Влияние примесей на свойства чёрных металлов

Наиболее широко распространены в промышленности сплавы железа, называемые чёрными металлами, на долю которых приходится примерно 95% всей металлической продукции. Сплавы железа с углеродом, содержащие £0,02% С, называют техническим железом, содержащие от 0,02% С до 2,14% С называют сталью, содержащие больше 2,14% С – чугуном.

В чёрных металлах углерод находится главным образом в связанном состоянии в виде цементита (карбид железа Fе₃C, содержащий 6,67% С), имеющего высокие твёрдость и хрупкость. В свободном состоянии в виде графита углерод содержится в чугунах. С ростом содержания углерода в сталях возрастают твёрдость, прочность и уменьшаются пластичность, ударная вязкость и хладостойкость. Увеличение содержания углерода на 0,1% приводит к повышению пределов прочности и текучести примерно на 80 МПа.

На свойства чёрных металлов влияет наличие в них постоянных примесей, попадающих из руды, металлического лома, а также в процессе выплавки и раскисления. Одни примеси сопутствуют процессу получения материала и являются вредными (сера, фосфор, кислород, азот, водород), другие – полезными (кремний, марганец и др.).

Рассмотрим вредные примеси.

Сера является очень вредной примесью, содержание которой в стали строго ограничивается и должно быть менее 0,06%. При нагреве стали до ковочных температур 1000-1200°С она приводит к образованию трещин и надрывов, что получило название красноломкости. Сера сильно снижает ударную вязкость, пластичность, предел выносливости, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость.

Фосфор увеличивает пределы прочности и текучести, но сильно снижает пластичность и ударную вязкость, а также приводит к хладноломкости. В большинстве сталей фосфор является вредной примесью, содержание которой не должно превышать 0,08%. В чугуне содержание фосфора не должно превышать 0,3%.

Азот и кислород являются вредными примесями, которые снижают прочность, пластичность, предел выносливости, ударную вязкость, а также приводят к хладноломкости.

Водород является очень вредной примесью, сильно повышает хрупкость стали и приводит к образованию в прокате и поковках тончайших внутренних трещин овальной формы, называемых флокенами, имеющими в изломе вид хлопьевидных пятен серебристого цвета. Сталь, имеющую флокены, уже нельзя использовать в промышленности.

Целенаправленное введение полезных примесей с целью улучшения свойств материала называется легированием. Рассмотрим основные легирующие элементы, приводя в скобках их обозначения русскими буквами в маркировках легированных сталей.

Кремний (С) сильно повышает твёрдость, пределы прочности и текучести, и уменьшает склонность к хладноломкости, но при этом резко снижает пластичность и ударную вязкость в холодном состоянии. Поэтому в сталях, предназначенных для холодной штамповки содержание кремния должно быть ограниченным, особенно с учётом того, что он сильно увеличивает величину деформационного упрочнения. Кремний способствует графитизации чугуна.

Марганец (Г) заметно повышает твёрдость, пределы прочности и текучести, износостойкость, коррозионную стойкость, практически не снижая пластичность и ударную вязкость, и резко уменьшая красноломкость стали, т.е. хрупкость при высоких температурах, вызванную влиянием серы. Марганец сильно увеличивает величину деформационного упрочнения.

Хром (Х) повышает твёрдость, пределы прочности и текучести, коррозионную стой­кость, жаропрочность и жаростойкость, но снижает пластичность.

Никель (Н) повышает пределы прочности и текучести, ударную вязкость, хладостойкость и коррозионную стойкость, жаропрочность и жаростойкость, значительно сильно увеличивает величину деформационного упрочнения, а на пластичность большинства сталей влияет мало.

Вольфрам (В) и молибден (М) повышают пределы прочности и текучести, жаропрочность и жаростойкость, снижают ударную вязкость, а на пластичность влияют мало.

Ванадий (Ф) и титан (Т) повышают пределы прочности и текучести, жаропрочность, жаростойкость, хладостойкость, а также пластичность.

Кобальт (К) повышает пределы прочности и текучести, жаропрочность и жаростойкость, но снижает пластичность.

Цирконий (Ц), ниобий (Б), бор (Р) повышают жаропрочность, жаростойкость и хладостойкость, немного повышают пластичность, пределы прочности и текучести.

Медь (Д) повышает пределы прочности и текучести, но снижает пластичность и может приводить к массовому браку по трещинам.

Алюминий (Ю) сильно (примерно в 3 раза) повышает ударную вязкость, повышает пластичность, жаропрочность и жаростойкость.

Азот (А) сам по себе, как указано выше, является вредной примесью, но в сочетании с ванадием образует нитрид ванадия, позволяющий получить сталь с очень мелким зерном, повышающим предел текучести и придающим большую хладостойкость (хладноломкость наступает лишь при –80°С).

Следует помнить, что чрезмерное легирование ухудшает технологичность стали (ковкость, свариваемость и обрабатываемость) и приводит к резкому повышению её стоимости.