1. К вредным примесям сталей и сплавов относятся сера, фосфор, сурьма, мышьяк, селен, газы (водород, азот, кислород), некоторые цветные металлы. Источники поступления их в сталь различны: исходное сырье (руда, кокс, шлакообразующие, лом, лигатура), печная атмосфера (продукты горения топлива, воздух), огнеупорные материалы (футеровка печей, ковшей и др.). Поэтому содержание примесей в стали в значительной мере зависит от способа ее выплавки.
2. Основными источниками серы (точка плавления 118оС) являются шихта (чугун), металлический лом (особенно со стружкой, не очищенной от смазочных масел) и печные газы (в мартеновских печах продукт горения топлива SO2). Сера-один из наиболее сильно ликвирующих элементов.
Вредное влияние серы определяется, прежде всего, явлением красноломкости стали. Нагрев металла выше 800оС, т.е. до температур красного каления, приводит к оплавлению границ зерен и ослаблению связи между ними. Из-за повышенной хрупкости сталь с высоким содержанием серы не поддается горячей обработке давлением.
Повышенное содержание серы и склонность ее к ликвации приводит к образованию кристаллизационных трещин в слитках, отливках и сварных швах, охрупчиванию металла в околошовной зоне при сварке.
При пониженном содержании серы вокруг зерен не образуются сплошные прослойки сульфида железа. Введение в сталь марганца способствует замещению им железа в составе сульфидов. Температура плавления MnS составляет 1620 оС, т.е. выше, чем сульфида железа (1190 оС). Однако при горячей обработке давлением пластичные сульфиды марганца деформируются, вытягиваясь вдоль направления прокатки, что приводит к анизотропии свойств металла.
Влияние содержания серы на величину ударной вязкости стали получило название сульфидного эффекта. В отличие от других вредных примесей повышение ее содержания в конструкционной стали понижает порог хладноломкости.
Содержание серы оказывает значительное влияние на свойства жаропрочных сталей и сплавов. Длительная прочность их при нормальной температуре почти не зависит от содержания серы.
Однако жаропрочные свойства очень чувствительны к наличию даже небольшого количества вредных примесей.
С учетом отрицательного влияния серы на свойства сталей содержание этого элемента регламентировано государственными стандартами в следующих пределах: в стали обыкновенного качества – 0,040–0,045 %, в качественной – 0,030–0,035 % и в высококачественной – до 0,020–0,025 %.
3. При обычных нормах стандартов (≤0,040 % P в стали обыкновенного качества, ≤0,035 % P – в качественной, ≤0,025%P – в высококачественной) фосфор находится в твердом растворе (аустенит растворяет до 0,2 % P, а феррит и больше). Собственное соединение – фосфид Fe3P – фосфор образует лишь иногда в литой стали 110Г13 при выплавке на высокофосфористом ферромарганце. Впрочем, и в непрерывнолитых слябах довольно чистой стали 17ГС (0,01–0,03 % P) находили колонии фосфидной эвтектики размером до 10 мкм в самой грязной зоне осевой ликвации.
Фосфор (точка плавления 44 оС) в железе в обычных количествах немного упрочняет феррит и существенно повышает порог хладноломкости: ∆Ткр.хр.=20К/0,01 % Р в феррит–перлитной структуре литой стали 35ГЛ (при 0,02–0,10 % Р). Вызванная фосфором хрупкость выше в сталях высокой и средней прочности при структуре сорбита или мартенсита отпуска.
Фосфор – пятивалентный металлоид – своими пятью связями «плохо вписывается» в кубическую решетку железа, где у каждого атома 8 ближайших связей в α-Fe или 12 – в γ-Fe. Поэтому у фосфора наблюдается «сродство» к границам зерна, где симметрия нарушена. Оно измеряется энергией связи Uпо границе. Фосфор собирается в зернограничные сегрегации в слой моноатомной толщины, где равновесная его концентрация при температуре Т определяется как
сг
,
K – постоянная больцмана. При низкой температуре концентрация сг в такой сегрегации может быть на порядок больше, чем с0 в растворе – вплоть до сг= 100 % Р.
Измеряют сг на зернограничных изломах Оже-спектроскопией медленных электронов, которые глубже, чем на один атом, и не проникают. Тот факт, что фосфор собран только в моноатомный слой, установили, распылив этот слой пучком ионов.
У фосфора ковалентные, нерастяжимые связи Fe – P, и он деформирует также и связи Fe – Fe у смежных с ними 8 + 6 = 14 атомов в двух ближайших координационных сферах. Поэтому в моноатомном слое достаточно концентрации сг = 1/14 ≈ 7% (ат.) фосфора, чтобы металл был охрупчен по границам. Действительно, если излом зернограничный, то в нем находят сг ≥ 3 % (ат.) Р в моноатомном слое.
С понижением температуры от 1300 до 850 оС измеренное равновесное обогащение границ фосфором в аустените нарастало от сг/с0 410 до 820. В феррите равновесное обогащение много больше: сг/с0 1500–4500 при 670–400 оС. В последнем случае для достижения опасной концентрации сг = 3% (ат.) Р на границах зерна достаточно всего 0,0004 % (масс.) Р в стали.
Чем выше температура, тем меньше концентрация фосфора (1.1) на границе в равновесии. Чем ниже температура, тем больше время диффузии до наступления равновесия. Поэтому кинетическая диаграмма образования сегрегаций сг(t,T) обычно с-образна с максимумом скорости при некоторой «промежуточной» температуре. Подобны сг(t,T) и линии равного охрупчивания на поле «температура – время выдержки». При прочих равных условиях, чем больше фосфора в стали, тем больше его и в сегрегации.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.