фосфора усугубляется тем, что он имеет высокую ликвационную способность к границам зерен. Концентрация фосфора по границам -железе может превосходить в десятки раз его среднюю концентрацию в стали.

Кроме того, фосфор в стали вызывает обратимую отпускную хрупкость. По этим причинам он почти всегда является нежелательной примесью.

Проблема удаления фосфора из стали заключается в том, что его отрицательное влияние сильно сказывается уже при очень малых концентрациях. Так, при увеличении концентрации на 0,010 %, температура хрупко-вязкого перехода повышается на ~ 40 С. Снижение его содержания на сотые доли процента требует больших затрат.