Сталь с высоким содержанием кремния

Обновлено: 01.05.2024

Содержание в сталях 09Г2С и 10Г2С1 углерода и марганца практически одинаково, а содержание Кремния различно: в стали 10Г2С1 его содержание находится на верхнем пределе марочного состава.

Это позволило наиболее отчетливо проследить влияние кремния на склонность к хрупкому разрушению кремнемарганцовистой стали с низким содержанием углерода.

Ударная вязкость стали 09Г2С находится на достаточно высоком уровне. Для стали 10Г2С1 были получены более низкие результаты. После механического старения ударная вязкость и другие характеристики этих сталей снижаются во всем исследованном температурном интервале. Сталь 10Г2С1 оказалась чувствительнее стали 09Г2С к механическому старению.

Склонность сталей и сварных соединений к хрупкому разрушению при статическом нагружении исследовали растяжением при отрицательных температурах надрезанных Образцов шириной 140 мм. С понижением температуры испытания разрушающее напряжение приближается к пределу текучести стали. Эта тенденция наиболее отчетливо проявляется устали с повышенным содержанием кремния — 10Г2С1.

Установленное при сериальных испытаниях на ударный изгиб различие в склонности к хрупкому разрушению сталей 09Г2С и 10Г2С1 проявилось также и при испытании на статическое растяжение образцов с надрезами и гладких образцов.

Хрупкое разрушение сварных соединений воспроизводили на образцах Шеверницкого. Пластины вырезали из листов толщиной 20 мм. Концентраторами напряжений, необходимыми для получения хрупкого разрушения, являются окончания фланговых швов приваренных накладок. Такие концентраторы, в отличие от надрезов, не ослабляют сечение образцов. С понижением температуры вязкое разрушение сменяется хрупким, которое возникает у фланговых швов и протекает почти без пластической деформации. Относительное сужение при этом резко снижается. Количественным критерием склонности стали к хрупкому разрушению в сварном соединении служит температура перехода. Поэтому по аналогии с оценкой результатов сериальных испытаний на ударный изгиб определили границы интервала переходных температур.

Для стали 09Г2С нижней границей этого интервала является температура -50° С, а для стали 10Г2С1 -20° С. Таким образом, сварные образцы из стали 09Г2С хорошо сопротивляются хрупкому разрушению при статической нагрузке, а из стали 10Г2С1 обладают повышенной склонностью к хрупкому разрушению.

Низкая ударная вязкость стали 10Г2С1 объясняется повышенным содержанием кремния в исследованных плавках. Для подтверждения этого было проведено дополнительное исследование листов толщиной 20 мм из этой стали с различным содержанием кремния, которое изменяли от 0,95 до 1,13%. Полученные результаты подтвердили вывод об отрицательном влиянии повышенного содержания кремния в стали 10Г2С1 на ее ударную вязкость. Высокая ударная вязкость была установлена только при содержании в стали около 1,0% Si. Для стали с более высоким содержанием кремния, как и раньше, были получены неудовлетворительные результаты. Аналогичные результаты были получены при определении границ критического интервала хрупкости и условных порогов хладноломкости.

На основании проведенных исследований основной сталью для производства проката повышенной прочности, используемого в строительных конструкциях, была признана сталь 09Г2С. Прокат из этой стали вошел в утвержденный Госстроем «Сокращенный сортамент металлопроката для применения в строительных сварных конструкциях» как прокат с пределом текучести 325—345 Н/мм 2 . Предпочтение, отданное этой стали, объясняется принятыми для нее более высокими по сравнению с другими марганцовистыми и кремнемарганцовистыми сталями нормативными и расчетными сопротивлениями, удовлетворительными показателями пластичности, хладостойкости и свариваемости.

Однако большие объемы производства и поставок стали 09Г2С по ГОСТ 19281 показали, что доля кондиционного металла по прочностным характеристикам составляет 70-90 %. Это потребовало проведения статистической обработки большого массива экспериментальных данных. Результаты этой обработки были положены в основу создания стали 12Г2С, уверенно обеспечивающей нормы прочностных характеристик проката, поставляемого по двум группам прочности с пределами текучести 325-345 Н/мм 2 и 355-375 Н/мм 2 . Сталь 12Г2С была введена в ГОСТ 27772.

Ниже приведены результаты изучения свойств в основном горячекатаного проката и сварных соединений стали 12Г2С. Материал исследования: лист толщиной 9-50 мм и фасонный прокат с толщиной полок 4-20 мм. Исследовали плавки с содержанием углерода, марганца и кремния близким к среднему и верхнему уровням химического состава. Предполагали, что такое содержание элементов в стали позволит получить прокат из-нее с пределом текучести не менее 355-375 Н/мм 2 . Практически весь прокат удовлетворял требованиям ГОСТ 27772.

О хладостойкости проката из стали 12Г2С судили по результатам испытаний на ударный изгиб, которые проводили на образцах с U- и F-образными надрезами при температурах от +20° С до —70° С.

Было установлено, что в горячекатаном прокате из стали 12Г2С обеспечиваются гарантии по ударной вязкости при температуре -40° С; гарантии при —70° С, как и у стали 09Г2С, надежно обеспечиваются, лишь после специальных мероприятий: микролегирования, нормализации, термического улучшения и некоторых других видов термической обработки.

Исследованные партии проката из стали 09Г2С и 12Г2С имели высокую ударную вязкость при нормальной температуре после деформационного старения по стандартным режимам, т. е. эти стали практически всегда обеспечивают требования по ударной вязкости после механического старения.

Как показали специально выполненные исследования на сутунке толщиной 20 мм, металлографическим признаком гарантий KCU -40 ≥34 Дж/см 2 стали 12Г2С при содержании легирующих элементов на верхнем уровне является размер зерна не более 30 мкм при полосчатости перлита не выше балла 3. Невыполнение требований по ударной вязкости для проката толщиной 10 мм и выше обычно связано с серьезными нарушениями технологии, прежде всего с завышенными температурами конца прокатки, после чего в прокате появляются промежуточные структуры, охрупчивающие материал. В прокате толщиной менее 10 мм KCU -40 более 39 Дж/см 2 может быть и при наличии промежуточных структур, как показывают результаты испытаний швеллера производства Белорусского метзавода. После нормализации стали с такими структурами нетрудно получить КСu -40 не менее 34 Дж/см 2 , а при термическом улучшении KCU -70 не менее 29 Дж/см 2 . В последнем случае в прокате формируется высокодисперсная феррито-карбидная смесь с глобулированным цементитом.

Неметаллические включения и вредные примеси влияют на сталь 12Г2С так же, как и на сталь 09Г2С. Снижение содержания серы в стали 12Г2С до 0,015% не приводит к повышению ударной вязкости, если в прокате имеются структуры промежуточного типа. Говорить о целесообразности повышения чистоты стали 12Г2С имеет смысл лишь при наличии в про кате достаточно измельченной и равномерной микроструктуры (с диаметром зерна не более 15 мкм). В последнем случае повышение чистоты металла обеспечивает ряд важнейших свойств проката, в первую очередь высокие свойства проката по толщине (z-свойства). Так, после нормализации листов толщиной 20—40 мм из стали 12Г2С с содержанием серы 0,012% относительное сужение Ψ_z было не ниже 15%. Наблюдаемый уровень z-свойств в прокате из стали 12Г2С такой же, как и в прокате из стали 09Г2С. Зависимость этого уровня от содержания в стали кремния (в пределах марочного состава) обнаружить не удалось.

Проведенное исследование свариваемости проката из стали 12Г2С с содержанием химических элементов на верхнем уровне марочного состава позволило оценить допустимость повышения массовой доли углерода на 0,03 % в ней по сравнению со сталью марки 09Г2С. Влияние термического цикла сварки на свойства проката изучали на пластинах размером 300 х 215, толщиной 20 и 14 мм с наплавками. Наплавки выполняли автоматической сваркой под флюсом АН-348А проволокой 08ГА диам. 4 мм на трех режимах тепловложения q/v, кДж/см: 6,3; 18,9; 35,7. Скорость охлаждения и выбранные тепловложения соответствовали сварке с катетами швов соответственно 4-5 мм; 7-8 мм и 10-12 мм. Оценивали изменение микроструктуры в зоне сварного шва, изменение твердости по Виккерсу, ударную вязкость в зоне термического влияния сварки.

Наибольшие значения твердости металла в околошовной зоне наблюдаются при минимальных тепловложениях. Даже в наиболее неблагоприятном случае из рассмотренных распределений твердости разница между основным металлом и ЗТВ незначительна — менее НУ 150. Наблюдаемые максимальные значения твердости (НУ 300) гарантируют от возникновения холодных трещин в сварных соединениях. Исследования показали, что зависимость твердости от тепловложения носит естественный, характер: с повышением тепловложения HV металла околошовной зоны снижается.

Склонность к хрупкому разрушению металла ЗТВ сварки оценивали при испытаниях на ударный изгиб. Образцы, надрез в которых располагается параллельно плоскости проката, вырезали из наиболее хрупких участков ЗТВ: граничной зоны между литым металлом и участком крупного зерна (граница сплавления), а также участка неполной перекристаллизации. Ударная вязкость металла ЗТВ достаточно велика и понижается одновременно с понижением тепловложений, т. е. с увеличением скорости охлаждения.

Снижение ударной вязкости при малых тепловложениях на участке неполной перекристаллизации обусловлено увеличением содержания второй фазы, а на границе сплавления — формированием на участке перегрева структуры мартенсита отпуска вместо структур верхнего бейнита или игольчатого феррита.

В целом металл ЗТВ стали 12Г2С имеет высокое сопротивление хрупким разрушениям. В то же время при сварке проката толщиной около 20 мм швом С катетом 4-5 мм могут возникнуть определенные трудности, как и в стали марки 09Г2С, для которой при данной толщине проката сварка швами с малыми катетами не рекомендуется. В этом случае сталь 12Г2С является полным аналогом стали 09Г2С.

Стойкость сварных соединений против хрупких разрушений оценивали при испытании крупных образцов Кинцеля натурных толщин в интервале температур от -70 до +20° С. При испытании таких образцов действуют все основные факторы, способствующие охрупчиванию соединения: острый надрез, остаточные растягивающие напряжения под наплавленным валиком, неблагоприятные влияния сварочных циклов на структуру, масштабный фактор, отрицательная температура. Основным критерием оценки хрупкости при этих испытаниях является критическая температура Ту, при которой относительное сужение образца у дна надреза Ψ ≥ 1 %, т. е. температура нулевой пластичности. Кроме того, определяли температуру перехода в хрупкое состояние по условиям: разрушающее напряжение σ_p < σ_T, Т_кр 50 и т.п. Прочность при хрупком разрушении сварных соединений из стали 12Г2С достаточно высока и не уступает стали 09Г2С.

Резюмируя полученные результаты, можно констатировать, что из стали 12Г2С можно изготавливать прокат классов прочности С 345 и С 375. Можно специально отметить, что рассматриваемая сталь сваривается достаточно хорошо. Полученные результаты послужили основанием для включения в ГОСТ 27772-88 сталей С 345 и С 375, соответствующих стали 12Г2С.

Таким образом, представляется рациональным следующий химический состав крем немарганцовистых сталей: 0,15 % С, 1,5 % Mn, 0,8% Si, т.е.; Mn : Si = 2 : 1.

Аналогичные зарубежные стали поставляются по европейскому стандарту DIN EN 10025 (немецкая редакция EN 10025). Для проката толщиной до 40 мм применяется сталь с пределом текучести 345-355 Н/мм 2 в зависимости от толщины: при толщине 16 мм и менее σ_T = 355 Н/мм 2 ; более 16 мм и до 40 мм сгт = 345 Н/мм 2 — глубоко раскисленная (по отечественной терминологии — микролегированная), обозначаемая S 355. Сталь S355 практически является аналогом стали 17Г1С по ГОСТ 19281-89. Несколько большее допустимое содержание углерода в зарубежных сталях для строительных конструкций, по-видимому, объясняется более качественными сварочными материалами, применяемыми в передовых странах. Очевидно в зарубежных сталях этого типа содержание углерода не имеет столь большого значения, как в отечественных, так в сталях S355 в прокате толщиной свыше 40 мм допускаемое содержание углерода составляет 0,24%, что в отечественных сталях в подавляющем большинстве исключено.

Кремнемарганцовистые стали

Стали рассматриваемого типа можно условно разделить на две группы: стали с низким содержанием углерода, высоким содержанием кремния и марганца, и стали, содержание углерода в которых достигает 0,1$-0,20%, но с более низким содержанием кремния, иногда и марганца.

Сталь 10Г2С1. Эта сталь, разработанная в начале 50-х гг., как и сталь 09Г2, для уменьшения закаливаемости и склонности к образованию трещин при сварке, а также для понижения порога хладноломкости содержит не более 0,12% С. В первоначальном варианте состава этой стали предусматривалось наличие 0,15-0,30% Сu, роль которой, главным образом, заключалась в повышении коррозионной стойкости и до некоторой степени прочности. Сталь 10Г2С1 раскисляют и легируют по той же технологии, что и сталь 09Г2. На некоторых заводах сталь предварительно раскисляют в печи силикомарганцем (из расчета ввода в печь примерно 0,2 % Si). Проведенными на некоторых металлургических комбинатах экспериментами была установлена рациональность уменьшения количества вводимого в печь ферромарганца при раскислении сталей 10Г2С1, 09Г2 и 09Г2С с 7-8 до 3-4 кг/т.

Окончательное раскисление металла в ковше осуществляют добавкой 0,8 кг/т Аl и 0,04% Ti (без учета угара). Оптимальная температура конца прокатки листовой стали 10Г2С1 составляет 800-900° С. Нормализация листов при 890-930° С приводит к повышению характеристик прочности и ударной вязкости.

При исключении из состава стали меди для сохранения прочности на прежнем уровне содержание кремния было повышено на 0,1 %. Однако для наиболее ответственных назначений, например для судостроения, соответствующими техническими условиями предусматривалось обязательное наличие меди.

Анализ распределения механических свойств стали 10Г2С1 по результатам сдаточных испытаний листов массового производства разных заводов показывает, что с повышением толщины проката прочность и пластичность падают. Отдельные заводы для повышения механических свойств, в первую очередь пластичности и вязкости, часто прибегают к термической обработке, в основном к нормализации, а иногда и к улучшению. В первую очередь это относится к листам большой толщины.

Были исследованы стали 09Г2С и 10Г2С1 с медью и без нее.

С увеличением толщины листа характеристики прочности снижаются. На характеристики пластичности изменение толщины (в исследованных пределах) повлияло незначительно при общем высоком их уровне. По уровню прочности сталь марки 09Г2С несколько уступает стали 10Г2С1, а по ударной вязкости несколько превосходит ее. Были определены температурные границы критического интервала хрупкости и условные пороги хладноломкости. Температура условных порогов хладноломкости определялась по следующим критериям:

1 — ударная вязкость снижалась до 15 % своего максимального значения
при вязком разрушении; 2—сужение у дна надреза снижалось до 20% своего максимального
значения при вязком разрушении; 3 — ударная вязкость отдельных образцов впервые снижалась до 20 Дж/см 2 .

Верхнюю границу критического интервала хрупкости определяли как минимальную температуру, при которой излом всех образцов был полностью волокнистый (В = 100 %), а нижнюю — как температуру, при которой поверхность излома впервые была полностью хрупкой (В = 0 %).

По сопротивлению хрупкому разрушению сталь марки 09Г2С превосходит сталь марки 10Г2С1.

Для исследованных сталей критические температуры хрупкости при толщине листа от 12 до 40 мм оказались практически одинаковыми. Основной причиной более низкой ударной вязкости и более высокого температурного порога хрупкости стали 10Г2С1, по сравнению со сталью 09Г2С, является более высокое содержание кремния в первой из этих сталей. Это подтверждено исследованием стали 10Г2С1 с содержанием кремния 0,95-1,0 ц 1,10-1,13% (толщина листа 20 мм). Устали с более высоким содержанием кремния ударная вязкость значительно ниже.

На основании исследований, признано целесообразным ограничить в стали 10Г2С1, предназначенной для сварных строительных конструкций, содержание кремния до 1 %. Исследование чувствительности стали 10Г2С1 и 09Г2С к деформационному старению (наклеп растяжением 10 % + нагрев 250° С, 1 ч) показало, что под действием старения границы критического интервала хрупкости стали 09Г2С сдвигаются в сторону более высоких температур на 20-30° С (в среднем на 24° С), ударная вязкость при вязком разрушении падает на 17,6-35,7 %. Сопротивление пластической деформации возрастает при этом на 40-50 Н/мм 2 . Аналогичные изменения для стали 10Г2С1 имеют несколько большие значения: 20-57° С (в среднем 38° С), 29-42,5% и 2,5-4,7 Н/мм 2 . Таким образом, сталь 10Г2С1, по сравнению со сталью 09Г2С, более чувствительна к деформационному старению. Особенно это относится к стали 10Г2С1 с содержанием кремния более 1,05%: минимал! ная ударная вязкость проката толщиной 12—40 мм после де-формацис нного старения составила 20-25 Дж/см 2 .

Исследованные стали обеих марок удовлетворительно сопротивляются хрупкому разрушению при статическом приложении нагрузки. Однако температура перехода к хрупкому разрушению больших плоских надрезанных образцов из листов стали 09Г2С составила от 0 до -10° С, а образцов стали 10Г2С1 не ниже +20° С.

Сварку сталей 10Г2С1 и 09Г2С в диапазоне тепловложений, соответствующих скорости охлаждения металла шва 2-60° С/с (при 600° С), можно производить без каких-либо ограничений на режимах, обычно применяемых для сварки малоуглеродистой стали, не опасаясь понижения свойств в околошовной зоне. Для получения сварных соединений сталей марок 10Г2С1 и 09Г2С, равнопрочных исходному металлу, автоматическую сварку под флюсом марок АН348А или ОСЦ-45 следует производить с применением проволоки Св08ГА, а ручную — с применением электродов УОНИ13/55.

Стадь 10Г2С1 с содержанием более 1,1 % Si отличается повышенной склонностью к хрупкому разрушению в сварных соединениях при статическом растяжении. Предел выносливости сварных соединений стали марки 10т 2С1 на 5 % и марки 09Г2С на 16 % выше пределов выносливости сварных соединений из стали Ст_Зсп.

Достаточно высокие свойства стали 10Г2С1 с медью (10Г2С1Д) позволили рекомендовать ее в качестве свариваемой корпусной стали для судостроения. При этом в стали 10Г2С1Д, по сравнению со сталью 10Г2С1, содержание кремния было снижено на 0,1 % и установлено гарантированное содержание меди 0,15-0,30%.

Режим термической обработки листов большого сечения заключается в закалке с 920-960° С в воду, отпуске при 650-670° С и охлаждении в воде.

Весьма важным фактором при сравнительной оценке низколегированных сталей является относительная их коррозионная стойкость в различных коррозионных средах в зависимости от условий эксплуатации. Детальные исследования коррозионной стойкости низколегированной стали отдельных марок представлены в работе. Испытаниям в течение трех лет подвергали стали марок 09Г2С, 10Г2С1Д и 15ГС. Полученные результаты сравнивали с результатами аналогичных испытаний сталей 15ХСНД и Ст_Зкп.

Многочисленными исследованиями установлено, что у низколегированных сталей в атмосферных условиях в первые 1,5-2 года наблюдается более интенсивное развитие коррозии, после чего устанавливается практически постоянная скорость, в то время как скорость коррозии углеродистой стали продолжает увеличиваться. На поверхности низколегированных сталей образуются плотные мелкокристаллические слои оксидов железа, которые до некоторой степени и защищают металл от дальнейшего развития коррозии.

Если принять стойкость против атмосферной коррозии исследованной стали Ст_Зкп за единицу, то относительная стойкость горячекатаной стали 09Г2С будет 1,8, а нормализованной — 1,7, стали 15ГС нормализованной — 1,25 и нормализованных марки 10Г2С1Д — 1,44 и стали 15ХСНД — 2,05. С уменьшением продолжительности испытаний разница в относительной стойкости стали разных марок уменьшается. Основным фактором, обеспечивающим более высокую коррозионную стойкость исследованных сталей 09Г2СД и 10Г2С1Д, является наличие в них меди. Наличие в стали 15ХСНД, наряду с медью, никеля и хрома обусловило дальнейшее повышение коррозионной стойкости.

Сталь 10Г2С1Д нашла широкое применение в судостроении, котло-строении, для железнодорожных цистерн, электросварных газопроводных труб диам. 530 мм и др.

Сталь 09Г2С (09Г2Т, 09Г2ДТ). Эта сталь близка к стали 10Г2С1, но содержит меньше кремния. Так же, как и сталь 10Г2С1, ее вначале выпускали с обязательным содержанием меди, затем содержание меди стало необязательным.

Сталь 09Г2С используется в строительных конструкциях, судостроении в качестве корпусной стали, мостостроении, для изготовления аппаратов и сосудов. Предусмотрена возможность изготовления из этой стали проката толщиной до 160 мм.

Раскисление стали 09Г2С производят так же, как и стали 10Г2С1. Возможны поставки этой стали (по требованию заказчика) в термически улучшенном состоянии. В этом случае гарантируется при —70° С минимальная ударная вязкость не менее 30 Дж/см 2 .

Исследование толстых листов из стали 09Г2СД (09Г2С с медью) в различных состояниях показало, что термическая обработка оказывает сравнительно небольшое влияние на уровень их механических свойств.

Увеличение толщины горячекатаных листов с 90 до 160 мм и после отпуска сравнительно мало снижает ударную вязкость и заметно повышает температурный порог хладноломкости. Высокий отпуск практически не изменяет ударную вязкость горячекатаных листов и понижает ее для нормализованных. Таким образом, листы стали 09Г2С большой толщины рекомендуется применять в нормализованном состоянии. Исследования показали, что сталь 09Г2С в горячекатаном и нормализованном состояниях в больших толщинах чувствительна к деформационному старению. Только у нормализованных или нормализованных и отпущенных листов толщиной 160 мм обеспечивается после деформационного старения ударная вязкость не менее 30 Дж/см 2 .

Детальное исследование свариваемости стали 09Г2С и свойств сварных соединений позволило уточнить режимы сварки и показать, что сталь 09Г2С может свариваться разнообразными способами с получением сварных соединений, равнопрочных основному металлу и обладающих высокой пластичностью и вязкостью.

Несмотря на дефицитность марганца, низколегированная сталь 09Г2С до настоящего времени является наиболее широко применяемой в отечественной строительной промышленности.

Стали 17ГС, 17Г1С для электросварных газо- и нефтепроводных труб большого диаметра. Газовая и нефтяная отрасли хозяйства являются наиболее металлоемкими отраслями, поэтому с экономической точки зрения для легированных сталей этого назначения необходимо использовать относительно дешевые и недефицитные легирующие элементы. Технология производства стали должна быть достаточно простой. В то же время условия эксплуатации трубопроводов (высокое рабочее давление, разнообразные и суровые климатические условия) предъявляют высокие требования к свойствам стали данного назначения.

В настоящее время в стране для изготовления электросварных труб большого диаметра используют в основном сталь марок 17ГС и 17Г1С.

Листовую сталь 17ГС для труб диам. 529-820 мм поставляют в горячекатаном состоянии, а для труб диам. 1020 и 1220 мм — в нормализованном. Сталь 17ГС выплавляют в 600-т мартеновских печах, а также в кислородных конвертерах. Как правило, раскисление металла в печи производят ферромарганцем или же ферромарганцем совместно с силикомарганцем. В ковше металл дополнительно раскисляют алюминием 0,5-0,8 кг/т и ферротитаном из расчета ввода в металл (без учета угара) 0,02-0,03 % Ti.

Прокатку листов ведут, как правило, по поперечной схеме. Режим нормализации листов следующий: 920-930° С, 1,0-1,2 мин/мм, охлаждение на спокойном воздухе или под вентилятором. Механические свойства стали 17ГС как в горячекатаном, так и в нормализованном состояниях получаются весьма высокими и стабильными.

Нормализованные листы от горячекатаных отличаются более высокой вязкостью и пластичностью при практически одинаковых характеристиках прочности. Металлографические исследования показали, что в горячекатаной стали 17ГС около половины перлита имеет пластинчатую форму. После нормализации почти весь перлит становится зернистым. Исходный размер зерна феррита оказывает влияние на зерно нормализованной стали: чем меньше исходное зерно, тем меньше и зерно в конечном состоянии.

Методом математической статистики (методом теории корреляции) по результатам сдаточных испытаний нормализованных листов стали 17ГС толщиной 12,5 мм массового производства (450 плавок) было изучено влияние пяти элементов химического состава на временное сопротивление.

Анализ результатов сдаточных испытаний нормализованной листовой стали 17ГС, а также результатов, полученных при исследовании влияния химического состава на свойства стали 17ГС, показал, что при значениях суммы (С + 0,25 % Mn) > 0,44% в стали 17ГС практически обеспечивается получение нормализованных листов с временным сопротивлением не ниже 520 Н/мм 2 и пределом текучести не ниже 360 Н/мм 2 .

Предусмотрено, что в стали 17ГС корректированного состава (обозначенной маркой 17Г1С) допускается добавка до 0,05% V. Исследовали влияние добавки 0,05% V на механические свойства нормализованных листов толщиной 11 мм из стали 17ГС. Сталь выплавляли в двухжелобной мартеновской печи; при выпуске плавки в один из ковшей добавляли феррованадий.

Высокие механические свойства листов и труб диам. 1220 мм из стали 17Г1С производства различных заводов подтверждают результаты сдаточных испытаний.

Модальные значения механических свойств листовой нормализованной стали толщиной 12,5 мм оказались следующими: предел текучести 390-400 Н/мм 2 ; временное сопротивление 540-550 Н/мм 2 ; относительное удлинение 27-30 % и ударная вязкость при —40° С (образец 10 х 10 х 55 мм) 75 Дж/см 2 .

Распределение плавок стали 17Г1С одного из заводов по химическому составу показывает, что известное количество их имело содержание углерода, марганца и кремния ниже предусмотренного техническими условиями. Это, естественно, отразилось на некотором общем снижении прочности. Металл характеризуется относительно низким содержанием серы и особенно фосфора. Преобладающая часть плавок получена с содержанием серы ниже 0,030% и фосфора менее 0,025 %.

Опыт производства газопроводных труб из стали 17Г1С подтвердил, что формуемость этой стали в процессе изготовления труб не отличается от формуемости стали 17ГС и что сварка труб из стали 17Г1С может производиться по режимам, принятым для стали 17ГС.

Уровень механических свойств (средние значения) листов из этих плавок весьма высок.

Нижняя граница критического интервала хрупкости у исследованного металла была не выше -90° С, а у стали с небольшой добавкой ванадия при +110° С. Верхняя граница этого интервала для большинства исследованных плавок соответствовала температуре —10° С, а для плавок с содержанием углерода, близким к нижнему пределу, эта температура снижалась до —40° С.

Сталь, содержащая ванадий, характеризуется относительно меньшей чувствительностью к деформационному старению, так как в этой стали азот связан в стойкие нитриды (карбонитриды) ванадия.

КРЕМНИЙ

(Silicium), Si — хим. элемент IV группы периодической системы элементов; ат. н. 14, ат. м. 28,086. Кристаллический кремний— темно-серое вещество со смолистым блеском. В большинстве соединений проявляет степени окисления — 4, +2 и +4. Природный кремний состоит из стабильных изотопов 28Si (92,28%), 29Si (4,67%) и 30Si (3,05%). Получены радиоактивные изотопы 27Si, 31Si и 32Si с периодами полураспада соответственно 4,5 сек, 2,62 ч и 700 лет. К. впервые выделен в 1811 франц. химиком и физиком Ж. Л. Гей-Люссаком и франц. химиком Л. Ж. Тенаром, но идентифицирован лишь в 1823 швед, химиком и минералогом Й. Я. Берцелиусом.

Нахождение кремния

По распространенности в земной коре (27,6%) Кремний— второй (после кислорода) элемент. Находится преим. в форме кремнезема Si02 и др. кислородсодержащих веществ (силикатов, алюмосиликатов и т. д.). При обычных условиях образуется стабильная полупроводниковая модификация К., отличающаяся гранецентрированной кубической структурой типа алмаза, с периодом а = 5,4307 А. Межатомное расстояние 2,35 А. Плотность 2,328 г\см. При высоком давлении (120—150 кбар)переходит в более плотные полупроводниковые и металлическую модификации. Металлическая модификация-сверхпроводник с т-рой перехода 6,7 К. С ростом давления точка плавления понижается с 1415 ± 3° С при давлении 1 бар до 810° С при давлении 15 • 104 бар (тройная точка сосуществования полупроводникового, металлического и жидкого К.). При плавлении происходят увеличение координационного числа и металлизация межатомных связей. Аморфный кремний по характеру ближнего порядка, отвечающего сильно искаженной объемноцентрированной кубической структуре, близок к жидкому. Дебаевская т-ра близка к 645 К. Коэфф. температурного линейного расширения изменяется с изменением т-ры по экстремальному закону, ниже т-ры 100 К он становится отрицательным, достигая минимума (—0,77 · 10 -6 ) град -1 при т-ре 80 К; при т-ре 310 К он равен 2,33 · 10 -6 град -1 , а при т-ре 1273 К —4,8 · 10 град -1 . Теплота плавления 11,9 ккал/г-атом;tкип.3520 К.

Теплота сублимации и испарения при т-ре плавления соответственно 110 и 98,1 ккал/г-атом. Теплопроводность и электропроводность кремния зависят от чистоты и совершенства кристаллов. С ростом т-ры коэфф. теплопроводности чистого К. вначале увеличивается (до 8,4 кал/см X X сек · град при т-ре 35 К), а затем убывает, достигая 0,36 и 0,06 кал/см · сек · град при т-ре соответственно 300 и 1200 К. Энтальпия, энтропия и теплоемкость К. в стандартных условиях равны соответственно 770 кал/г-атом, 4,51 и 4,83 кал/г-атом — град. Кремний диамагнитен, магнитная восприимчивость твердого (—1,1 · 10 -7 э.м.е./г) и жидкого (—0,8 · 10 -7 э.м.е./г). Кремний слабо зависит от т-ры. Поверхностная энергия, плотность и кинематическая вязкость жидкого К. при т-ре плавления составляют 737 эрг/см2, 2,55 г/см3 и 3 · 10 м2/сек. Кристаллический кремния типичный полупроводник с шириной запрещенной зоны 1,15 эв при т-ре 0 К и 1,08 эв — при т-ре 300 К. При комнатной т-ре концентрация собственных носителей зарядов близка к 1,4 · 10 10 см -3 , эффективная подвижность электронов и дырок — соответственно 1450 и 480 см 2 /в · сек, а удельное электрическое сопротивление — 2,5 · 105 ом · см. С ростом т-ры они изменяются по экспоненциальному закону.

Электрические свойства кремния

Зависят от природы и концентрации примесей, а также от совершенства кристалла. Обычно для получения полупроводникового К. с проводимостью р- и n-типа его легируют элементами IIIв (бором, алюминием, галлием) и Vв (фосфором, мышьяком, сурьмой, висмутом) подгрупп, создающими совокупность соответственно акцепторных и донорных уровней, расположенных вблизи границ зон. Для легирования используют и др. элементы (напр., золото), формирующие т. и. глубокие уровни, к-рые обусловливают захват и рекомбинацию носителей зарядов. Это позволяет получать материалы с высоким электр. сопротивлением (1010 ом · см при т-ре 80 К) и небольшой продолжительностью существования неосновных носителей зарядов, что важно для увеличения быстродействия различных устройств. Коэфф. термоэдс кремния существенно зависит от т-ры и содержания примесей, увеличиваясь с ростом электросопротивления (при р = 0,6 ом — см, а = 103 мкв/град). Диэлектрическая проницаемость кремния (от 11 до 15) слабо зависит от состава и совершенства монокристаллов. Закономерности оптического поглощения кремния сильно изменяются с изменением его чистоты, концентрации и характера дефектов строения, а также длины волны.

Граница непрямого поглощения электромагнитных колебаний близка к 1,09 эв, прямого поглощения — к 3,3 эв. В видимой области спектра параметры комплексного показателя преломления (n — ik) весьма существенно зависят от состояния поверхности и наличия примесей. Для особо чистого К. (при λ = 5461 А и т-ре 293 К) n = 4,056 и к = 0,028. Работа выхода электронов близка к 4,8 эв. Кремний хрупок. Его твердость (т-ра 300 К) по Моосу — 7; НВ = 240; HV щ = 103; И = 1250 кгс/мм2; модуль норм, упругости (поликристалла) 10 890 кгс/мм2. Предел прочности зависит от совершенства кристалла: на изгиб от 7 до 14, на сжатие от 49 до 56 кгс/мм2; коэфф. сжимаемости 0,325 • 1066 см2/кг.

При комнатной т-ре кремний практически не взаимодействует с газообразными (исключая фтор) и твердыми реагентами, кроме щелочей. При повышенной т-ре активно взаимодействует с металлами и неметаллами. В частности, образует карбид SiC (при т-ре выше 1600 К), нитрид Si3N4 (при т-ре выше 1300 К), фосфид SiP (при т-ре выше 1200 К) и арсениды Si As, SiAS2 (при т-ре выше 1000 К). С кислородом реагирует при т-ре выше 700 К, образуя двуокись Si02, с галогенами — фторид SiF4 (при т-ре выше 300 К), хлорид SiCl4 (при т-ре выше 500 К), бромид SiBr4 (при т-ре 700 К) и нодид SiI4 (при т-ре 1000 К). Интенсивно реагирует со мн. металлами, образуя твердые растворы замещения в них или хим. соединения — силициды. Концентрационные области гомогенности твердых растворов зависят от природы растворителя (напр., в германии от 0 до 100%, в железе до 15%, в альфа-цирконии менее 0,1%).

Растворимость металлов и неметаллов

В твердом кремне значительно меньше и обычно ретроградна. При этом предельные содержания примесей, создающих в К. неглубокие уровни, достигают максимума (кислород 2 · 10 18 , азот 10 19 , алюминий 2 · 10 19 , фосфор 1021, мышьяк 2 · 10 21 см ) в области т-р от 1400 до 1600 К. Примеси с глубокими уровнями отличаются заметно меньшей растворимостью (от 1015 для селена и 5 · 10 16 для железа до 7 · 10 17 для никеля и 10 18 см-3 для меди). В жидком состоянии кремний неограниченно смешивается со всеми металлами, часто с весьма большим выделением тепла. Чистый кремний готовят из технического продукта 99% Si и по — 0,03% Fe, Аl и Со), получаемого восстановлением кварца углеродом в электро печах. Вначале из него отмывают к-тами (смесью соляной и серной, а затем фтористоводородной и серной) примеси, после чего полученный продукт (99,98%) обрабатывают хлором. Синтезированные хлориды очищают дистилляцией.

Полупроводниковый кремний

Получают восстановлением хлорида SiCl4 (или SiHCl3) водородом или термическим разложением гидрида SiH4. Окончательную очистку и выращивание монокристаллов осуществляют бестигельной зонной плавной или по методу Чохральского, получая особо чистые слитки (содержание примесей до 1010—1013 см-3) ср > 10 3 ом · см. В зависимости от назначения К. в процессе приготовления хлоридов или при выращивании монокристаллов в них вводят дозированные количества необходимых примесей. Так готовят цилиндрические слитки диаметром 2— 4 и длиной 3—10 см. Для спец. целей выпускают и более крупные монокристаллы. Технический кремний и особенно его сплавы с железом используют в качестве раскислателей стали и восстановителей, а также легирующих присадок. Особо чистые образцы монокристаллического К., легированного различными элементами, находят применение в качестве основы разнообразных слаботочных (в частности, термоэлектрических, радио-, свето- и фототехнических) и сильноточных (выпрямители, преобразователи) устройств.

Силиций или кремний

Кремний относится к неметаллам , его атомы на внешнем энергетическом уровне имеют 4 электрона . Он может отдавать их , проявляя степень окисления + 4 , и присоединять электроны , проявляя степень окисления — 4 . Однако способность присоединять электроны у кремния значительно меньше , чем у углерода . Атомы кремния имеют большой радиус , чем атомы углерода .

Нахождение кремния в природе

Кремний очень распространён в природе . на его долю приходится свыше 26% массы земной коры . По распространённости он занимает второе место ( после кислорода ) . В отличие от углерода C в свободном состоянии в природе не встречается . Он входит в состав различных химических соединений , в основном разных модификаций оксида кремния ( IV ) и солей кремниевых кислот ( силикатов ) .

Среди силикатов наиболее важными являются алюмосиликаты : полевые шпаты , слюды , глины и т.д . Основа глин — минерал каолин Al 2 O 3 · 2SiO 2 · 2H 2 O .

Получение кремния

В промышленности кремний технической чистоты ( 95 — 98% ) получают , восстанавливая кварц SiO 2 коксом в электрических печах при прокаливании :

Высококремнистая сталь с особыми физико-химическими свойствами

Высокая Кремниевая сталь со специальными физико-химическими свойствами Кремний широко применяется в производстве высококремнистых ферритовых сталей с особыми физико-химическими свойствами(магнитомягкость, кислотостойкость и др.). a. электрическая сталь Среди сталей с высоким содержанием кремния, обладающих особыми физическими свойствами, наиболее широко распространены ферритовые электромагнитные мягкие Динамо-и трансформаторные стальные пластины с 0,025-0,040% C до 1,0-4,5% Si.

Такая сталь используется в магнитопроводах кремния, что резко повышает электрическое сопротивление стали, тем самым уменьшая потери мощности из-за вихревых токов при реверсировании намагничивания во время работы электрической машины. Для такой электротехнической стали кремний является единственным незаменимым легирующим элементом. Электротехническая технология согласно содержанию

Кремний марганцевая сталь 115 Холоднокатаная сталь, как Э310, Э320, ЭЦЦО, ЕТК., помечается в конце цифрой 0, что указывает на то, что поверхность стали текстурирована. Термическая обработка электротехнической Кремниевой стали в Динамо-машинах и трансформаторах заключается в длительном отжиге при 900-950°С для декарбонизации стали с одной стороны или разложения цементита в структуре на феррит и и отжиг углерода.

С другой стороны, чтобы вырастить кристаллические зерна, такие как карбид в стальной структуре мал, чем больше кристаллических зерен, его магнитные свойства будут лучше, поэтому коэрцитивная сила будет ниже, а проницаемость будет выше. Рисунок 45.Влияние кремния на вязкость технически чистого железа при различных температурах / / _— У • ТАК-Х О ТАК 100150200250300 Температура испытания. °С Для улучшения магнитных свойств Кремниевой стали на некоторых заводах лист трансформаторной стали отжигают в водороде или диссоциированном аммиаке при температуре около 1000-1100°.

Такая высокая температура и восстановительная среда создают условия для роста зерна и удаления вредных примесей (кислорода, углерода и др.), в результате чего магнитные свойства стали значительно повышаются. Чем выше содержание кремния в трансформаторной стали, тем больше электрическое сопротивление и меньше потери мощности из-за вихревых токов при работе трансформатора. Однако если содержание кремния превышает 4-5%, пластичность и вязкость стали резко снижается, что ухудшает вероятность ее механической обработки

Поэтому, сталь формата 4.0-4.5% кремния в трансформаторе не была введена. На рисунке 45 показано влияние кремния на вязкость электрического железа при различных температурах. Из рисунка видно, что в чугуне меньше кремния, чем в Кремниевой стали. (-0,1%) становится хрупким только при минус 50-70°, в то время как 2,5% Si-железа уже холодно-хрупким при комнатной температуре, а при −4% Si-даже при 100-120°. Поэтому при холодной работе электротехнической стали с высоким содержанием кремния, например, штамповке и вытягивании деталей из листового трансформаторного чугуна, лист нагревают до 250-300°, так как чугун обладает достаточной вязкостью при этой температуре.

После различных технических операций по снятию закалки и восстановлению магнитных свойств изделия Электросталь снова отжигают в течение 2-3 часов. На 800-850°. b. Кислотоупорная сталь высок-кремния До 15% кремния вводится в сталь для создания особых химических свойств. Например, сталь с высоким содержанием кремния 12-14% Si, используемая в промышленности, устойчива к коррозии серной, азотной, уксусной и многими другими кислотами (кроме соляной и плавиковой).

Кислотостойкость этой стали препятствует дальнейшему окислению металла, так как под действием кислот поверхность покрывается плотной коркой оксида кремния. Высоко-кремний-кислотоупорная сталь часто использована в химической промышленности, по мере того как она имеет в частности хорошую химическую устойчивость в термальной серной кислоте. Сталь с содержанием кремния более 10-12% очень хрупка и непригодна для горячей или холодной работы, ее изделия получают только в виде стальных отливок.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Кремнистая конструкционная и пружинно-рессорная сталь

Кремнистая структура и пружинная сталь Будучи сильным графитизирующим элементом, очень небольшое количество кремния растворяется в цементите, который почти полностью содержится в феррите, увеличивая его прочность и твердость. Поэтому эффект более эффективен в сталях с низким содержанием углерода с большим количеством феррита. 60. Да. * о * — г −20 Десять 7 ^ год^ / \ \ Один — ？Пятьдесят Липкое. Так… Z 3 Си.％ Рисунок 43.

Влияние Ир на взаимодействие чистого железа в технологии На рис. 43 показана диаграмма влияния кремния на механические свойства технически чистого железа 0,05% с. при введении 4% Si твердость железа увеличивается примерно в

При введении Si до 2% пластические свойства железа несколько снижаются, а при дальнейшем увеличении его содержания относительное удлинение и ударная вязкость резко падают. В среднеуглеродистой конструкционной стали с введением −1% Si прочность на растяжение повышается на 10-15% без заметного снижения ударной вязкости, а предел текучести повышается особенно significantly.

So, для стали с с 0,5-0,7% и Си 2,0-3,0%, после гашения и отпуска, соотношение предела текучести и прочности на растяжение достигает 90%.Усталость, поэтому она широко использована для изготовления весен, Весен и других подобных одних сталь кремния 110 В области упругих деформаций отдел работает на знакопеременном изгибе.

Положительное влияние кремния на механические свойства кремния значительно сильнее в присутствии небольшого количества карбидообразующих элементов, препятствующих графитизации Кремниевой стали и упрочняющих ее Карбидную фазу. Таким образом, в пружинную пружинную Кремниевую сталь будет введено 0,6-0,8% Mn или 0,3-0,4%Cr. В таблице. На рисунке 20 показан состав нескольких марок стандартной пружинной Кремниевой стали. Таблица 20 кремнистая пружинная сталь (ГОСТ 2052-53) химический состав и критическая точка.

Марка стали 50×2 60×2 70СЗ С％ 0.47-0.55 0.57-0.65 0.65-0.74 MP、％ 0,6-0,9 0,6-0,9 0,6-0,9 Си％ 1.5-2.0 1.5-2.0 2.4-2.8 Критические точки, СС Спросите. Семьсот шестьдесят Семьсот пятьдесят 800. Ас. 840. Восемьсот двадцать В качестве предварительной термической обработки кремнистую пружинную сталь выпекают при температуре 850-870°C с охлаждением 60-80 град / ч. рекомендуемый режим перезаряда: 860-880°масляное охлаждение. Температура закалки 400-600°, в зависимости от технического состояния и назначения изделия. При термообработке предел усталости обезуглероживаемого ферритового слоя низок, а изделия из пружинной Кремниевой стали защищены от поверхностного обезуглероживания,

поскольку многократный изгиб при использовании пружин или пружин вызывает поверхностные трещины и преждевременный обрыв. Людмила Фирмаль

Горячая прокатка Кремниевой пружинной пружинной стали создает структуру с чрезвычайно удлиненными зернами феррита и перлита, а после закалки и отпуска такая сталь вызывает разрушение волокон. Пружины и пружины из такой текстурированной стали, изогнутые вдоль волокон, обладают высокими механическими свойствами и очень прочны. В таблице. На рис. 21 приведены примерные механические свойства Кремниевой пружинной стали после продольной резки образцов из рулонных полос толщиной 6 мм и шириной 50 мм при температуре 460°С в течение 1 часа после охлаждения маслом и отпуска.

Затем отпуск делают при 450-500°с заданной твердостью. После этапа отверждения предел усталости Кремниевой пружинной пружинной стали увеличивается.

Читайте также: