Влияние алюминия на сталь

Обновлено: 01.05.2024

Примеси: постоянные, скрытые и случайные

Марганец, кремний, алюминий, серу и фосфор относят к постоянным примесям. Алюминий вместе с марганцем и кремнием применяется в качестве раскислителя и поэтому в малых количествах они всегда есть в раскисленных сталях. Руды железа, а также топливо и флюсы всегда содержат определенное количество фосфора и серы, которые остаются в чугуне, а затем переходят и в сталь.

Азот называют скрытой примесью – он поступает в сталь в основном из воздуха.

К случайным примесям относят медь, мышьяк, олово, цинк, сурьму, свинец и другие элементы. Они попадают в сталь с шихтой – с рудами из различных месторождений, а также из железного лома.

Все примеси – постоянные, скрытые и случайные – в разной степени являются неизбежными из-за технологии производства стали. Так, спокойная сталь обычно содержит эти примеси в следующих пределах: 0,3-0,7 % марганца; 0,2-0,4 % кремния; 0,01-0,02 % алюминия; 0,01-0,05 % фосфора, 0,01-0,04 % серы, 0,-0,2 % меди. В этих количествах эти элементы рассматривают как примеси, а в бóльших количествах, которые вносят в стали намеренно, их уже считают легирующими элементами.

Влияние фосфора на свойства сталей

Фосфор (Р) сегрегирует при затвердевании стали, но в меньшей степени, чем углерод и сера. Фосфор растворяется в феррите и за счет этого повышает прочность сталей. С увеличением содержания фосфора в сталях их пластичность и ударная вязкость снижается и повышается склонность к хладноломкости.

Растворимость фосфора при высокой температуре достигает 1,2 %. С понижением температуры растворимость фосфора в железе резко падает до 0,02-0,03 %. Такое количество фосфора характерно для для сталей, то есть весь фосфор обычно растворен в альфа-железе.

Фосфор имеет сильную тенденцию сегрегировать на границах зерен, что приводит к отпускной хрупкости легированных сталей, особенно в марганцевых, хромистых, магниево-кремниевых, хромоникелевых и хромомарганцевых сталях. Фосфор, кроме того, увеличивает упрочняемость сталей и замедляет, как и кремний, распад мартенсита в сталях.

Повышенное содержание фосфора часто задают в низколегированных сталях для улучшения их механической обработки, особенно автоматической.

В низколегированных конструкционных сталях с содержанием углерода около 0,1 % фосфор повышает прочность и сопротивление атмосферной коррозии.

В аустенитных хромоникелевых сталях добавки фосфора способствуют повышению предела текучести. В сильных окислителях наличие фосфора в аустенитных нержавеющих сталях может приводить к их коррозии по границам зерен. Это обусловлено явлением сегрегации фосфора по границам зерен.

Влияние серы на свойства сталей

Содержание серы (S) в высококачественных сталях не превышает 0,02-0,03 %. В сталях общего назначения допустимое содержание серы выше – 0,03-0,04 %. Специальной обработкой жидкой стали содержание серы в стали доводят до 0,005 %.

Сера не растворяется в железе, поэтому любое ее количество образует с железом сульфид железа FeS. Этот сульфид входит в состав эвтектики, которая образуется при 988 °С.

Повышенное содержание серы в сталях приводит к их красноломкости из-за низкоплавких сульфидных эвтектик, которые возникают по границам зерен. Явление красноломкости происходит при температуре 800 °С, то есть при температуре красного каления стали.

Сера оказывает вредное влияние на пластичность, ударную вязкость, свариваемость и качество поверхности сталей (особенно в сталях с низким содержанием углерода и марганца).

Сера имеет очень сильную склонность к сегрегации по границам зерен. Это приводит к снижению пластичности сталей в горячем состоянии. Однако серу в количестве от 0,08 до 0,33 % намеренно добавляют в стали для автоматической механической обработки. Известно, что присутствие серы повышает усталостную прочность подшипниковых сталей.

Присутствие в стали марганца уменьшает вредное влияние серы. В жидкой стали протекает реакция образования сульфида марганца. Этот сульфид плавится при 1620 °С – при температурах значительно более высоких, чем температура горячей обработки сталей. Сульфиды марганца пластичны при температурах горячей обработки сталей (800-1200°С) и поэтому легко деформируются.

Влияние алюминия на свойства сталей

Алюминий (Al) широко применяется для раскисления жидкой стали, а также для измельчения зерна стальных слитков. К вредному влиянию алюминия относят то, что он способствует графитизации сталей. Хотя алюминий часто считают примесью, его активно применяют и как легирующий элемент. Поскольку алюминий образует с азотом твердые нитриды, он обычно бывает легирующим элементом в азотируемых сталях. Алюминий повышает стойкость сталей к окалинообразованию, и поэтому его добавляют в теплостойкие стали и сплавы. В дисперсионно упрочняемых нержавеющих сталях алюминий применяют как легирующий элемент, ускоряющий реакцию дисперсионного выделения. Алюминий повышает коррозионную стойкость низкоуглеродистых сталей. Из всех легирующих элементов алюминий является наиболее эффективным для контроля роста зерна при нагреве сталей под закалку.

Влияние азота на свойства сталей

Вредное влияние азота (N) заключается в том, что образуемые им довольно крупные, хрупкие неметаллические включения – нитриды – ухудшают свойства стали. Положительным свойством азота считают то, что он способен расширять аустенитную область диаграммы состояния сталей. Азот стабилизирует аустенитную структуру и частично заменяет никель в аустенитных сталях. В низколегированные стали добавляют нитридообразующие элементы ванадий, ниобий и титан. При контролируемой горячей обработке и охлаждении они образуют мелкие нитриды и карбонитриды, которые значительно повышают прочность стали.

Влияние меди на свойства сталей

Медь (Cu) имеет умеренную склонность к сегрегации. К вредному влиянию меди относят снижение хладноломкости стали. При повышенном содержании меди она отрицательно влияет качество поверхности стали при ее горячей обработке. Однако при содержании более 0,20 % медь повышает ее стойкость к атмосферной коррозии, а также прочностные свойства легированных и низколегированных сталей. Медь в количестве более 1 % повышает стойкость аустенитных нержавеющих сталей к воздействию серной и соляной кислот, а также их стойкость к коррозии под напряжением.

Влияние олова на свойства сталей

Олово (Sn) уже в относительно малых количествах является вредным для сталей. Оно имеет очень сильную склонность сегрегировать к границам зерен и вызывать отпускную хрупкость в легированных сталях. Олово оказывает вредное влияние на качество поверхности непрерывнолитых слитков, а также может снижать горячую пластичность сталей в аустенитно-ферритной области диаграммы состояния.

Влияние сурьмы на свойства сталей

Сурьма (Sb) имеет сильную склонность сегрегировать при затвердевании стали и поэтому вредно влияет на качество поверхности непрерывнолитых стальных слитков. В твердом состоянии стали сурьма охотно сегрегирует к границам зерен и вызывает отпускную хрупкость легированных сталей.

Влияние алюминия на свойства стали. Часть 2

В предыдущей публикации мы рассмотрели влияние некоторых химических элементов на свойства стали, а именно влияние углерода, кремния, марганца, серы, фосфора.

В данной статье мы рассмотрим такой элемент, как алюминий, и то, как его наличие отражается на свойствах стали.

Алюминий (Al) - серебристо-белый активный металл. Температура плавления 657 °С, температура кипения 1800 °С, плотность - 2,6989 г/см3.

Основные свойства

Устойчивость к коррозии

При соприкосновении с кислородом "чистый" алюминий становится пассивным и образует на своей поверхности тонкую пленку (оксид алюминия), благодаря которой предотвращается образование коррозии, даже в агрессивной среде. Устойчивость Al к коррозии присутствует и при взаимодействии с паром и водой (пресной). Для эксплуатации в соленой воде в алюминий добавляют магний и кремний.

Он растворяется в едких щелочах, соляной и серной кислотах.

Алюминий обладает высокой теплопроводностью и электропроводностью. Благодаря таким свойствам его применяются для изготовления электрических проводов и кабеля.

Раскисление алюминием

Раскисление - снижение содержания кислорода в металле или связывание его в прочные соединения.

Алюминий является сильным раскислителем. Он широко применяется при производстве спокойной стали, да бы избежать образования пористой структуры слитка.

Раскисление производится на этапе выплавки стали, методом введения в металл алюминиевой проволоки, слитков или гранул.

При высоких температурах он хорошо сплавляется с металлами, образуя тем самым прочные, но легкие сплавы.

Алюминий используют с целью удаления кислорода и азота из стали после продувки, что способствует уменьшению старения.

Он способствует удалению кислорода из стали, что так же увеличивает текучесть и ударную вязкость стали.

Наличие Al влияет на размер зерен (они становятся меньше), и придает повышенную жаростойкость. Благодаря этим свойствам его широко применяют при изготовлении азотированной стали, как добавку в ферритную жароустойчивую сталь. Получение стали с мелким зерном, за счет использования алюминия - обеспечивает допустимые показатели пластичности и вязкости.

Стоит отметить, что Al обладает способностью сильно повышать значение напряженности магнитного поля, которое влияет на характеристики размагничивания ферромагнитного и ферримагнитного веществ, поэтому его применяют в качестве легирующего элемента в магнитотвердых сплавах железа, никеля, кобальта, алюминия.

Негативные свойства

Негативными факторами влияния алюминия на сталь считается:

снижение показателей текучести стали и вероятность (на машинах непрерывной разливки стали) затягивания сталевыпускного отверстия.
образование сложных неметаллических включений, при соединении алюминия с кислородом, Al2O3 -типа корунд, который является концентратором напряжений при последующей переработке в метизном производстве.

Т.е. существует вероятность образования оксидов алюминия, которые имеют остроугольную форму и могут быть причиной надрывов (например, при волочении катанки).

Данные факторы могут частично нейтрализоваться добавлением кальциевой проволоки (FeCa).

В заключении

В отличии от углерода, серы, фосфора, алюминий не оказывает такого явного влияния на механические характеристики стали, однако содержание алюминия менее определенного уровня ведет к повышению физических и механических свойств, и в тоже время, если алюминия менее 0,002 % - свойства ухудшаются. При содержании в легированной алюминием стали 0,02-0,7% - подавляется процесс старения стали.

Подведя итоги всего сказанного, отметим, что главные свойства Al:

хорошее раскисление стали;
нейтрализация вредного влияния фосфора;
повышение ударной вязкости стали.

Содержание алюминия менее определенного уровня ведет к повышению физических и механических свойств, и в тоже время, если алюминия менее 0,002 % - свойства ухудшаются.

Влияние химического состава на механические свойства стали

Каждый химический элемент, входящий в состав стали, по-своему влияет на ее механические свойства – улучшает или ухудшает.

Углерод (С), являющийся обязательным элементом и находящимся в стали обычно в виде химического соединения Fe₃C (карбид железа), с увеличением его содержания до 1,2% повышает твердость, прочность и упругость стали и уменьшает вязкость и способность к свариваемости. При этом также ухудшаются обрабатываемость и свариваемость.

Кремний (Si) считается полезной примесью, и вводится в качестве активного раскислителя. Как правило, он содержится в стали в небольшом количестве (в пределах до 0,4%) и заметного влияния на ее свойства не оказывает. Но при содержании кремния более 2% сталь становится хрупкой и при ковке разрушается.

Марганец (Mn) содержится в обыкновенной углеродистой стали в небольшом количестве (0,3-0,8%) и серьезного влияния на ее свойства не оказывает. Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы, повышает твердость и прочность стали, ее режущие свойства, увеличивает прокаливаемость, но снижает стойкость к ударным нагрузкам.

Сера (S) и фосфор (Р) являются вредными примесями. Их содержание даже в незначительных количествах оказывает вредное влияние на механические свойства стали. Содержание в стали более 0,045% серы делает сталь красноломкой, т.е. такой, которая при ковке в нагретом состоянии дает трещины. От красноломкости сталь предохраняет марганец, который связывает серу в сульфиды (MnS). Содержание в стали более 0,045% фосфора, делает сталь хладноломкой, т.е. легко ломающейся в холодном состоянии. Обрабатываемость стали фосфор несколько улучшает, так как способствует отделению стружки.

Ниобий (Nb) улучшает кислостойкость стали и способствует уменьшению коррозии в сварных конструкциях.

Титан (Тi) повышает прочность, плотность и пластичность стали, улучшает обрабатываемость и сопротивление коррозии. Повышает прокаливаемость стали при малых содержаниях и понижает при больших.

Хром (Cr) повышает прочность, закаливаемость и жаростойкость, режущие свойства и стойкость на истирание, но снижает вязкость и теплопроводность стали. Содержание большого количества хрома (в обычных сортах стали доходит до 2%, а в специальных - до 25%) делает сталь нержавеющей и обеспечивает устойчивость магнитных сил.

Молибден (Mo) повышает прочностные характеристики стали, увеличивает твердость, красностойкость, антикоррозионные свойства. Делает ее теплоустойчивой, увеличивает несущую способность конструкций при ударных нагрузках и высоких температурах. Затрудняет сварку, так как активно окисляется и выгорает.

Никель (Ni) увеличивает вязкость, прочность и упругость, но несколько снижает теплопроводность стали. Никелевые стали хорошо куются. Значительное содержание никеля делает сталь немагнитной, коррозионностойкой и жаропрочной.

Вольфрам (W) образуя в стали твердые химические соединения – карбиды, резко увеличивает твердость и красностойкость. Увеличивает работоспособность стали при высоких температурах, ее прокаливаемость, повышает сопротивление стали к коррозии и истиранию, уменьшает свариваемость.

Ванадий (V) обеспечивает мелкозернистость стали, повышает твердость и прочность. Увеличивает плотность стали, так как является хорошим раскислителем. Снижает чувствительность стали к перегреву и улучшает свариваемость.

Кобальт (Co) повышает жаропрочность, магнитные свойства, увеличивает сопротивление удару.

Алюминий (Аl) является активным раскислителем. Делает сталь мелкозернистой, однородной по химическому составу, предотвращает старение, улучшает штампуемость, повышает твердость и прочность, увеличивает сопротивление окислению при высоких температурах.

Медь (Cu) влияет на повышение коррозионной стойкости, предела текучести и прокаливаемости. На свариваемость не влияет.

Для всестороннего понимания и анализа процессов, происходящих при легировании и деформировании сталей, важную роль играет знание зависимостей между химическим составом и механическими свойствами.

Целью настоящих исследований является изучение комплексного влияния химического состава на предел текучести σ_Т арматурной стали класса А500С.

В течение сентября и октября текущего года в Лаборатории испытаний строительных материалов и конструкций ГБУ «ЦЭИИС» проводились испытания образцов арматурных стержней диаметром от Ø16 до Ø36. Были выполнены более 30 параллельных испытаний. При этом для одной и той же пробы данного типоразмера арматурных стержней определяли фактическую массовую долю химических элементов с помощью оптико-эмиссионного спектрометра PMI-MASTER SORT (рис.1) и механические свойства стали при помощи испытательной машины ИР-1000М-авто (рис.2).

Рис.1 - Испытание арматурного стержня для определения химического состава стали.

Рис.2 - Испытания арматурной стали на растяжение.

Для обеспечения достоверности статистических выводов и содержательной интерпретации результатов исследований сначала определили необходимый объем выборки, т.е. минимальное количество параллельных испытаний. Так как в данном случае испытания проводятся для оценки математического ожидания, то при нормальном распределении исследуемой величины минимально необходимый объем испытаний можно найти из соотношения:

где υ – выборочный коэффициент вариации,

t_α,k – коэффициент Стьюдента,

α=1-P – уровень значимости (Р - доверительная вероятность),

k = n-1 – число степеней свободы,

Δ_М – максимальная относительная ошибка (допуск) при оценке математического ожидания в долях математического ожидания (Δ_М = γ*δ_М, где γ - генеральный коэффициент вариации, δ_М – максимальная ошибка при оценке математического ожидания в долях среднеквадратического отклонения).

Как правило, генеральный коэффициент вариации γ неизвестен, и его заменяют выборочным коэффициентом вариации υ, для определения которого нами была проведена серия из десяти предварительных испытаний.

По результатам проведенных испытаний и выполненных расчетов при доверительной вероятности Р=0,95 получен необходимый объем выборки, равной n=26. Фактическое количество испытаний, как было сказано выше, составило 36.

Массив данных, полученных по результатам проведенных параллельных испытаний, был обработан с помощью многофакторного корреляционного анализа.

Уравнение множественной регрессии может быть представлено в виде:

Y = f (β, X) + ε,

где X=(X₁, X₂,…, X_m) – вектор независимых (исходных) переменных; β – вектор параметров (подлежащих определению); ε – случайная ошибка (отклонение); Y – зависимая (расчетная) переменная.

Разработка множественной корреляционной модели всегда сопряжена с отбором существенных факторов, оказывающих наибольшее влияние на признак-результат. В нашем случае из дальнейшего рассмотрения были исключены три элемента (Аl, Тi, W) по причине их низкой массовой доли (<0,05%) и отсутствия четких показаний спектрометра.

Таким образом, нами получено следующее уравнение регрессии комплексного влияния химических элементов стали на ее предел текучести σ_Т:

В дальнейшем, для определения тесноты корреляционной связи между изучаемыми показателями были проведены дополнительные оценочные испытания – 9 параллельных испытаний арматурных стержней диаметрами Ø16, Ø18 и Ø20 (таблица 1).

Расчетные значения предела текучести σ_Т (рис.3) тех же арматурных стержней были определены по разработанной многофакторной корреляционной модели.

1) Величина коэффициента корреляции R подтверждает возможность надёжного прогнозирования предела текучести σ_Т исходя из химического состава арматурной стали класса А500С.

2) Применение множественного регрессионного анализа позволит выявить также комплексное влияние химических элементов на другие механические свойства стали (временное сопротивление σ_В, относительное удлинение δ₅), что является задачей наших дальнейших исследований.

Влияние алюминия на свойства стали

На фиг. 123 представлен структурный вид алюминиевой стали, например, в 1% А1 видно, что перлит содержит около 1,2% с. скорость диффузии углерода, Коалесценция цементита ускоряется, и перлит приобретает более грубую (менее дисперсную)

An аномалией в структуре алюминиевой стали является обычная (обычная) перлитная структура, структура, состоящая из феррита, ментита, расположенного по границам зерен, и отдельных цементитных слоев, в которых перлит полностью absent.

It можно предположить, что такие стальные конструкции появляются из-за того, что алюминий относится к числу холофовых элементов и концентрируется внутри стальных частиц, препятствуя их растворению углеродом.

При длительном нагреве выше критической точки атомы углерода с высокими скоростями диффузии перемещаются из внутреннего объема частиц аустенита с регулярной атомно-кристаллической решеткой на поверхность частиц с искаженным атомно-кристаллическим составом lattice.

As в результате при охлаждении стали в процессе перехода y-Fe-va-Fe происходит накопление цементита в местах с высоким содержанием углерода (вдоль границы предыдущих зерен аустенита) и высвобождение феррита с низким содержанием углерода(внутри зерен аустенита). Критические точки стали A \и L3 под воздействием алюминия несколько увеличиваются. Например, в среднеуглеродистой стали машинного производства с 1% на A1 0,3-0,4% C, без увеличения гистерезиса,

Структурная схема 252 алюминий сталь алюминий сталь До 1% алюминия не оказывает существенного влияния на процесс изотермического превращения аустенита в Доэвтектоидную конструкционную сталь. Инкубационный период и время полного разложения аустенита практически не меняются, а общий вид С-образной диаграммы алюминиевой стали-углеродистая сталь. Когда сталь нагревается выше критической точки, алюминий снижает стабильность Y-Fe и снижает его шубность.

Таким образом, от аустенита до переохлаждения алюминиевая сталь имеет высокую критическую скорость упрочнения и низкую отверждаемость. Температура мартенситного превращения под воздействием алюминия повышается, а количество остаточного аустенита в структуре закаленной стали уменьшается (рис.124). 400. ^ 300 ГСО 200. — \ \ м Х / Рисунок 124. Влияние алюминия на температуру мартенситного превращения и остаточное содержание аустенита в структуре закаленной стали при 0,8% с Во время цементации стали алюминий приводит к необычной структуре в цементируемом слое, поэтому сталь с высоким содержанием алюминия не используется для цементации.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Влияние алюминия на сталь

Являясь одним из основных легирующих элементов железа и стали, алюминий (Al) играет роль раскисления и измельчения зерна, что может улучшить ударную вязкость стали и уменьшить склонность к хрупкому хрупкому воздействию и старению.

Алюминий также может улучшить коррозионную стойкость стали, особенно при использовании с молибденом, медью, кремнием, хромом и другими элементами даст лучшие результаты. Добавление Al в сталь Cr-Mo или сталь Cr может улучшить ее износостойкость, а присутствие Al в инструментальной стали с высоким содержанием углерода может вызвать хрупкость при закалке. Но Al будет влиять на свойства горячей обработки, свойства сварки и свойства резки стали. Он широко используется в специальных сплавах, включая азотирующую сталь, нержавеющую кислотостойкую сталь, жаропрочную сталь, электротермический сплав, твердомагнитный и магнитомягкий сплав и так далее.

Влияние алюминия на микроструктуру и термическую обработку стали

1. Al имеет сильное сродство с кислородом и азотом, является раскислителем азота.

2. Al и углерод имеют очень малое сродство, как правило, не появляются в карбиде алюминия в стали. Алюминий сильно способствует графитизации углерода, а добавление Cr, Ti, V, N и других сильных намагничиваний может препятствовать графитизации алюминия.

3. Al рафинированное стальное зерно, улучшающее температуру укрупнения стального зерна, но когда содержание твердого растворимого металлического алюминия в стали превышает определенное значение, аустенитное зерно легко вырастает.

4. Al повышает температуру мартенситного перехода стали и снижает содержание остаточного аустенита после закалки, что противоположно другим легирующим элементам, кроме кобальта.

Влияние алюминия на механические свойства стали

1. Al уменьшают чувствительность стали к зазору, уменьшают или устраняют явление старения стали, особенно уменьшают ударную вязкость стали, температуру хрупкого перехода, улучшают ударную вязкость стали при низкой температуре.

2. Алюминий обладает более сильным укрепляющим эффектом. Прочность при высоких температурах и долговечность ферритового сплава Fe-Al лучше, чем у нержавеющей стали Martensitic 410 .

3. Комплексные характеристики аустенитной стали Fe-Al-Mn лучше.

Влияние Al на физико-химические свойства стали

1. Al в сплаве Fe-Cr может снизить температурный коэффициент его сопротивления, может быть использован в качестве материала электротермического сплава.

2. Al уменьшают потери в сердечнике трансформаторной стали, аналогично элементу Si.

3. Достаточное количество Al может сделать поверхность стали пассивированной до коррозионной стойкости в окислительной кислоте и повысить коррозионную стойкость сероводорода. Al неблагоприятен для коррозионной стойкости стали в газообразном хлоре и хлористой атмосфере.

4. Сталь с добавленным Al образует азотирующую поверхность после формирования слоя нитрида алюминия, может повысить твердость и усталостную прочность, повысить износостойкость.

5. В качестве легирующего элемента Al может значительно улучшить стойкость стали к окислению. Гальваническое или алюминирование на поверхности стали может улучшить ее стойкость к окислению и коррозионную стойкость.

6. Al оказывает негативное влияние на работоспособность при сварке и резке.

Читайте также: