Влияние вредных химических и механических примесей. Влияние вредных примесей на качество 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.

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.

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.

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

O2, S, P, N, H2, реже другие (As) даже в небольшом количестве отрицательно влияют на свойства железа и его сплавов. Получение металла надлежащего качества достигается уменьшением до определенных пределов содержания вредных примесей различными методами в зависимости от особенности каждой примеси.

Раскисление стали – удаление растворенного кислорода. При окислительном рафинировании по мере уменьшения в металле примесей с бОльшим сродством с кислородом чем железо концентрация кислород увеличивается. Углерод окисляется позже других элементов и концентрация С в металле определяет конечное. Окисляемость металла по ходу обезуглероживания увеличивается и особенно резко при содержании углерода менее 0,2. Фактическая концентрация углерода в металле в конце рафинирования для разных марок стали нахордится в пределах 0,02-0,05 %. При охлаждении такого металла будет продолжаться реакция обезуглероживания с избирательной кристаллизацией. По мере кристаллизации остающаяся жидкость постепенно обогащается примесями. В частности углерода и [О], концентрации которых все время сохраняются больше равновесных для реакции обезуглероживания, что обеспечивает ее непрерывное течение. Часть газовых пузырей остается в затвердевающимся металлом, делая его пузыристым. Из-за пересыщения металла кислородом выделяются оксиды железо. С уменьшением температуры растворимость О2 в железе резко падает, что ведет к увеличению оксидной фазы на границе зерен. Это явление называют красноломкость. Чрезмерно высокая концентрация О2 в металле – пример процесса окислительного рафинирования. Кроме того при выпуске и разливке стали, т.е. после освобождения из под шлакового покрова она соприкасается с атмосферным воздухом. Поэтому выплавка стали всегда завершается раскислением с целью удаления из металла кислорода до пределов, обеспечивающих полное или частичное прекращение реакции обезуглероживания. В качестве элементов раскислителя применяют две группы элементов – это элементы с бОльшим сродством к кислороду чем железо Mn, Si. Вторая группа – элементы с большим сродством к кислороду чем углерод. Они служат для полного «успокоения» Al, Ti, B, Ca, Zirkoniy. Раскисление обычно совмещают с легированием, т.е. с увеличением до требуемых пределов полезных примесей. Существует три способа раскисления – осаждающий, диффузионный и вакуумирование.

Осаждающий. Наиболее распространенный способ раскисления, заключающийся в вводе раскислителя непосредственно в металл, где происходит гетерогенная реакция. Оксид раскислителя должен обладать свойствами «осадков», т.е. быть нерастворимым в железе и способным легко выделяться из расплава. Для того чтобы реакция шла необходимо чтобы раскилители имели большее сродство чем С и Fe и чтобы их оксиды были прочнее чем FeO. При вводе раскислителя в сталь О2 уменьшается за счет реакции раскисления до достижения равновесия реакции, поэтому минимальнае остаточная концентрация О2 в металле отвечает равновесию в реакции служит мерой сравнительного сродства раскислителя к кислороду или мерой раскислительной способности элементов-раскислителей. Механизм осаждающего раскисления включает следующие стадии: растворение твердого раскислителя и равномерное распределение его в объеме металла, химическая реакция обезуглероживания, удаление из расплава продуктов реакции – неметаллических шлаковых включений. Важнейшим звеном является третья стадия, т.к. от нее зависит количество неметаллических включений, загрязняющих металл и понижающих его качество. Эти неметаллические шлаковые включения обладают меньшей плотностью чем металл и всплывают на его поверхность. Чем больше скорость всплывания тем чище сталь от неметаллических включений. Скорость всплытия мелких сферических частиц, диаметром менее 1 мм. Из уравнений следует, что с уменьшением f скорость падает. Процесс ускоряется при уменьшении плотности шлаковых включений, увеличении температуры, уменьшением вязкости стали и, как следствие с увеличением времени застывания и времени всплытия включений. Решающая роль принадлежит размерам частиц. Чем они крупнее тем чище сталь. Укрупнение частиц легче происходит в жидком виде чем в твердом. Поэтому для полного очищения металлов от продуктов раскисления необходима высокая температура стали более 1600 о С и низкая температура плавления.

Диффузионное раскисление заключается в образовании процесса диффузии кислорода из металла в шлак за счет понижения его окисленности, за счет ввода в него раскислителей, который восстанавливая оксиды железа в шлаке понижает ихх концентрацию и, следовательно, концентрацию кислорода. Преимущество этого метода перед осаждающим – в том, что взаимодействие просходит в шлаке и металл не загрязняется. Недостатком является низкая скорость процесса. Непосредственно в агрегатах, главным образом в электрических печах при производстве специальных сталей. Разновидностями диффузионного раскисления является обработка стали в ковшах с синтетическими шлаками с низким содержанием FeO.

Вакуумирование. Это относительно новый иперспективный способ, который позволяет получать не только кислород, но и водород и азот, т.е. осуществлять дегазацию сталей. У Н и N растворимость в стлаи с уменьшением Т падает. Особенно она низка в твердом состоянии. При остывании стали водород выделяется в микропоры и образует флокены – это небольшие трещины, ухудшающие механическую прочность. Азот увеличивает твердость стали, но одновременно увеличивает хрупкость и уменьшает пластичность. Строение газов в железе, т.е. абсорбция сопровождается изменением его молекулярного состояния. С учетом, что газы в металле – бесконечно разбавленные растворы, то коэффициент активности примерно равен 1. Следовательно растворимость газов в металле является функцией двух величин – температура и давление. Влияние температуры на растворимость определяется величиной дельтаН. Н2 и N2 растворяются с поглощением тепла. Поэтому перегрев металла увеличивает газонасыщенность, особенно это характерно для ЭП. Кроме того легирующие элементы образуют гидриды и нитриды,что способствует увеличению газонасыщенности. Особенно к гидридам склонны титан, цирконий, а к образованию нитридов – хром и ванадий. Если ковш металла поместить в закрытую системы и значительно понизить давление газа над металлом, то существенно уменьшится давление в газовых пузырях, содержащихся в расплаве, особенно в верхнем слое металла. Это обеспечит переход пузырей тех примесей, которые способны выделяться из стали в газообразном состоянии и интенсивное всплытие пузырей. Углерод обладает значительным сродством к кислородом может служить раскислителем, но использование его для этого при нормальном давлении весьма ограничено, т.к. оставшийся СО приводит к получению неплотных слитков, т.е. вызывает пузыристость металла. Для предотвращения этого ввод раскислителя с бОльшим сродством к кислороджу чем углерод загрязняет металл неметаллическими включениями. Вакуумирование позволяет существенно понизить концентрацию кислорода в стали без применения раскислителей и, следовательно, без дополнительного загрязнения металла. В этом случае роль углерода как раскислителя значительно возрастает, поскольку при вакуумировании из него наиболее полностью удаляется СО и исключается пузыристость металла.

Сплавы на основе железа являются основными материалами для из­готовления деталей машин, приборов, строительных конструкций и различного инструмента. Широкое применение сталей в машино­строении обусловлено сочетанием ценного комплекса их механиче­ских, физических, химических и других свойств. Свойства сталей за­висят не только от их состава и соотношения компонентов, но и от вида термической и химико-термической обработки, которым они подвергаются.

Сталью называют сплав железа с углеродом (0,02...2,14 %), посто­янными примесями которого являются марганец до 0,8 %, кремний до 0,5 %, фосфор до 0,05 %, сера до 0,05 %. Такую сталь называют уг­леродистой. Если в процессе выплавки добавляют легирующие эле­менты (Сг, Si, Ni, Mn, V, W, Mo и др.), причем некоторые из них сверх их обычного содержания, то получают легированную сталь.

Рассмотрим влияние углерода, постоянных примесей и легирую­щих элементов на механические свойства сталей.

Углерод оказывает сильное влияние на свойства стали. С увеличе­нием его содержания повышаются твердость и прочность стали, сни­жаются пластичность и вязкость (рис. 5.1).

Временное сопротивление ав достигает максимального значения при содержании углерода приблизительно 0,9 %. Структура углеро­дистых сталей может быть ферритно-перлитной (до 0,8 %), перлит­ной (0,8 %) и перлитоцементитной (свыше 0,8 % углерода). Появле­ние в структуре стали вторичного цементита снижает ее пластичность и прочность.

Марганец и кремний вводят в сталь для ее раскисления в процессе плавки. Эти элементы растворяются в феррите и структурно не обна­руживаются, но заметно влияют на свойства стали, повышая проч­ность, твердость и снижая пластичность. Однако принимая во внима­ние, что содержание марганца и кремния в обычных сталях прибли­зительно одинаково, их влияние на свойства сталей разного состава не учитывается. Рис. 5.1. Влияние углерода на механические свойства стали

Сера попадает в чугун, а затем и в сталь. Она не растворима в желе­зе и образует с ним сульфид железа FeS, который в виде эвтектики Fe-FeS располагается по границам зерен и имеет температуру плав­ления 988 °С. При нагревании свыше 800 °С сульфиды делают сталь хрупкой и она может разрушиться при горячей пластической дефор­мации. Это явление называется красноломкостью, так как резкое снижение пластичности происходит в районе температур красного каления. Введение марганца в сталь уменьшает вредное влияние се­ры, так как соединяясь с серой, он образует сульфид марганца MnS (FeS + Mn -> MnS + Fe), температура плавления которого 1620 °С.

При температуре горячей обработки (800... 1200 °С) сульфид мар­ганца не плавится, пластичен и под действием внешних сил вытягива­ется в направлении деформации. Вытянутая форма включений суль­фида марганца {сульфидная стрдчечность) увеличивает анизотропию свойств и снижает пластичность и вязкость стали примерно в 2 раза ■ поперек прокатки, но не влияет на свойства в направлении вдоль прокатки.

Для улучшения формы сульфидных включений жидкую сталь об­рабатывают (модифицируют) силикокальцием или редкоземельными элементами (Се, La, Nd). Эти модификаторы образуют с серой ком­пактные округлые соединения, которые сохраняют свою форму при деформации, вследствие чего уменьшается анизотропия свойств.

Сера является нежелательным элементом и ее содержание в стали строго ограничивают. Она оказывает благоприятное влияние только в том случае, когда требуется хорошая обрабатываемость стали при ре­зании.

Фосфор попадает в сталь на стадии металлургического передела. Его растворимость в железе при высокой температуре достигает 1,2 %, од­нако с понижением температуры резко падает, составляя 0,02...0,03 % при 200 °С и ниже. Находясь в феррите, фосфор резко повышает тем­пературу перехода стали в хрупкое состояние. Это явление называется хладноломкостью. Содержание фосфора в сталях в зависимости от их назначений ограничивается в пределах 0,025...0,06 %.

Азот и кислород содержатся в стали в небольших количествах и присутствуют в виде неметаллических включений (оксиды, нитри­ды), которые усиливают анизотропию механических свойств, осо­бенно пластичности и вязкости, и вызывают охрупчивание стали.

Присутствие большого количества водорода в стали в растворен­ном состоянии не только ее охрупчивает, но и способствует возникно­вению очень опасного дефекта - внутренних надрывов в металле, на­зываемых флокенами.

Легирующие элементы в стали оказывают различное влияние на аллотропические превращения железа и фазовые превращения стали. Они могут находиться в стали в твердом растворе, в карбидной фазе или в виде интерметаллидных соединений.

Наиболее существенное влияние на полиморфизм железа оказы­вают хром, вольфрам, ванадий, молибден, ниобий, марганец, никель, медь и другие металлы. Они расширяют или сужают область сущест­вования у-железа. Например, введение в сталь никеля, марганца и меди понижает температуру точки Аъ и повышает температуру точ­ки Д, что (при определенном их содержании) расширяет область у-же­леза от температуры плавления до комнатной (рис. 5.2, а). Такие спла­вы представляют собой твердый раствор легирующего элемента в у-же-лезе и относятся к сталям аустенитного класса.

Вторая группа элементов, таких как хром, молибден, вольфрам, ванадий, алюминий, кремний, понижает температуру точки А4 и по­вышает температуру точки А3, сужая область у-железа на диаграмме (рис. 5.2, б). Сплавы при определенном содержании легирующего элемента этой группы в интервале температур от комнатной до тем­пературы плавления представляют собой твердый раствор легирую­щего элемента в а-железе и называются сталями ферритного класса.

К элементам, способным образовывать карбиды, относятся мар­ганец, вольфрам, ванадий, молибден, титан и др. При небольшом содержании некоторые карбидообразующие элементы растворяются в цементите. Состав легированного цементита отвечает общей фор­муле (Fe, М)3С, где М-легирующий элемент. При повышении содержания карбидообразующего элемента образуются самостоятельные карбиды данного элемента типа Сг7С3, Сг23С6, Мо2С, W2C, VC, TiC и др. Ряд элементов, например вольфрам и молибден, совместно с же­лезом образуют карбиды Fe3W3C и Fe3Mo3C. Все эти карбиды отлича­ются высокой твердостью и высокой температурой плавления.

Рис. 5.2. Диаграммы состояния железо - легирующий элемент: а - Fe-Mn, Ni, Pt, Ru, Os, Си; б- Fe-Si, W, Mo, V, Ti, Та, Nb, 2г(ж -жидкость)

Элементы, не образующие карбидов (Ni, Cu, Si, Co), находятся в стали главным образом в виде твердого раствора.

Легирующие элементы также изменяют кинетику распада аусте-нита (кобальт ускоряет превращение, никель, марганец, кремний, хром, молибден и др. - замедляют), влияют на положение темпера­турного интервала мартенситного превращения (кобаль и алюминий повышают точки Мн и Мк, остальные - понижают) и замедляют про­цесс распада мартенсита при отпуске.

Легирующие элементы, оказывая влияние на полиморфизм желе­за и превращения в стали при термической обработке, а также вызы­вая изменения фазового состава и структуры, оказывают существен­ное влияние на механические и эксплуатационные свойства сталей.

Согласно классификации Н. Т. Гудцова, примеси в стали подразделяют на постоянные (обыкновенные), случайные некрытые (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 /q 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 может содержаться до 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, Ni, Cu, Mo, 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, фосфор иногда используют в качестве легирующих добавок для обеспечения ряда особых свойств сталей. N

По марочному химическому составу стали можно опре­делить, какие элементы являются легирующими добавка­ми, а какие - примесями. Если в марочном химическом 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.

При комнатной температуре растворимость серы в а-желе — зе 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 а — и у-железе, хотя и незначительно, но До вполне определенных концентраций (0,02 % в а-железе при 913°С и 0,05 % S в v-дселезе при 1365°С). Поэтому сер­нистые включения могут видоизменяться при термической обработке стали.

Если сера связана в сульфид железа FeS при относи­тельно низких температурах горячей деформации стали вследствие расплавления эвтектики сульфида железа (988°С), наблюдается красноломкость стали. При более высоких температурах горячей пластической дефор­мации возможна горячеломкость стали, обусловлен­ная расплавлением находящегося по границам первичных зерен аустенита, собственно сульфида железа (1188 °С). Введение в сталь марганца в отношении Mn:S>8-10 приводит практически к полному связыванию серы в туго-

Рис. 9. Зависимость ударной вязкости нормализованной ста­ли типа 45 от содержания в ией серы (В. Кнорр)

O, iz о,/J 0,01 о, ог O1OJ

S, (по массе]

Рнс. 10. Зависимость ударной вязкости KCV (а) и температуры перехода Ту, (б) стали 08Г2МБ от содержания серы (Е. Н. Жукова) овМП а:

Эффекта или сульфидного парадокса (рис. 10). Оно объясняется тем, что повышение содержания се­ры снижает ударную вязкость на поперечных образцах с острым надрезом (KCV), т. е. сопротивление стали вязко­му разрушению (рис. 10,а). Увеличение прочности стали приводит к более существенному влиянию серы на сниже­ние вязкости. Наиболее интенсивно понижается сопротив­ление вязкому разрушению при содержаниях серы до 0,010%. В то же время влияние серы на температуру пе­рехода из вязкого в хрупкое состояние, определяемое по наличию 50 % вязкой составляющей в изломе ударных об­разцов- T5о, т. е. на сопротивление стали хрупкому разру­шению, имеет экстремальный характер. Как показывают данные, представленные на рис. 10,6, наиболее склонна к хрупкому разрушению сталь при концентрации серы ~0,010%. При меньших и больших концентрациях серы температура перехода T50 понижается. Экстремальное со­держание серы в различных сталях может быть разным. Таким образом, сульфидный эффект заключается в повы­шении сопротивления стали хрупкому разрушению при од­новременном уменьшении сопротивления вязкому разруше­нию с увеличением содержания серы выше определенного предела. Можно полагать, что сульфидный эффект обуслов­лен различным взаимодействием движущейся трещины с сульфидами в зависимости от вязкости матрицы.

В жаропрочных аустенитных сталях повышение содер­жания серы заметно уменьшает пределы ползучести и дли­тельной прочности, т. е. S снижает жаропрочные свойства.

Растворимость фосфора в а — и у-железе значительно выше, чем содержание фосфора в стали, как примеси. Поэтому фосфор в стали целиком находится в твердом растворе, и его влияние на свойства сказывается посредством измене­ния свойств феррцта и аустенита. Вредное действие фосфо­ра на свойства может усугубляться из-за сильной склонно­сти его к ликвации (степень ликвации достигает 2-3).

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. 11). \

Фосфор относится к сильным упрочнителям (см. гл. IV, п — 4). 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 процента мо­жет вызывать повышение порога хладноломкости на не-

?,% (по массе)

Рис. 11. Влияние фосфора на Oa и ат (М. С. Михалев, М. И. Гольдштейи) и ударную вязкость KCU (А. П. Гуляев) низкоуглероднстой феррнто-перлнтной стали (0,2 % С, 1 % Mn)

Сколько десятков градусов (~ 20-25 cC на 0,01 % Р) бла­годаря сильному уменьшению работы распространения тре­щины.

В конструкционных улучшаемых сталях фосфор ответ­ственен за проявление обратимой отпускной хрупкости (см.

Гл. IX, п. 6). В этом случае’ влияние его на порог хладно­ломкости особенно сильно (0,010 % P повышает темпера­туру перехода на ~40°С).

Аналогично фосфор влияет на порог хладноломкости аус — тенитных марганцовистых ста­лей, при этом его вредное вли­яние проявляется менее, резко (рис. 12). Влияние фосфора в допустимых пределах на меха­нические и жаропрочные свой­ства хромоникелевых аустенит — ных нержавеющих и жаропроч­ных сталей заметно не прояв­ляется.

Рнс. 12. Влияние фосфора на порог хладноломкости Tso аусте — нитной марганцовистой стали г 110Г13 (А. П. Гуляев):

1 - литая; 2 - кованая

В сталях, выплавленных на базе керченских руд, содер­жится мышьяк. Его влияние на свойства стали аналогично фосфору, но вредное действие мышьяка значительно сла­бее, чем фосфора. Поэтому в качественной стали такого производства допускается до 0,08 % As.

Газы в стали

R сталях в определенных количествах обычно присутствуют водород, ислород, азот. Содержание их в сталях зависит прежде всего от спо­соба выплавки. Примерное содержание, %, газов в стали при разных способах выплавки по данным А. П. Гуляева:

Электропечной Мартеновский Кислородно-

Основной конверторный

Водород Кислород Азот. . .

0,0004-0,0006 0,002-0,004 0,007-0,010

0,0003-0,0007 0,005-0,008 0,004-0,006 0,0001-0,0008 0,005-0,003 0,002-0,005

Водород может входить в состав твердого раствора стали и выде­ляться в газообразном состоянии, скапливаясь в порах металла, при этом в стали образуются флокены. Кислород обычно связан в неметал­лические включения. Азот отрицательно влияет на свойства стали, если он находится в твердом растворе или образует нитриды железа, вызы­вая старение стали. Положительное влияние азота на свойства стали проявляется при связывании его в прочные нитриды AlN, VN1 NbN или карбонитриды V (С, N), Nb (С, N) и др., что используется в сталях с карбоннтридным упрочнением. Кроме того, азот широко используется в качестве аустеннтообразующего элемента в коррозионностойкнх и жаропрочных сталях.

В заключение необходимо отметить, что борьбу с вредными при­месями в стали в основном проводят при выплавке стали. Уменьшение содержания вредных примесей в стали требует зачастую немалых за­трат для осуществления определенных технологических приемов и при­менения специальных методов выплавки.

Все сказанное выше о воздействии атмосферных загрязнений на людей, животный мир и растительность может быть подтверждено несколькими примерами. Как известно, отдельные нефтеперерабатывающие заводы и предприятия США используют в качестве топлива многосернистую нефть. В одном из штатов, где расположены такие заводы и предприятия, было проведено широкое медицинское обследование населения. Результаты обследования показали, что у лиц, которые жаловались на неприятные запахи, имеются различные болезненные явления общего характера: головные боли, бессонница, удушье, раздражение верхних дыхательных путей. Все эти явления периодически возникали в связи с поступлением в атмосферу вредных примесей. Все описанные явления нередко приводили к повышенной утомляемости, понижению работоспособности и функциональным нарушениям со стороны нервной системы. При обследовании состояния здоровья 1322 младших учащихся (Институт общей и коммунальной Гигиены АМН СССР), проживающих в районе выбросов мощной теплоэлектроцентрали, у многих практически здоровых детей были обнаружены начальные фиброзные изменения легких, а сами дети жаловались на частые головные боли, общую слабость, раздражение слизистых оболочек глаз, быструю утомляемость и др. Аналогичные жалобы были у населения, проживающего в районе вискозного завода в Белоруссии, где имело место загрязнение атмосферного воздуха сероуглеродом и сернистым ангидридом.

О неблагоприятном влиянии атмосферных загрязнений на рогатый скот можно судить по следующему факту, зарегистрированному вблизи одного из западногерманских заводов: большое стадо рогатого скота, принадлежавшее населению заводского поселка, было полностью уничтожено. Кроме того, население этого поселка отметило резкое уменьшение количества пчел, гибель отдельных видов диких животных и повреждение растительности даже на расстоянии 5 км от завода. Несомненную роль в этом сыграло загрязнение воздуха сернистым ангидридом и пылью, содержащей мышьяк, окись железа, сурьму и др. Имеются многочисленные сообщения о гибели крон и уничтожении листвы на деревьях вблизи химических комбинатов. К вредному влиянию атмосферных загрязнений следует отнести также ухудшение жилищно-бытовых условий населения: вследствие неприятных запахов многие лишены возможности открывать окна и проветривать помещения, имеет место загрязнение сажей и копотью внешней отделки зданий. Некоторые промышленные выбросы оказывают разрушающее действие на металлическую кровлю жилых и общественных зданий.

Особо следует обратить внимание на то, что в составе угольной смолы и пыли обнаруживаются некоторые канцерогенные продукты. Эти вещества конденсируются на частицах золы и сажи, поступающих в виде дымовых газов в атмосферный воздух. Об этом следует помнить, так как некоторые виды топлива, содержащие канцерогенные соединения, образуют при неправильном сжигании очень большое количество дымовых газов. Источниками подобного загрязнения атмосферного воздуха в городах могут быть также асфальтобетонные, толевые, рубероидные и сланцеперегонные предприятия. Сравнительные данные распространения рака легких среди жителей различных населенных мест показали, что это заболевание чаще поражает лиц, длительно проживающих в промышленных городах, воздушный бассейн которых характеризуется содержанием больших количеств атмосферных загрязнений.

Наконец, пыль и дым в воздушном бассейне населенных мест снижают прозрачность атмосферы, обусловливая уменьшение общей освещенности и, что особенно важно, вызывают значительное ослабление интенсивности ультрафиолетовой части солнечной радиации. Измерения освещенности рассеянным светом в промышленном районе Москвы и на расстоянии 8-10 км от центра установили, что в пределах города освещенность на 40-50% ниже. По сравнению с окрестностями напряженность солнечной радиации в Париже ниже на 25-30%, в Балтиморе - на 50%, а в Берлине - на 67%.