Кремний вводят в сталь для

Обновлено: 18.05.2024

Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Wo, V, А1, В, Ti и др.), а также Мn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.

Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15. 20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых сталей.

Влияние примесей

Постоянные (технологические) примеси являются обязательными компонентами сталей и сплавов, что объясняется трудностью их удаления как при выплавке (Р,S). Так и в процессе раскисления (Si, Mn) или из шихты - легированного металлического лома (Ni, Cr и др.).

К постоянным примесям относят углерод, марганец, кремний, серу, фосфор, а также кислород, водород и азот.

Углерод

При увеличении содержания углерода до 1,2% возрастают прочность, твердость, порог хладноломкости (0,1%С повышает температуру порога хладноломкости на 20С), предел текучести, величина электрического сопротивления и коэрцитивная сила. При этом снижаются плотность, теплопроводность, вязкость, пластичность, величины относительных удлинения и сужения, а также величина остаточной индукции.

Существенную роль играет то, что изменение физических свойств приводит к ухудшению целого ряда технологических характеристик - таких, как деформируемость при штамповке, свариваемость и др. Так, хорошей свариваемостью отличаются низкоуглеродистые стали. Сварка средне и особенно высокоуглеродистых сталей требует применения подогрева, замедляющего охлаждение, и других технологических операций, предупреждающих образование трещин.

Марганец

Марганец вводят в стали как технологическую добавку для повышения степени их раскисления и устранения вредного влияния серы. Марганец считается технологической примесью, если его содержание, не превышает 0,8%. Марганец как технологическая примесь существенного влияния на свойства стали не оказывает.

Кремний

Кремний также вводят в сталь для раскисления. Содержание кремния как технологической примеси обычно не превышает 0,37%. Кремний как технологическая примесь влияния на свойства стали не оказывает. В сталях, предназначенных для сварных конструкций, содержание кремния не должно превышать 0,12-0,25%.

Сера

Пределы содержания серы как технологической примеси составляют 0,035-0,06%. Повышение содержания серы существенно снижает механические и физико-химические свойства сталей, в частности, пластичность, ударную вязкость, сопротивление истиранию и коррозионную стойкость. При горячем деформировании сталей и сплавов большое содержание серы ведет к красноломкости. Кроме того, повышенное содержание серы снижает свариваемость готовых изделий.

Фосфор

Пределы содержания фосфора как технологической примеси составляют 0,025-0,045%. Фосфор, как и сера, относится наиболее вредным примесям в сталях и сплавах. Увеличение его содержания, даже на доли процента, повышая прочность, одновременно повышает текучесть, хрупкость и порог хладноломкости и снижает пластичность и вязкость. Вредное влияние фосфора особенно сильно сказывается при повышенном содержании углерода.

Кислород и азот

Кислород и азот растворяются в ничтожно малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями (оксидами, нитридами, газовой фазой). Они оказывают отрицательное воздействие на свойства, вызывая повышение хрупкости и порога хладноломкости, а также снижают вязкость и выносливость. При содержании кислорода более 0,03% происходит старение стали, а более 0,1% - красноломкости. Азот увеличивает прочность и твердость стали, но снижает пластичность. Повышенное количество азота вызывает деформационное старение. Старение медленно развивается при комнатной температуре и ускоряется при нагреве до 250oС.

Водород

Увеличение его содержания в сталях и сплавах приводит к увеличению хрупкости. Кроме того, в изделиях проката могут возникнуть флокены, которые развивает водород, выделяющийся в поры. Флокены инициируют процесс разрушения. Металл, имеющий флокены, нельзя использовать в промышленности.

Влияние легирующих элементов

Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15-20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых.

Все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости.

Классификация

По применимости для легирования можно выделить три группы элементов. Применимость для легирования различных элементов определяется не столько физическими, сколько, в основном, экономическими соображениями.

Mn,Si,Cr,B;
Ni,Mo;
V, Ti, Nb, W, Zr и др.

Легирующие элементы по механизму их воздействия на свойства сталей и сплавов можно разделить на три группы:

влияние на полиморфные (альфа-Fe -> гамма-Fe) превращения;
образование с углеродом карбидов (Сг,Fе)₇С₃; (Сг,Ре)₂₃С₆; Мо₂С и др.;
образование интерметаллидов (интерметаллических соединений) с железом - Fе₇Мо₆; Fe₃Nb и др.

По характеру влияния на полиморфные превращения легирующие элементы можно разделить на две группы:

элементы (Cr, W, Mo, V, Si, Al и др.), достаточное содержание которых обеспечивает существование в сталях при всех температурах легированного феррита (ферритные ставы);
элементы (Ni, Mn и др.), стабилизирующие при достаточной концентрации легированный аустенит при всех температурах (аустенитные сплавы). Сплавы, только частично претерпевающие превращение гамма->альфа, называются, соответственно, полуаустенитными или полуферритными.

Легирование феррита сопровождается его упрочнением. Наиболее значительно влияют на его прочность марганец и хром. Причем чем мельче зерно феррита, тем выше его прочность.
Многие легирующие элементы способствуют измельчению зерен феррита и перлита в стали, что значительно увеличивает вязкость стали. Однако все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости. Никель понижает порог хладноломкости.
Легированный аустенит парамагнитен, обладает большим коэффициентом теплового расширения. Легирующие элементы, в том числе азот и углерод, растворимость которого в аустените при нормальной температуре достигает 1%, повышают его прочность при нормальной и высокой температурах, уменьшают предел текучести.
Легированный аустенит является основной составляющей многих коррозионностойких, жаропрочных и немагнитных сплавов. Он легко наклепывается, то есть быстро и сильно упрочняется под действием холодной деформации.
Легирующие элементы (исключение кобальт), повышая устойчивость аустенита, снижают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость. Для многих аустенитных сплавов критическая скорость закалки снижается до 20°С/с и ниже, что имеет большое практическое значение.
Карбидообразующие элементы: Fe - Mn - Cr - Mo - W - Nb - V - Zr - Ti (за исключением марганца) препятствуют росту зерна аустенита при нагреве. Сталь, легированная этими элементами, при одинаковой температуре сохраняет более высокую дисперсность карбидных частиц, и соответственно большую прочность.
Интерметаллиды образуются при высоком содержании легирующих элементов между этими элементами или с железом. Примером таких соединений могут служить Fe₇Mo₆, Fe₃Nb₂ и др. Интерметаллиды, как правило, отличают повышенные твердость и хрупкость.

В следующей таблице показано влияние наиболее применяемых легирующих элементов на свойства стали.

Легирующие элементы и примеси в сталях: краткий справочник

Характеристики углеродистых сталей далеко не всегда соответствуют требованиям, которые предъявляют к материалам различные отрасли промышленности. Чтобы откорректировать их свойства, используют легирование.

Чем отличаются легирующие элементы от примесей

В углеродистых сталях, помимо основных элементов – железа и углерода, есть и другие: марганец, сера, фосфор, кремний, водород и прочие. Их считают примесями и делят на несколько групп:

К постоянным относят серу, фосфор, марганец и кремний. Они всегда содержатся в стали в небольших количествах, попадая в нее из чугуна или используясь в качестве раскислителей.
К скрытым относят водород, кислород и азот. Они тоже присутствуют в любой стали, попадая в нее при выплавке.
К случайным относят медь, мышьяк, свинец, цинк, олово и прочие элементы. Они попадают в сталь из шихтовых материалов и считаются особенностью руды.

Для каждой из перечисленных примесей характерно определенное процентное содержание. Так, марганца в стали, как правило, не более 0,8 %, кремния – не более 0,4 %, фосфора – не более 0,025 %, серы – не более 0,05 %. Если обычного содержания некоторых элементов недостаточно, для получения сталей с нужными свойствами в них дополнительно вносят в определенных количествах специальные примеси, которые называют легирующими добавками.

Химический состав стали, формируемый в процессе выплавки, напрямую влияет на ее механические свойства

Как примеси влияют на свойства сталей

Примеси оказывают разное влияние на характеристики сталей:

Углерод (С) повышает твердость, прочность и упругость сталей, но снижает их пластичность.
Кремний (Si) при содержании в стали до 0,4 % и марганец при содержании до 0,8 % не оказывают заметного влияния на свойства.
Фосфор (P) увеличивает прочность и коррозионную стойкость сталей, но снижает их пластичность и вязкость.
Сера (S) повышает хрупкость сталей при высоких температурах, снижает их прочность, пластичность, свариваемость и коррозионную стойкость.
Азот (N₂) и кислород (O₂) уменьшают вязкость и пластичность сталей.
Водород (H₂) повышает хрупкость сталей.

Как легирующие элементы влияют на свойства сталей

Легирующие добавки вводят в стали для изменения их характеристик:

Хром (Cr) повышает твердость, прочность, ударную вязкость, коррозионную стойкость, электросопротивление сталей, одновременно уменьшая их коэффициент линейного расширения и пластичность.
Никель (Ni) увеличивает пластичность, вязкость, коррозионную стойкость и ударную прочность сталей.
Вольфрам (W) повышает твердость и прокаливаемость сталей.
Молибден (Mo) увеличивает упругость, коррозионную стойкость, сопротивляемость сталей растягивающим нагрузкам и улучшает их прокаливаемость.
Ванадий (V) повышает прочность, твердость и плотность сталей.
Кремний (Si) увеличивает прочность, упругость, электросопротивление, жаростойкость и твердость сталей.
Марганец (Mn) повышает твердость, износоустойчивость, ударную прочность и прокаливаемость сталей.
Кобальт (Co) увеличивает ударную прочность, жаропрочность и улучшает магнитные свойства сталей.
Алюминий (Al) повышает жаростойкость и стойкость сталей к образованию окалины.
Титан (Ti) увеличивает прочность, коррозионную стойкость и улучшает обрабатываемость сталей.
Ниобий (Nb) повышает коррозионную стойкость и устойчивость сталей к воздействию кислот.
Медь (Cu) увеличивает коррозионную стойкость и пластичность сталей.
Церий (Ce) повышает пластичность и прочность сталей.
Неодим (Nd), цезий (Cs) и лантан (La) снижают пористость сталей и улучшают качество поверхности.

Виды легированных сталей

В зависимости от содержания легирующих элементов, стали делят на три вида:

Если легирующих элементов менее 2,5 %, стали относят к низколегированным.
При их содержании от 2,5 до 10 % стали считаются среднелегированными.
Если легирующих элементов более 10 %, стали относят к высоколегированным.

Заключение

Примеси неизбежно присутствуют в сталях, но ряд из них являются вредными (к ним относятся скрытые примеси), поэтому их содержание стараются минимизировать. Легирующие элементы добавляют в стали целенаправленно для улучшения их свойств или получения специфических характеристик.

Как химический состав сталей влияет на их механические свойства?

На сегодняшний день сталеплавильные заводы могут выплавлять сотни марок сталей. Есть четыре основных параметра для их классификации:

По назначению стали могут быть конструкционными, инструментальными или специальными. Первые используют для изготовления деталей машин или элементов строительных конструкций; инструментальные оптимальны для изготовления мерительного, режущего или штампового инструмента; специальные востребованы для получения жаропрочных, коррозионностойких и прочих изделий с особыми характеристиками.
По качеству различают стали обыкновенные, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Чем выше качество, тем меньше в стали вредных примесей, ухудшающих ее свойства.
По степени раскисления стали бывают кипящими, полуспокойными и спокойными. Такое деление тоже связано с количеством вредных примесей. В первую очередь – кислорода.
По химическому составу различают углеродистые и легированные стали. У первых механические свойства напрямую зависят от количества содержащегося в них углерода, у вторых – от наличия и содержания легирующих элементов.

Характеристики сталей формируются в процессе их выплавки

Какие элементы могут входить в состав сталей

Элементы, которые входят в состав сталей, можно разбить на три группы:

К первой относятся основные элементы, которые обязательно присутствуют во всех сталях: железо и углерод.
Ко второй – примеси. Их в свою очередь можно разделить еще на три группы:

Фосфор, сера, кремний и марганец по-разному влияют на свойства сталей, но всегда есть в небольших количествах, поэтому их относят к постоянным.
Кислород, водород и азот тоже есть во всех сталях, но все они нежелательны и отрицательно влияют на свойства. Их относят к скрытым.
Мышьяк, медь, цинк, свинец, олово и ряд других элементов встречаются не в каждой марке стали. Их присутствие – особенность месторождений, где добывают руду. Такие примеси считают случайными.

К третьей группе относят легирующие элементы: хром, ванадий, молибден, вольфрам и прочие. Их целенаправленно добавляют в стали для получения нужных свойств.

Как различные химические элементы влияют на свойства сталей

Химические элементы по-разному влияют на механические свойства сталей:

Основные элементы:

Углерод (С) оказывает прямое влияние на способность стали сопротивляться деформации. При увеличении его содержания возрастают твердость, прочность и упругость, но одновременно снижаются свариваемость, обрабатываемость и вязкость.

Примеси:

Фосфор (Р) оказывает положительное влияние на коррозионную стойкость, обрабатываемость и прочность сталей, но ухудшает их вязкость, пластичность и повышает хрупкость при низких температурах.
Сера (S) улучшает обрабатываемость сталей резанием, но повышает их хрупкость при высоких температурах, снижает коррозионную стойкость, пластичность, истираемость, свариваемость и сопротивление усталости.
Кремний (Si) способствует повышению прочности, упругости, окалиностойкости, кислотостойкости, твердости и электросопротивления, но при содержании более 2 % делает их хрупкими при высоких температурах.
Кислород (О₂) снижает вязкость и пластичность сталей.
Марганец (Mn) считается полезной примесью: он нейтрализует вредное влияние на свойства сталей серы и кислорода. Кроме того, этот элемент повышает прочность, твердость, износоустойчивость и стойкость к ударным нагрузкам.
Водород (Н₂) увеличивает хрупкость сталей.
Азот (N₂) оказывает такое же вредное влияние на свойства сталей, как и кислород: снижает их вязкость и пластичность.
Медь (Cu) улучшает пластичность и коррозионную стойкость.
Свинец (Pb) улучшает обрабатываемость.
Цинк (Zn) повышает коррозионную стойкость сталей.
Олово (Sn) снижает пластичность и повышает хрупкость сталей.
Мышьяк повышает коррозионную стойкость, но незначительно снижает их пластичность.

Прочность и долговечность зависят от механических свойств металлопроката, которые задаются химическим составом сталей

Легирующие элементы:

Хром (Cr) увеличивает твердость, коррозионную стойкость, ударную вязкость, истираемость, жаростойкость, улучшает режущие свойства сталей, но одновременно ухудшает их теплопроводность и пластичность.
Ванадий (V) способствует росту прочности и твердости, улучшению их свариваемости.
Молибден (Мо) улучшает антикоррозионные свойства сталей, их прочность, твердость, устойчивость к ударным нагрузкам, упругость, окалиностойкость, но ухудшает свариваемость.
Вольфрам (W) увеличивает твердость, сопротивление истираемости, антикоррозионные свойства, но, как и молибден или ванадий, ухудшает свариваемость.
Ниобий (Nb) положительно влияет на коррозионную стойкость и кислотостойкость сталей.
(Ti) увеличивает пластичность, прочность, антикоррозионные свойства сталей, улучшает их обрабатываемость.
Никель (Ni) способствует увеличению упругости, прочности, коррозионной стойкости, улучшает ковкость сталей, но снижает их теплопроводность.
Кобальт (Co) положительно влияет на показатели жаропрочности, их сопротивляемость ударным нагрузкам и магнитные свойства.
Алюминий (Al) считается хорошим раскислителем. Он способствует повышению прочности, твердости, окалиностойкости и жаростойкости сталей.
Церий (Се) положительно влияет на показатели пластичности и прочности.
Неодим (Nd) уменьшает количество серы в сталях и снижает ее вредное влияние на свойства, уменьшает пористость, улучшает качество поверхности. Аналогичное влияние на характеристики сталей оказывают лантан (La) и цезий (Cs).

Химические элементы могут ухудшать или улучшать отдельные характеристики сталей. Часть из них неизбежно оказывается в их составе, другие добавляют целенаправленно. От правильно подобранного баланса и зависят конечные свойства сталей.

Раскисление, дегазация и легирование 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.

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/мм 2 , предел прочности— на 6,5 кг/мм 2 , 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

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/мм 2 ). 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%.

Читайте также: