Влияние кремния на свойства стали

Влияние основных легирующих элементов на свойства стали.

Влияние отдельных компонентов на свойства стали

Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Wo, V, А1, В, Ti и др.), а также Мn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.

Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15. 20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых сталей.

Влияние примесей

Постоянные (технологические) примеси являются обязательными компонентами сталей и сплавов, что объясняется трудностью их удаления как при выплавке (Р,S). Так и в процессе раскисления (Si, Mn) или из шихты – легированного металлического лома (Ni, Cr и др.).

К постоянным примесям относят углерод, марганец, кремний, серу, фосфор, а также кислород, водород и азот.

Углерод

При увеличении содержания углерода до 1,2% возрастают прочность, твердость, порог хладноломкости (0,1%С повышает температуру порога хладноломкости на 20С), предел текучести, величина электрического сопротивления и коэрцитивная сила. При этом снижаются плотность, теплопроводность, вязкость, пластичность, величины относительных удлинения и сужения, а также величина остаточной индукции.

Существенную роль играет то, что изменение физических свойств приводит к ухудшению целого ряда технологических характеристик – таких, как деформируемость при штамповке, свариваемость и др. Так, хорошей свариваемостью отличаются низкоуглеродистые стали. Сварка средне и особенно высокоуглеродистых сталей требует применения подогрева, замедляющего охлаждение, и других технологических операций, предупреждающих образование трещин.

Марганец

Марганец вводят в стали как технологическую добавку для повышения степени их раскисления и устранения вредного влияния серы. Марганец считается технологической примесью, если его содержание, не превышает 0,8%. Марганец как технологическая примесь существенного влияния на свойства стали не оказывает.

Кремний

Кремний также вводят в сталь для раскисления. Содержание кремния как технологической примеси обычно не превышает 0,37%. Кремний как технологическая примесь влияния на свойства стали не оказывает. В сталях, предназначенных для сварных конструкций, содержание кремния не должно превышать 0,12-0,25%.

Сера

Пределы содержания серы как технологической примеси составляют 0,035-0,06%. Повышение содержания серы существенно снижает механические и физико-химические свойства сталей, в частности, пластичность, ударную вязкость, сопротивление истиранию и коррозионную стойкость. При горячем деформировании сталей и сплавов большое содержание серы ведет к красноломкости. Кроме того, повышенное содержание серы снижает свариваемость готовых изделий.

Фосфор

Пределы содержания фосфора как технологической примеси составляют 0,025-0,045%. Фосфор, как и сера, относится наиболее вредным примесям в сталях и сплавах. Увеличение его содержания, даже на доли процента, повышая прочность, одновременно повышает текучесть, хрупкость и порог хладноломкости и снижает пластичность и вязкость. Вредное влияние фосфора особенно сильно сказывается при повышенном содержании углерода.

Кислород и азот

Кислород и азот растворяются в ничтожно малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями (оксидами, нитридами, газовой фазой). Они оказывают отрицательное воздействие на свойства, вызывая повышение хрупкости и порога хладноломкости, а также снижают вязкость и выносливость. При содержании кислорода более 0,03% происходит старение стали, а более 0,1% – красноломкости. Азот увеличивает прочность и твердость стали, но снижает пластичность. Повышенное количество азота вызывает деформационное старение. Старение медленно развивается при комнатной температуре и ускоряется при нагреве до 250oС.

Водород

Увеличение его содержания в сталях и сплавах приводит к увеличению хрупкости. Кроме того, в изделиях проката могут возникнуть флокены, которые развивает водород, выделяющийся в поры. Флокены инициируют процесс разрушения. Металл, имеющий флокены, нельзя использовать в промышленности.

Влияние легирующих элементов

Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15-20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых.

Все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости.

Классификация

По применимости для легирования можно выделить три группы элементов. Применимость для легирования различных элементов определяется не столько физическими, сколько, в основном, экономическими соображениями.

Легирующие элементы по механизму их воздействия на свойства сталей и сплавов можно разделить на три группы:

влияние на полиморфные (альфа-Fe -> гамма-Fe) превращения;
образование с углеродом карбидов (Сг,Fе)₇С₃; (Сг,Ре)₂₃С₆; Мо₂С и др.;
образование интерметаллидов (интерметаллических соединений) с железом – Fе₇Мо₆; Fe₃Nb и др.

По характеру влияния на полиморфные превращения легирующие элементы можно разделить на две группы:

элементы (Cr, W, Mo, V, Si, Al и др.), достаточное содержание которых обеспечивает существование в сталях при всех температурах легированного феррита (ферритные ставы);
элементы (Ni, Mn и др.), стабилизирующие при достаточной концентрации легированный аустенит при всех температурах (аустенитные сплавы). Сплавы, только частично претерпевающие превращение гамма->альфа, называются, соответственно, полуаустенитными или полуферритными.

Легирование феррита сопровождается его упрочнением. Наиболее значительно влияют на его прочность марганец и хром. Причем чем мельче зерно феррита, тем выше его прочность.
Многие легирующие элементы способствуют измельчению зерен феррита и перлита в стали, что значительно увеличивает вязкость стали. Однако все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости. Никель понижает порог хладноломкости.
Легированный аустенит парамагнитен, обладает большим коэффициентом теплового расширения. Легирующие элементы, в том числе азот и углерод, растворимость которого в аустените при нормальной температуре достигает 1%, повышают его прочность при нормальной и высокой температурах, уменьшают предел текучести.
Легированный аустенит является основной составляющей многих коррозионностойких, жаропрочных и немагнитных сплавов. Он легко наклепывается, то есть быстро и сильно упрочняется под действием холодной деформации.
Легирующие элементы (исключение кобальт), повышая устойчивость аустенита, снижают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость. Для многих аустенитных сплавов критическая скорость закалки снижается до 20°С/с и ниже, что имеет большое практическое значение.
Карбидообразующие элементы: Fe – Mn – Cr – Mo – W – Nb – V – Zr – Ti (за исключением марганца) препятствуют росту зерна аустенита при нагреве. Сталь, легированная этими элементами, при одинаковой температуре сохраняет более высокую дисперсность карбидных частиц, и соответственно большую прочность.
Интерметаллиды образуются при высоком содержании легирующих элементов между этими элементами или с железом. Примером таких соединений могут служить Fe₇Mo₆, Fe₃Nb₂ и др. Интерметаллиды, как правило, отличают повышенные твердость и хрупкость.

Читать еще: Какая сталь используется для изготовления ножей

В следующей таблице показано влияние наиболее применяемых легирующих элементов на свойства стали.

Основные свойства и значение кремния

Кремний

Кремний имеет следующие физико-химические свойства: атомную массу 28,06; плотность 2,4 г/см 3 ; температуру плавления 1414°С; температуру кипения 2287°С; теплоту плавления 39,76 кДж/моль. В жидком железе кремний имеет неограниченную растворимость, в твердом — ограниченную (до 14%). С железом кремний образует несколько соединений — Fe₃Si₂, FeSi и FeSi₅, но в жидком железе устойчивым является только силицид FeSi (33,3% Si), имеющий температуру плавления 1410°С. Кислородным соединением кремния, устойчивым в сталеплавильных ваннах, является SiO₂ (температура плавления 1710°С).

Кремний является одним из наиболее распространенных в природе и занимает второе место после кислорода (в земной коре 26 % Si). Вследствие высокого химического сродства к кислороду и большой доступности кремний при производстве стали прежде всего используется в качестве раскислителя. Кроме того, кремний вводят в металл для его легирования.

Для раскисления кремний вводят в спокойную сталь обычно в количестве 0,15—0,35 %, в полуспокойную сталь — до 0,10—0,12 %. В кипящей стали кремний является нежелательной примесью, ухудшающей кипение металла в изложнице и строение слитка, поэтому содержание кремния в кипящей стали не должно превышать 0,02—0,03 %.

Кремний как легирующий элемент в сталях содержится в количестве 0,5—0,6 % и более.

Сталь, легированная кремнием, обладает более высокими значениями предела текучести, упругости, ударного сопротивления, небольшим остаточным магнетизмом, хорошей прока-ливаемостью, жароупорностью, способностью в закаленном состоянии сохранять твердость при относительно высоких температурах и другими полезными свойствами. Кремнием легируют стали различного назначения: конструкционные (0,8—1,5% Si), инструментальные (1,2—1,6% Si); пружинно-рессорные (1,3—2,0% Si), жаро- и окалиностойкие (2,0—3,0% Si), динамно-трансформаторные (2,5—4,5 % Si) и др. Обычно сталь легируют кремнием в сочетании с другими примесями, чаще всего в сочетании с хромом и марганцем.

Кремний, содержащийся в металлической шихте, хотя во время плавки окисляется и теряется практически полностью, но на ход процесса, как правило, влияет положительно. Это выражается в улучшении теплового баланса плавки, поскольку среди обычных примесей металлической шихты кремний окисляется с выделением наибольшего количества тепла.

В любых сталеплавильных шлаках кремнезем является одним из важнейших компонентов. Кремнезем, получающийся в результате окисления кремния в ванне, активнее вносимого в готовом виде и ускоряет процесс формирования шлака. Однако кремнезем, образующийся при окислении кремния металла, оказывает разрушающее действие на основную футеровку, особенно в процессах с высоким расходом жидкого чугуна, например в конвертерных. Кроме того, при очень высоком содержании кремния образуется большое количество шлака, которое не всегда является желательным, поэтому обычно устанавливаются пределы содержания кремния в чугуне. Например, для основного мартеновского и кислородно-конвертерного процессов содержание кремния в чугуне желательно иметь в пределах 0,5—0,8%.

Поведение кремния в сталеплавильных ваннах.Кремний является обязательной примесью чугуна и в том или ином количестве содержится в ломе. Обычно содержание кремния в металлической шихте довольно высокое (0,5—1,0%). Кремнезем является сильным кислотным оксидом, поэтому полнота протекания реакции окисления кремния также зависит от типа процесса, точнее, характера шлака, под которым проводится плавка.

В основных процессахкремнезем образует в шлаке прочные соединения: в начале плавки силикаты железа 2FeO•SiO₂ и кальция СаО•SiO₂, в дальнейшем силикат кальция 2СаО•SiO₂. Благодаря этому активность SiO₂ в шлаке очень низкая даже при высокой его концентрации и кремний в основных процессах окисляется практически полностью еще в начале плавки, а по ходу плавки в заметных количествах не восстанавливается, независимо от присутствия углерода и других обычных примесей чугуна и изменения температуры ванны. В начале плавки окислению кремния способствуют относительно низкая температура ванны и высокое содержание FeO в шлаке. По ходу плавки температура ванны повышается. Это вызывает смещение реакции влево, в сторону восстановления кремния, так как реакция является экзотермической. Однако с повышением температуры ванны одновременно происходит увеличение основности шлака, что способствует более глубокому обескремниванию металла с образованием наиболее прочного силиката кальция 2СаО•SiO₂. В результате действия этих двух противоположных факторов остаточное содержание кремния в металле остается примерно на одном уровне, составляющем обычно 0,01—0,02%.

Читать еще: Химическое воронение стали в домашних условиях

Это остаточное содержание кремния в металле не влияет ни на ход процесса, ни на качество готовой стали обычных марок, поэтому остаточным содержанием кремния в металле пренебрегают, т. е. считают, что в основных процессах в результате окислительного рафинирования из металла кремний удаляется полностью.

При основных процессах состав шлака регулируется введением того или иного количества флюсов (извести или известняка), поэтому независимо от содержания кремния в исходной шихте получают, по крайней мере к концу плавки, определенное содержание SiO₂ в шлаке. Разное содержание кремния в исходной металлической шихте и кремнезема в неметаллической шихте лишь приводит к расходу различного количества флюсов и получению неодинакового количества шлака.

В кислых процессах активность SiO₂ в шлаке во много раз выше, чем в основных процессах, поэтому остаточное содержание кремния в металле значительно больше и может достигать 0,4%. В начале плавки вследствие низкой температуры ванны и высокого содержания FeO в шлаке кремний окисляется полнее, остаточное содержание его бывает относительно низким (

0,05%). К концу плавки температура ванны повышается, и это одновременно способствует и снижению содержания оксидов железа в шлаке и повышению концентрации (активности) кремнезема в результате поступления его из футеровки агрегата. Изменение этих параметров плавки оказывает одинаковое действие на реакцию окисления кремния — смещает ее влево, в сторону восстановления кремния. Наибольшее восстановление кремния возможно тогда, когда шлак насыщен SiO₂.

Насыщение шлака кремнеземом приводит к увеличению его вязкости, поэтому шлак систематически разжижают введением различных основных оксидов (железа, марганца, кальция) в виде железной или марганцевой руды, извести. При этом активность SiO₂ в шлаке снижается, что приводит к уменьшению остаточного содержания кремния до 0,05—0,15%.

Обеспечение заданного содержания кремния в готовой стали.В основных процессах, имеющих в настоящее время решающее значение в производстве стали, остаточное содержание кремния в металле в конце окислительного рафинирования ничтожно мало (следы), поэтому кремний как полезная примесь в необходимом количестве вводится в металл после окончания окислительного рафинирования. Для этой цели обычно используют различные железокремнистые сплавы, называемые ферросилицием. Иногда кремний входит и в состав комбинированных сплавов, например, с марганцем, хромом, алюминием, кальцием и другими элементами.

Ввиду высокого химического сродства кремния к кислороду при введении ферросилиция или другого сплава, содержащего кремний, в сталеплавильный агрегат при наличии окислительного шлака в нем наблюдается значительный угар кремния. Поэтому целесообразно вводить кремний не в сталеплавильную ванну, а в сталеразливочный ковш во время выпуска плавки.

На практике для раскисления ферросилиций иногда вводят в печь. В некоторых случаях во время раскисления и легирования стали возможно не только окисление, но и восстановление кремния. Это обычно бывает тогда, когда в металл вводят в больших количествах (0,5—1,0%) сильные раскнслители (алюминий, титан и др.), а содержание кремния в металле невысокое. Восстановление кремния из футеровки ковша получает большое развитие при длительном перемешивании металла в ковше во время вакуумирования и продувки нейтральным газом. В связи с этим вакуумирование или обработку нейтральным газом металла с высоким содержанием титана и алюминия нельзя вести в ковше, футерованном шамотом. Ковш должен иметь иную футеровку, например, доломитовую. При длительной обработке металла в условиях глубокого вакуума восстановление кремния из футеровки и шлака возможно и под действием углерода металла, так как при разрежении углерод становится сильным раскислителем. В этом случае также нежелательна шамотная футеровка ковша.

\|	следующая лекция ==>
Окисление и восстановление марганца	\|	Окисление и восстановление кремния

Дата добавления: 2014-01-03 ; Просмотров: 1758 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Влияние химических элементов на свойства стали.

Каталог

Наша группа

Влияние хим. элементов на свойства стали.

Условные обозначения химических элементов:

хром ( Cr ) — Х
никель ( Ni ) — Н
молибден ( Mo ) — М
титан ( Ti ) — Т
медь ( Cu ) — Д
ванадий ( V ) — Ф
вольфрам ( W ) — В

азот ( N ) — А
алюминий ( Аl ) — Ю
бериллий ( Be ) — Л
бор ( B ) — Р
висмут ( Вi ) — Ви
галлий ( Ga ) — Гл

иридий ( Ir ) — И
кадмий ( Cd ) — Кд
кобальт ( Co ) — К
кремний ( Si ) — C
магний ( Mg ) — Ш
марганец ( Mn ) — Г

свинец ( Pb ) — АС
ниобий ( Nb) — Б
селен ( Se ) — Е
углерод ( C ) — У
фосфор ( P ) — П
цирконий ( Zr ) — Ц

ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ НА СТАЛЬ И ЕЕ СВОЙСТВА

Углерод — находится в стали обычно в виде химического соединения Fe₃C, называемого цементитом. С увеличением содержания углерода до 1,2% твердость, прочность и упругость стали увеличиваются, но пластичность и сопротивление удару понижаются, а обрабатываемость ухудшается, ухудшается и свариваемость.

Кремний — если он содержится в стали в небольшом количестве, особого влияния на ее свойства не оказывает.(Полезная примесь; вводят в качестве активного раскислителя и остается в стали в кол-ве 0,4%)

Марганец — как и кремний, содержится в обыкновенной углеродистой стали в небольшом количестве и особого влияния на ее свойства также не оказывает. (Полезная примесь; вводят в сталь для раскисления и остается в ней в кол-ве 0,3-0,8%. Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы.

Сера — является вредной примесью. Она находится в стали главным образом в виде FeS. Это соединение сообщает стали хрупкость при высоких температурах, например при ковке, — свойство, которое называется красноломкостью. Сера увеличивает истираемость стали, понижает сопротивление усталости и уменьшает коррозионную стойкость. В углеродистой стали допускается серы не более 0,06-0,07%. ( От красноломкости сталь предохраняет марганец, который связывает серу в сульфиды MnS).

Читать еще: Индукционная закалка стали

Фосфор — также является вредной примесью. Снижает вязкость при пониженных температурах, то есть вызывает хладноломкость. Обрабатываемость стали фосфор несколько улучшает, так как способствует отделению стружки.

ЛЕГИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СВОЙСТВА СТАЛИ

Хром (Х) — наиболее дешевый и распространенный элемент. Он повышает твердость и прочность, незначительно уменьшая пластичность, увеличивает коррозионную стойкость; содержание больших количеств хрома делает сталь нержавеющей и обеспечивает устойчивость магнитных сил.

Никель (Н) — сообщает стали коррозионную стойкость, высокую прочность и пластичность, увеличивает прокаливаемость, оказывает влияние на изменение коэффициента теплового расширения. Никель – дорогой металл, его стараются заменить более дешевым.

Вольфрам (В) — образует в стали очень твердые химические соединения – карбиды, резко увеличивающие твердость и красностойкость. Вольфрам препятствует росту зерен при нагреве, способствует устранению хрупкости при отпуске. Это дорогой и дефицитный металл.

Ванадий (Ф) — повышает твердость и прочность, измельчает зерно. Увеличивает плотность стали, так как является хорошим раскислителем, он дорог и дефицитен.

Кремний (С)- в количестве свыше 1% оказывает особое влияние на свойства стали: содержание 1-1,5% Si увеличивает прочность, при этом вязкость сохраняется. При большем содержании кремния увеличивается электросопротивление и магнитопроницаемость. Кремний увеличивает также упругость, кислостойкость, окалиностойкость.

Марганец (Г) — при содержании свыше 1% увеличивает твердость, износоустойчивость, стойкость против ударных нагрузок, не уменьшая пластичности.

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

Молибден (М) — увеличивает красностойкость, упругость, предел прочности на растяжение, антикоррозионные свойства и сопротивление окислению при высоких температурах.

Титан (Т) — повышает прочность и плотность стали, способствует измельчению зерна, является хорошим раскислителем, улучшает обрабатываемость и сопротивление коррозии.

Ниобий (Б) — улучшает кислостойкость и способствует уменьшению коррозии в сварных конструкциях.

Алюминий (Ю) — повышает жаростойкость и окалиностойкость.

Медь (Д) — увеличивает антикоррозионные свойства, она вводится главным образом в строительную сталь.

Церий — повышает прочность и особенно пластичность.

Цирконий (Ц) — оказывает особое влияние на величину и рост зерна в стали, измельчает зерно и позволяет получать сталь с заранее заданной зернистостью.

Лантан, цезий, неодим — уменьшают пористость, способствуют уменьшению содержания серы в стали, улучшают качество поверхности, измельчают зерно.

Влияние кремния на свойства стали

ПРИНИМАЕМ ЗАЯВКИ НА ПОСТАВКУ МЕТАЛЛА ПОД ЗАКАЗ

Влияние состава стали на ее свойства:

Углерод – неотъемлемая часть любой стали, так как сталь это сплав углерода с железом. Процентное содержание углерода определяет механические свойства стали. С увеличением содержания углерода в составе стали, твердость, прочность и упругость стали увеличиваются, но пластичность и сопротивление удару понижаются, а обрабатываемость и свариваемость ухудшается.

Кремний – незначительное его содержание в составе стали особого влияния на ее свойства не оказывает. При повышении содержания кремния значительно улучшаются упругие свойства, магнитопроницаемость, сопротивление коррозии и стойкость к окислению при высоких температурах.

Марганец – в углеродистой стали содержится в небольшом количестве и особого влияния на ее свойства не оказывает. Однако он образует с железом твердое соединение повышающее твердость и прочность стали, несколько уменьшая ее пластичность. Марганец связывает серу в соединение MnS, препятствуя образованию вредного соединения FeS. Кроме того, марганец раскисляет сталь. Сталь в состав которой входит большое количество марганца приобретает существенную твердость и сопротивление износу.

Сера – является вредной примесью в составе стали, где она находится преимущественно в виде FeS. Это соединение придает стали хрупкость при высоких температурах – красноломкость. Сера увеличивает истираемость стали, понижает сопротивление усталости и уменьшает коррозионную стойкость.
В углеродистой стали допустимое содержание серы – не более 0,07%.

Фосфор – также является вредной примесью в составе стали. Он образует с железом соединение Fe₃P. Кристаллы этого соединения очень хрупки, вследствие чего сталь приобретает высокую хрупкость в холодном состоянии – хладноломкость. Отрицательное влияние фосфора наибольшим образом сказывается при высоком содержании углерода.

Легирующие компоненты в составе стали и их влияние на свойства:

Алюминий – сталь, состав которой дополнен этим элементом, приобретает повышенную жаростойкость и окалиностойкость.

Кремний – увеличивает упругость, кислостойкость, окалиностойкость стали.

Марганец – увеличивает твердость, износоустойчивость, стойкость против ударных нагрузок при этом не уменьшает пластичности.

Медь – улучшает коррозионностойкие свойства стали.

Хром – повышает твердость и прочность стали, незначительно уменьшая пластичность, увеличивает коррозионностойкость. Содержание больших количеств хрома в составе стали придает ей нержавеющие свойства.

Никель – также как и хром придает стали коррозионную стойкость, а также увеличивает прочность и пластичность.

Вольфрам – входя в состав стали, образует очень твердые химические соединения – карбиды, резко увеличивающие твердость и красностойкость. Вольфрам препятствует расширению стали при нагреве, способствует устранению хрупкости при отпуске.

Ванадий – повышает твердость и прочность стали, увеличивает плотность стали. Ванадий является хорошим раскислителем.

Кобальт – повышает жаропрочность, магнитные свойства, увеличивает стойкость против ударных нагрузок.

Молибден – увеличивает красностойкость, упругость, предел прочности на растяжение, улучшает антикоррозионные свойства стали и сопротивление окислению при высоких температурах.

Титан – повышает прочность и плотность стали, является хорошим раскислителем, улучшает обрабатываемость и увеличивает коррозионностойкость.

Наш адрес: ул. Мурманская, 56
“Кыргыз Темир”, СКЛАД №2

E-mail: pm-kg@mail.ru
www.pm.kg

Оценка статьи:

Загрузка...