Легирование стали: влияние углерода, марганца и кремния

Влияние углерода на свойства сталей

Углерод является главным упрочняющим элементом во всех сталях, кроме аустенитных нержавеющих сталей и некоторых других высоколегированных сталей. Упрочняющий эффект углерода состоит из упрочнения твердым раствором и упрочнения за счет дисперсного выделения карбидов. С увеличением содержания углерода в стали ее прочность увеличивается, но пластичность и свариваемость снижается.

Углерод имеет умеренную тенденцию к макросегрегации в ходе кристаллизации. Макросегрегация углерода обычно проявляется более значительно, чем у всех других легирующих элементов. Углерод имеет сильную тенденцию сегрегировать на дефектах в сталях, таких как границы зерен и дислокации. Карбидообразующие элементы могут взаимодействовать с углеродом и образовывать «легированные» карбиды.

Марганцовистые стали марки

• ЛГМ
• Литьё
• Лаборатория
• Обрубка
• Термическая обработка
• Механическая обработка
• Видео

• Продукция Стальное литьё Чертежи (Сталь)
• Чертежи (Марганцовистая сталь)
• Марганцовистая сталь
• Жаропрочная сталь
• Сталь для отливок
• Конструкционная легированная сталь
• Легированная сталь
• Углеродистая сталь

• Чугунное литьё Чертежи (Чугун)
• Чугун
• Хромистый чугун
• Чушковой чугун
• Тюбинги
• Чугунные утяжелители кольцевые (УЧК)
• Корпуса

• Художественное литьё Художественное литьё
• Парковое литьё

• ЛГМ
• Литьё
• Лаборатория
• Обрубка
• Термическая обработка
• Механическая обработка
• Видео

• Чугунное литьё Чертежи (Чугун)
• Чугун
• Хромистый чугун
• Чушковой чугун
• Тюбинги
• Чугунные утяжелители кольцевые (УЧК)
• Корпуса

• Художественное литьё Художественное литьё
• Парковое литьё

Влияние марганца на свойства сталей

Марганец присутствует практически во всех сталях в количестве от 0,30 % и более. Марганец применяют для удаления из стали кислорода и серы. Он имеет меньшую тенденцию к сегрегации, чем любой другой легирующий элемент. Марганец благоприятно влияет на качество поверхности во всем диапазоне содержания углерода, за исключением сталей с очень низким содержанием углерода, а также снижает риск красноломкости. Марганец благоприятно влияет на ковкость и свариваемость сталей.

Марганец не образует своего карбида, а только растворяется в цементите и образует в сталях легированный цементит. Марганец способствует образованию аустенита и поэтому расширяет аустенитную область диаграммы состояния. Большое содержание марганца (более 2 %) приводит к возрастанию тенденции к растрескиванию и короблению при закалке. Присутствие в сталях марганца поощряет такие примеси как фосфор, олово, сурьма и мышьяк сегрегировать к границам зерен с возникновением отпускной хрупкости.

Марганцовистая сталь — марка

Малоуглеродистые марганцовистые стали марок 10Г2А и 12Г2А обладают высокой пластичностью и хорошей свариваемостью. Они применяются для изготовления штампо-сварных деталей. [1]

При обработке марганцовистой стали марки Г12 ( содержание марганца 12 94 %) было установлено -, что наиболее пригодным для такой обработки является резец из твердого сплава марки Т15К6, обладающий достаточной стойкостью при скорости резания 13 6 м / мин. Сплав Т5КЮ дает удовлетворительную стойкость ( 50 мин. Однако сплав Т15К6 сравнительно хрупок и плохо работает при ударной нагрузке. [2]

Коленчатый вал 3 изготовляется из марганцовистой стали марки 50Г и лежит на пяти коренных подшипниках. Поверхности шеек вала закалены токами высокой частоты. Диаметр коренной шейки 88 9 мм, мотылевой 70 мм. Для уравновешивания центробежных сил на первом и четвертом кривошипах вала установлены противовесы. [3]

Сталью, обладающей высоким сопротивлением износу, является марганцовистая сталь марки Г13, содержащая 1 0 — 1 3 % С; 11 0 — 14 0 % Мп. Она относится к аустенитному классу. [4]

Для сварки магистральных трубопроводов применяется проволока из углеродистой стали марок СВ-08 и СВ-08А и марганцовистой стали марок СВ-08г-А . Буква А в марке проволоки означает, что в проволоке содержится значительно меньше вредных примесей — серы и фосфора, поэтому такая проволока применяется для более ответственных работ. [5]

Регенератор состоит из корпуса 1, нижняя часть которого ( до фланцевого соединения) изготовляется из хро-моникелевой стали марки Х18Н9Т, а верхняя — из марганцовистой стали марки 09Г2ДТ / м; змеевиков 2, изготовленных из медных или стальных трубок, и каменной насадки 3 с размером гранул 4 — 10 мм. Змеевики опираются на днище корпуса. Коллекторы змеевиков выведены через сальники 4 и 5, размещенные в днище и крышке. Ввод воздуха в регенератор и вывод обратного потока производится через дырчатый конус 6, обтянутый сеткой 7 из нержавеющей стали, а вывод воздуха и ввод обратного потока — через кольцевой дырчатый коллектор 8, также обтянутый сеткой из нержавеющей стали. [6]

Легированные стали и сплавы на железной основе с особыми свойствами содержат в своем составе большое количество легирующие компоненты, сочетание которых придает сталям жаропрочность, антикоррозийность, большое электрическое сопротивление и другие ценные свойства. Так, например, сталь марки 1Х18Н9Т — хромоникелевая нержавеющая сталь с содержанием около 0 1 % углерода, 18 % хрома, 9 % никеля, около 1 % титана отличается высокой кислотоупорностью и применяется для изготовления аппаратов на заводах химического машиностроения; марганцовистая сталь марки ПЗ , называемая сталью Гадфильда, содержащая от 11 до 14 % марганца, хорошо работает на истирание и применяется для изготовления зубьев ковшей экскаваторов и железнодорожных стрелок. [7]

Легированные стали и сплавы на железной основе с особыми свойствами содержат в своем составе большое количество леги — рующие компоненты, сочетание которых придает сталям жаропрочность, антикоррозийность, большое электрическое сопротивление и другие ценные свойства. Так, например, сталь марки 1Х18Н9Т — хромоникелевая нержавеющая сталь с содержанием около 0 1 % углерода, 18 % хрома, 9 %: никеля, около 1 % титана отличается высокой кислотоупорностью и применяется для изготовления аппаратов на заводах химического машиностроения; марганцовистая сталь марки Г13, называемая сталью Гадфильда, содержащая от 11 до 14 % марганца, хорошо работает на истирание и применяется для изготовления зубьев ковшей экскаваторов и железнодорожных стрелок. [8]

В бункерах, предназначенных для хранения твердых кусковых материалов, внутреннюю поверхность наклонных стенок футеруют, чтобы предохранить стенки от истирания и образования вмятин при ударах. Тип футеровки зависит от истирающих свойств сыпучего материала. Так, бункера для руды и скрапа футеруют листовой марганцовистой сталью марки ЗОГ2 толщиной 6 — 10 мм. Иногда применяют деревянную футеровку. [10]

Влияние кремния на свойства сталей

Кремний является одним из основных раскислителей, которые применяют при выплавке сталей. Поэтому содержание кремния задает тип произведенной стали. Спокойные углеродистые стали могут содержать кремния до максимум 0,60 %. Полуспокойные стали могут содержать умеренные количества кремния, например, 0,10 %.

Кремний полностью растворяется в феррите при содержании кремния до 0,30 %. Он увеличивает прочность феррита, почти не снижая его пластичности. При содержании кремния выше 0,40 % в углеродистой стали общего назначения происходит существенное снижение пластичности.

В комбинации с марганцем или молибденом кремний обеспечивает более высокую закаливаемость стали. Добавление кремния в хромоникелевые аустенитные стали повышает их стойкость к коррозии под напряжением. В термически упрочняемых сталях кремний является важным легирующим элементом, повышает способность сталей к термическому упрочнению и их износостойкость, увеличивает предел упругости и предел текучести. Кремний не образует карбидов и не содержит цементита или других карбидов. Он растворяется в мартенсите и замедляет распад легированного мартенсита до 300 °С.

Раскисление, дегазация и легирование стали

ЛЕГИРОВАНИЕ СТАЛИ

ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ПРИМЕСЕЙ НА СВОЙСТВА СТАЛИ

По химическому составу стали можно разделить на углеродистые и легированные. Сталь называют легированной, если в ней заданным составом обусловлено содержание элементов, от­сутствующих в обычной углеродистой стали в значительных ко­личествах, или имеется повышенное против допускаемого в уг­леродистой стали содержание кремния и марганца.

В состав обычной углеродистой стали входят следующие элементы: С, Si, Μn, Al, S, Ρ, О, Η и N. Содержание углерода обусловливает марку и свойства углеродистой стали. Кремний, марганец и алюминий вводят в эту сталь в незначительных ко­личествах, главным образом для ее раскисления. Марганец и кремний обеспечивают также заданные механические свойства стали. Остальные перечисленные элементы попадают в готовую сталь из шихтовых материалов или печных газов и являются вредными примесями. Кроме указанных элементов, в углероди­стой стали всегда содержатся незначительные количества хрома, никеля, меди и молибдена, вносимых шихтой. В углеродистой стали, выплавленной на машиностроительных заводах или заво­дах, производящих в большом количестве легированные стали, содержание этих элементов выше.

Наиболее распространенными легирующими элементами яв­ляются: Сr, Mn, Ni, Si, W, Mo, V, Ti, Cu, Co, Al, B, Nb, Zr, N, As, S, P.

В современной практике особенно часто сталь легируют пер­выми восемью элементами.

Ниже кратко излагается влияние различных элементов на свойства стали.

Углерод содержится в стали всех марок в количестве от 0,02 до 1,5%. С увеличением содержания углерода повышаются твердость и прочность и понижается пластичность стали. Уве­личение количества углерода на каждую 0,1% в пределах до 0,85% повышает предел текучести на 2,8 кг/мм2, предел прочно­сти— на 6,5 кг/мм2, снижает удлинение на 4,3% и сжатие по­перечного сечения — на 7,3%. При увеличении содержания уг­лерода более 0,85% его влияние на механические свойства ста­ли проявляются в меньшей степени. Углерод увеличивает режу­щую способность -стали, повышает электросопротивление, коэр­цитивную силу, несколько уменьшает плотность стали; снижает температуру плавления стали примерно на 90° С на каждый процент углерода. В условиях сталеплавильного процесса он яв­ляется раскислителем и определяет содержание кислорода, растворенного в жидкой стали. В твердой стали углерод образу­ет с железом различные структурные составляющие, что опре­деляет свойства стали и является основой для ее последующей термической обработки.

Марганец содержится во всех сортах стали и является раскислителем или легирующим элементом. Марганец в виде фер­ромарганца широко используют в сталеплавильных процессах. Он облегчает горячую обработку стали давлением, образуя ту­гоплавкие соединения с серой и кислородом. Остаточное количе­ство марганца (0,25—1,0%), растворяясь в феррите и частично образуя карбид, положительно влияет на механические свой­ства стали. В этих пределах марганец улучшает прокаливаемость стали, повышает предел текучести металла и почти не влияет на удлинение. В конструкционные легированные стали вводят до 1,8% Μη. Марганец является аустенитообразующим элементом. Высокоуглеродистая сталь с 13% Μη имеет в зака­ленном состоянии аустенитную структуру и хорошо сопро­тивляется истиранию при ударной нагрузке. В комплексе с вольфрамом и молибденом марганец служит заменителем ни­келя в конструкционных сталях, а с азотом—в нержавеющих сталях.

Кремний, являющийся более сильным раскислителем, чем марганец, вводят в сталь для раскисления в небольших коли­чествах (0,2—0,4%). При содержании более 0,8% кремний яв­ляется легирующим элементом. В количестве около 1% кремний повышает предел прочности и предел текучести стали, не снижая вязкости металла, поэтому углеродистую сталь с указанным со­держанием кремния применяют для изготовления рессор и пру­жин. Кремнемарганцовистые стали, содержащие кремний и мар­ганец в пределах 1 —1,3%, имеют хорошие пластические и проч­ностные свойства и служат заменителями хромоникелевой ста­ли. Кремний повышает магнитную проницаемость и электросо­противление, понижает потери на гистерезис, поэтому электро­технические стали содержат кремний (1,5—2% в динамной ста­ли, до 4%—в трансформаторной). Кремний, являясь феррито-образующим элементом, повышает кислотостойкость металла. Сплав, содержащий до 14% кремния (термосилид), применяют для кислотоупорного литья.

Алюминий—энергичный раскислитель. Для раскисления и регулирования размера первичного зерна аустенита в сталь обычно вводят не более 0,2% А1. Алюминий предотвращает ста­рение стали и повышает ее пластические свойства. В хромомо-либденовые и хромистые стали, предназначенные для азотирова­ния, вводят 0,7—1,2% А1.

Сера в обычных сортах стали содержится в количестве 0,01 — 0,05% и почти полностью находится в виде неметаллических включений. Она вызывает красноломкость стали, снижает меха­нические свойства, увеличивает склонность стали к ржавлению и истиранию, уменьшает способность стали к глубокой вытяжке (штамповке). При более высоком содержании сера облегчает обрабатываемость стали на станках, поэтому в специальные сор­та стали (автоматную) вводят 0,1—-0,3% S.

Фосфор в стали обычно присутствует в количестве 0,02— 0,1%· Он Вызывает хладноломкость стали. В средне- и высо­коуглеродистых сталях это проявляется при меньших содержа­ниях фосфора, чем в низкоуглеродистых. В сталях, работающих только при повышенных температурах, допускается более вы­сокое содержание фосфора. В гаечную и болтовую сталь для улучшения обрабатываемости вводят около 0,1% Р. Фосфор по­вышает коррозионную стойкость стали и препятствует слипанию тонких листов при прокатке листового железа.

Хром является одним из наиболее распространенных леги­рующих элементов, его используют как самостоятельно, так и в комплексе с другими элементами. Содержание хрома в легиро­ванной стали колеблется от 0,5 до 30%. Хром является феррито-образующим элементом; его присадка ведет к расширению тем­пературного интервала затвердевания металла. При содержании 1.5% хром увеличивает твердость и прочность стали, не снижая ее пластичности. Для улучшения механических свойств стали вводят около 1% Сг. Хром повышает прочность стали при высо­ких температурах и увеличивает сопротивление окислению. Сталь, содержащая около 5% Сг, является теплостойкой. В кис­лотоупорной стали содержание хрома составляет 17—20%, в жаропрочных — 23—28%. Хром увеличивает прокаливаемость стали и несколько уменьшает склонность <�к перегреву, увеличи­вает сопротивление стали истиранию; в количестве 0,15—0,3% предотвращает слипание тонких листов кипящей стали при про­катке пакетами.

Никель применяют для легирования стали в концентрации от 1 до 25%. Он повышает прочность, особенно ударную вязкость стали и сопротивление окислению, увеличивает прокаливае­мость, мало влияет на прочность стали при высоких температу­рах. Никель является аустенитообразующим элементом. В кис­лотоупорную сталь вводят 8—12% Ni, в окалиностойкую — 18—20%; служит стабилизатором аустенитного состояния при высоких и при низких температурах. В больших количествах никель применяют для производства сплавов (нихромов), пред­назначенных для изготовления нагревательных элементов. Ни­кель— дорогой и дефицитный металл, поэтому постоянно ведут работы по созданию сталей и сплавов, в которых никель был бы заменен другими элементами.

Молибден для легирования стали вводят в количестве от 0,2 до 5%. Молибден до 0,6% повышает прочность и твердость ста­ли, улучшает пластические свойства. Молибден сильно увеличи­вает прокаливаемость стали и обладает свойством ликвидиро­вать отпускную хрупкость. В конструкционной стали содержится 0,2—0,4% Мо. Молибден повышает прочность стали при высоких температурах и поэтому его вводят в теплостойкие (0,4—0,6%) и жаропрочные (2—5%) стали. Некоторые жаропрочные сплавы содержат более 5% Мо. Молибден — очень дорогой и дефицит­ный металл, поэтому проводят большое число исследований с целью замены молибдена в стали другими элементами.

Вольфрам применяют в сталях, работающих при высоких температурах и больших ударных нагрузках. В быстрорежущую инструментальную сталь вводят 8,5 и 18% W, в штамповые и инструментальные— 1—8%, в жароупорные — 2—3%. Воль­фрам— карбидообразующий элемент, поэтому сталь, содержа­щая вольфрам, обладает большой прочностью и твердостью. Сто­имость вольфрама очень высока, поэтому его применяют только для некоторых сталей.

Ванадий—карбидообразующий элемент, сильно измельчает зерно аустенита, повышает прочность и увеличивает вязкость ме­талла. Сталь, содержащая ванадий, хорошо сопротивляется ударным нагрузкам. Конструкционная сталь содержит 0,15— 0,4% V, а быстрорежущая инструментальная — 1—2% V. Ва­надий— дефицитный металл. При переработке железных руд, содержащих ванадий, он окисляется и переходит в шлак, ко­торый специально перерабатывают с целью извлечения вана­дия.

Титан образует прочные карбиды и нитриды, сильно измель­чает зерно аустенита. 0,4—0,7% Ti вводят в кислотоупорную сталь для связывания углерода в прочные .карбиды, в результа­те чего уменьшается склонность этой стали к межкристаллической коррозии. Конструкционные стали содержат 0,1—0,15% Ti. Титан вводят в сталь, предназначенную для электросварки, с целью уменьшения самозакаливаемости. В ферритной высоко­хромистой стали титан измельчает зерно и препятствует образо­ванию аустенита.

Ниобий — сильно карбидообразующий элемент. Повышает прочность и твердость низколегированной стали, а также замет­но увеличивает сопротивление стали окислению при высокой температуре. Присаживается в нержавеющую сталь для устра­нения склонности к межкристаллитной коррозии, а в углероди­стую (0,1%) и марганцовистую конструкционную (0,25%) — для ликвидации отпускной хрупкости.

Медь повышает прочность феррита. В количестве до 0,5% увеличивает пластичность стали в холодном состоянии, в количе­стве 0,2% —сопротивляемость углеродистой стали атмосферной коррозии. 3—4% Си вводят в хромоникелевую нержавеющую сталь для повышения ее коррозионной стойкости, 0,2% Си вво­дят в сталь, предназначенную для изготовления корпусов кораб­лей, так как медь препятствует прилипанию водорослей и ‘раку­шек на подводную часть судна; кроме того, медь повышает пре­дел текучести этих сталей. При содержании меди выше 0,3% в стали образуются участки эвтектического сплава, богатого медью и обладающего низкой температурой плавления. Этот сплав отлагается по границам зерен и вызывает красноломкость, металла при ковке и прокатке.

Бор в количестве 0,002—0,004% вводят в конструкционную сталь, предназначенную для термической обработки, с целью увеличения прокаливаемости. Влияние 0,002% В на увеличение прокаливаемости эквивалентно влиянию 0,2% Мо или 1% Ni, поэтому бор вводят вместо дефицитных элементов в высокопроч­ные, конструкционные стали. Количество марок стали, содержа­щей бор, с каждым годом возрастает.

Кобальт — дорогой металл. Быстрорежущая сталь, содержа­щая кобальт, остается очень твердой при высокой температуре (режущая кромка сохраняет свои свойства даже при температу­ре красного каления). Магнитотвердые сплавы (алнико) содер­жат до 24% Со. Кобальт повышает стойкость стали против окисления при высокой температуре, поэтому входит в состав сталей, ‘из которых изготовляют лопатки турбин, выхлопные клапаны двигателей внутреннего сгорания и др. Содержание кобальта в изготовляемых сплавах доходит до 55%.

Цирконий вводят в углеродистые и конструкционные стали в. количестве 0,1—0,25%. Цирконий аналогично алюминию измель­чает зерно стали, повышает температурный порог начала роста зерна и прокаливаемость стали. Увеличивает предел выносли­вости стали на воздухе и в коррозионной среде и прочностные характеристики, ударную вязкость при температурах ниже нуля и улучшает свариваемость стали. Цирконий повышает тепло­устойчивость стали в пределах температур до 500° С. Комплекс­ное легирование цирконием и другими элементами (ванадием, титаном) сказывается на свойствах стали сильнее, чем легиро­вание одним цирконием. Вследствие высокой стоимости и боль­шого угара (~50%) цирконий не нашел широкого распростра­нения в металлургии, хотя в настоящее время разработано не­сколько марок стали, рекомендованных промышленности.

Кальций в количестве 0,2—0,5% вводят в углеродистые и конструкционные стали для раскисления. В высоколегированных сталях кальций выполняет роль модификатора. Вводится в сталь обычно в виде силикокальция, реже — в виде металличе­ского кальция. В присутствии алюминия или редкоземельных металлов кальций способствует образованию глобулярных не­металлических включений.

Свинец (до 0,25%) вводят в некоторые стали для облегчения обработки резанием. На механические свойства стали влияет очень мало. Свинец совершенно не растворяется в жидкой ста­ли, образует эмульсию; часть его при взаимодействии со сталью испаряется. Присаживают свинец в изложницы. Пары окислов свинца ядовиты, поэтому необходимо принимать меры к их улавливанию.

Цинк применяют как покрытие тонколистовой стали и труб для защиты от ржавления. В жидкую сталь его вводить нельзя, так как он испаряется при температурах сталеварения.

Олово не применяют в качестве легирующего элемента, а ис­пользуют как покрытие очень тонкой (белой) жести. В сталь олово попадает из шихты. Олово в количестве 0,06% вызывает хрупкость стали при температурах ковки и прокатки (красно­ломкость), в количестве до 0,1% не влияет на механические свойства стали, однако в стали, предназначенной для глубокой вытяжки, содержание олова не должно превышать 0,02—0,03%.

Мышьяк попадает в сталь из железных руд. Особенно много мышьяка содержится в стали, выплавляемой из чугуна, полу­ченного из руд Керченского месторождения. Мышьяк в стали не является вредной примесью, и его действие похоже на действие меди. При содержании до 0,1% мышьяк повышает предел проч­ности и предел упругости стали (на каждую 0,01 % увеличения содержания мышьяка 0,4 кг/мм2). При этом пластичность и ударная вязкость снижаются незначительно. До 0,25% мышьяк не изменяет свариваемость стали. Мышьяк при затвердевании ликвирует подобно сере и фосфору. Присадка мышьяка несколь­ко повышает сопротивляемость стали атмосферной коррозии.

Редкоземельные металлы (церий, лантан и др.), введенные в сталь в виде мишметалла или ферроцерия , заметно влияют на механические и технологические свойства сталей. Церий и лан­тан применяют в качестве модификаторов различных сталей; одновременно они являются десульфураторами и дегазаторами стали. Количество мишметалла или ферроцерия, вводимых в ковш, колеблется в ‘пределах 1—3 кг на тонну жидкой стали. При введении такого количества редкоземельных металлов в слитках л отливках углеродистой, конструкционной и высоколе­гированной сталей исчезает дендритная структура. Жидкотеку-честь стали при этом повышается, что способствует быстрому удалению сульфидов церия и лантана, образующихся при взаи­модействии с жидким металлом. Наиболее полная десульфура-ция кислой стали (примерно на 50%) достигается при введении церия (0,2—0,3%) и силикокальция (0,2—0,3%) непосредствен­но в струю металла во время выпуска в ковш. Присутствие ред­поземельных металлов в стали улучшает ее свариваемость и де­формируемость в горячем состоянии. Присадка в сталь Х23Н18 0,1—0,2% ферроцерия способствует измельчению литой структуры металла и улучшению ковкости и прокатываемость слит­ков. Введение 0,05—0,1% мишметалла в сталь 40Н ослабляет внеосевую зональную неоднородность слитков и отливок, при­садка 0,15—0,2% сплава практически предотвращает образо­вание усов в слитках. Церий способствует повышению свойств литой стали до уровня кованой. Чем больше загрязнений в жид­кой стали, тем эффективнее влияние обработки ее церием. Чем более легирована сталь, тем меньше оптимальная величина до­бавок: церия. Для ответственных отливок из углеродистой стали эта величина составляет 0,2—0,3%, для стали, легированной ни­келем, хромом, кремнием,—0,1—0,15%.

Другие элементы периодической системы в виде примесей также могут присутствовать в стали, однако их содержание настолько ничтожно, что они не оказывают какого-либо замет­ного влияния на свойства металла. Интересно отметить, что даже в состав технически чистого железа входит около двадцати различных элементов, хотя их общее содержание не превыша­ет 0,25%.