Примеси в стали

Сталь – наиболее часто используемый в промышленности материал. При работе с ней нужно учитывать, что в составе присутствуют не только полезные, но и вредные примеси, которые ухудшают качество сырья и могут привести к деформации готового изделия. Такие вещества попадают в состав стали при выплавке, формовке, обработке сырья. Расскажем подробнее об основных полезных и вредных примесях в составе стали, а также о том, как они влияют на готовые изделия из такого сырья.

Полезные примеси в стали и их особенности

К полезным примесям, которые содержатся в стали, относятся марганец и кремний.

Марганец повышает прочностные свойства стали и устойчивость к коррозии, нивелирует отрицательное влияние серы, которая также присутствует в обрабатываемом сырье.

Кремний способствует раскислению стали, тем самым повышая ее прочность. Важно, чтобы его содержание не превышало 2%, так как в этом случае достигается обратный эффект, и структура металла становится более хрупкой.

В углеродистой стали кремний присутствует в количестве не более 0,35–0,4%, а марганец – 0,5–0,8%. Оба компонента переходят в сталь при раскислении, когда происходит выплавка.

Раскисление (дезоксидация) положительно влияет на свойства стали. В первую очередь это связано с нейтрализацией кислорода в структуре металла: наличие большого количества кислорода в сырье ухудшает его пластичность и устойчивость к коррозии, а также уменьшает срок службы.

Кроме раскисления, для улучшения свойств и характеристик стали выполняют легирование. Этот процесс направлен на добавление в сплав активных компонентов неметаллического происхождения. К таким веществам относятся:

1. Алюминий, повышающий жаростойкость и окалиностойкость стали.
2. Хром. Этот элемент защищает металл от действия агрессивных сред (кислот, солей, влаги), делая его более устойчивым к коррозии. Также хром позволяет стали сохранять механические свойства при высоких температурах и увеличивать глубину закаливания.
3. Никель. При добавлении этого металла к стали добиваются повышения ее прочности, коррозионной стойкости и устойчивости к экстремальным температурам.
4. Молибден. При добавлении к стали всего 1,5–2% молибдена значительно повышается ударная вязкость материала. Также элемент делает сталь более устойчивой к коррозии, особенно в соленых и кислых средах.
5. Вольфрам. Он повышает твердость материала, снижает степень ломкости, предотвращает расширение стали при нагреве.
6. Ванадий. Элемент используется для повышения прочности сырья и его устойчивости к действию высоких температур, улучшения механических свойств. При создании сверхпрочных сталей для автомобилестроения и строительной отрасли к ней добавляют ванадий в комбинации с ниобием.
7. Кобальт. Марки стали с содержанием этого элемента характеризуются высокой твердостью, износостойкостью, устойчивостью к действию высоких температур и химически агрессивных сред.
8. Титан. Элемент повышает прочность стали, укрепляя металлическую матрицу, защищает от коррозии, улучшает структуру и делает металл более пригодным для механической обработки.
9. Церий. Этот редкоземельный элемент повышает коррозионную стойкость стали и ее жаропрочность. Используется для легирования при производстве специализированных сталей, устойчивых к агрессивным средам и высоким температурам.
10. Цирконий. Он влияет на зернистость стали и позволяет получить сталь с зерном заданного размера.

Производство легированной стали осуществляется под строгим контролем, после тщательных расчетов. Только в таком случае можно получить качественный материал с отличными свойствами.

Вредные примеси в стали, негативно влияющие на ее свойства

В составе стали также присутствуют вредные примеси. Если их концентрация повышена, то качество сырья ухудшается, и оно становится непригодным для изготовления продукции. Наиболее распространенными вредными примесями в стали являются сера и фосфор, но есть и ряд других нежелательных включений, о которых расскажем ниже.

Сера

При выплавке возможно попадание серы в сталь. Главными источниками этого элемента являются чугун и руда. Сера растворяется в жидком железе, а при кристаллизации образуется сульфид железа.

В высококачественном материале содержание этого вещества не превышает значений 0,02–0,03%. Углеродистая сталь обычного качества содержит серу в концентрации 0,03–0,04%. Чтобы уменьшить концентрацию этой вредной примеси в стали, жидкий металл обрабатывают синтетическими шлаками.

Если содержание серы в стали превышает допустимые значения, то металл становится красноломким, то есть склонным к растрескиванию во время горячей обработки – ковки, прокатки, штамповки. Красноломкость стали проявляется при температуре от +800 °С.

Сера также отрицательно сказывается на свариваемости стали, ее пластичности и ударной вязкости, а также на качестве поверхности. Если в стали повышено содержание серы, то она не поддается горячей обработке давлением. Есть и одно положительное влияние данного вещества на материал – это улучшение обработки методом резания. Предельно допустимое содержание серы в стали – не более 0,06%.

Негативное воздействие серы на металл уменьшает свойство марганца, относящегося к полезным примесям.

Фосфор

Источниками фосфора в стали являются шихтовые материалы, преимущественно – чугун. Предельно допустимое содержание этого вещества в сырье – 0,05%. Чем больше этот показатель, тем выше хладноломкость сырья (склонность к ломке и образованию трещин при холодной механической обработке) и ниже его ударная вязкость и пластичность.

В некоторых случаях присутствие фосфора в стали полезно: он повышает обрабатываемость этого сырья методом резания, а в случае присутствия меди дополнительно повышает антикоррозионные свойства. Также содержание этого вещества в стали специально увеличивают вплоть до 0,2% при производстве сырья для изготовления гаек и болтов: присутствие фосфора обеспечивает повышенную хрупкость и хорошую обрабатываемость. В результате получают чистую резьбу без грубых задиров.

Степень влияния фосфора на сталь прямо зависит от содержания в ней углерода: чем выше концентрация последнего, тем более выражено воздействие.

Пока не существует технологии, позволяющей добиться глубокой очистки стали от фосфора.

Углерод

Количество углерода, присутствующего в составе стали, влияет на механические свойства сырья и возможность его применения для определенных задач. В зависимости от того, сколько углерода содержится в стали, выделяют такие ее виды:

1. Низкоуглеродистая. В таком сырье содержится менее 0,25% углерода. Оно отличается пластичностью, но легко деформируется при физическом воздействии. Низкоуглеродистые стали обрабатываются только в холодном состоянии и под действием высоких температур.
2. Среднеуглеродистая (содержание углерода – от 0,3 до 0,6%). Материал отличается пластичностью, средними показателями прочности, а также текучестью. Такая сталь используется для производства деталей и конструкций, которые эксплуатируются при нормальных условиях.
3. Высокоуглеродистые (0,6–2%). Такие стали отличаются высокой износостойкостью, прочностью и низкой вязкостью. Они практически не поддаются свариванию, если обрабатываемая зона предварительно не была разогрета до +225°С.

Средне- и низкоуглеродистые стали гораздо легче в обработке и сварке по сравнению с высокоуглеродистыми.

Итак, чем выше процент содержания углерода в стали, тем более высокие показатели ее твердости, прочности и текучести, и тем ниже относительные сужения, удлинения и ударная вязкость.

Большое количество углерода в стали способствует более быстрому переходу этого материала в хладноломкое состояние (как мы указывали выше, это склонность к растрескиванию и разломам в процессе холодной механической обработки).

При содержании углерода в стали от 1 до 1,1% твердость металла в отожженном состоянии повышается, а предел прочности, наоборот, уменьшается.

Увеличить содержание углерода в стали можно путем его внедрения в металл при тепловой обработке (цементации). Это позволит уменьшить плотность сырья, повысить электросопротивляемость, снизить теплопроводность и магнитную проницаемость.

Азот

Азот, присутствуя в составе стали, способствует формированию нитридов – хрупких инородных тел, значительно ухудшающих качество материала. Этот газ вызывает старение сплава, повышает чувствительность к обработке под действием высоких температур, придает металлу хладноломкость. Он также вызывает пористость металла на участке сварного шва.

Азот может присутствовать в твердой стали в нескольких состояниях: газообразном (находится в пустотах и порах), в виде альфа-твердого раствора, а также в форме соединений – неметаллических включений (нитриды, оксиды).

Азот имеет и некоторые положительные свойства. Присутствуя в стали, он повышает ее прокаливаемость, способствует формированию более прочной микроструктуры зерна, повышает стойкость сырья к точечной и щелевой коррозии. Нержавеющие стали, легированные азотом, превосходят по показателям прочности, вязкости и коррозионной стойкости традиционные нержавеющие стали.

Олово

Этот металл даже в самых малых количествах крайне отрицательно влияет на свойства стали. Если речь идет о легированных сталях, то олово в них становится источником отпускной хрупкости. Также этот элемент снижает пластичность металла.

Олово отрицательно сказывается на качестве поверхности непрерывнолитых слитков, уменьшает горячую пластичность сталей.

Водород

Этот газ проникает в сталь во время выплавки, а также при взаимодействии сырья с печным шлаком. Загрязнение сырья водородом объясняется тем, что в используемых для производства стали материалах присутствует вода.

Даже небольшое содержание этого элемента в металле вызывает образование тончайших трещин, провоцирует потерю пластичности при растяжении, становится причиной водородной хрупкости. Водород в повышенных концентрациях вызывает внутренние надрывы.

В процессе производства стали очень важно контролировать содержание водорода в ходе электродугового и кислородно-конверторного процессов. Для этого применяют материалы с изначально низким содержанием влаги либо водорода как такового, минимизируют образование шлака, контролируют процессы обработки стали в ковшах.

Если водород уже присутствует в стали, то уменьшить его количество в зоне сварки можно при помощи окислителей атмосферы, просушки материалов.

Кислород

Кислород снижает общую пластичность металла. Если вещество присутствует в повышенных концентрациях, то повышается склонность стали к старению. Кроме того, ухудшается электросопротивление и снижаются магнитные свойства стали.

Для защиты стали от кислорода выполняют раскисление металла, вводя в расплавленную массу шва элементы, которые связывают кислород в крепкие окислы и способствуют их выведению из сварочной ванны.

Сурьма

Сурьма способствует образованию зерен на поверхности деталей при остывании стали. Результат – повышенная ломкость и хрупкость металлов легированных марок. Наиболее выраженное отрицательное влияние сурьмы на сталь отмечают при отливке заготовок непрерывным способом.

Качество стали зависит от концентрации полезных и вредных добавок, содержащихся в ней. Во время производственных процессов на эти показатели можно повлиять, уменьшая количество нежелательных веществ и соединений. Это необходимо для того, чтобы в дальнейшем получить качественную продукцию без дефектов.