Раскисление, дегазация и легирование стали
Хан Б.Х., Ищук Н.Я.
Металлургия, 1965 г.
ЛЕГИРОВАНИЕ СТАЛИ
ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ПРИМЕСЕЙ НА СВОЙСТВА СТАЛИ
По химическому составу стали можно разделить на углеродистые и легированные. Сталь называют легированной, если в ней заданным составом обусловлено содержание элементов, отсутствующих в обычной углеродистой стали в значительных количествах, или имеется повышенное против допускаемого в углеродистой стали содержание кремния и марганца.
В состав обычной углеродистой стали входят следующие элементы: С, Si, Μn, Al, S, Ρ, О, Η и N. Содержание углерода обусловливает марку и свойства углеродистой стали. Кремний, марганец и алюминий вводят в эту сталь в незначительных количествах, главным образом для ее раскисления. Марганец и кремний обеспечивают также заданные механические свойства стали. Остальные перечисленные элементы попадают в готовую сталь из шихтовых материалов или печных газов и являются вредными примесями. Кроме указанных элементов, в углеродистой стали всегда содержатся незначительные количества хрома, никеля, меди и молибдена, вносимых шихтой. В углеродистой стали, выплавленной на машиностроительных заводах или заводах, производящих в большом количестве легированные стали, содержание этих элементов выше.
Наиболее распространенными легирующими элементами являются: Сr, Mn, Ni, Si, W, Mo, V, Ti, Cu, Co, Al, B, Nb, Zr, N, As, S, P.
В современной практике особенно часто сталь легируют первыми восемью элементами.
Ниже кратко излагается влияние различных элементов на свойства стали.
Углерод содержится в стали всех марок в количестве от 0,02 до 1,5%. С увеличением содержания углерода повышаются твердость и прочность и понижается пластичность стали. Увеличение количества углерода на каждую 0,1% в пределах до 0,85% повышает предел текучести на 2,8 кг/мм2, предел прочности— на 6,5 кг/мм2, снижает удлинение на 4,3% и сжатие поперечного сечения — на 7,3%. При увеличении содержания углерода более 0,85% его влияние на механические свойства стали проявляются в меньшей степени. Углерод увеличивает режущую способность -стали, повышает электросопротивление, коэрцитивную силу, несколько уменьшает плотность стали; снижает температуру плавления стали примерно на 90° С на каждый процент углерода. В условиях сталеплавильного процесса он является раскислителем и определяет содержание кислорода, растворенного в жидкой стали. В твердой стали углерод образует с железом различные структурные составляющие, что определяет свойства стали и является основой для ее последующей термической обработки.
Марганец содержится во всех сортах стали и является раскислителем или легирующим элементом. Марганец в виде ферромарганца широко используют в сталеплавильных процессах. Он облегчает горячую обработку стали давлением, образуя тугоплавкие соединения с серой и кислородом. Остаточное количество марганца (0,25—1,0%), растворяясь в феррите и частично образуя карбид, положительно влияет на механические свойства стали. В этих пределах марганец улучшает прокаливаемость стали, повышает предел текучести металла и почти не влияет на удлинение. В конструкционные легированные стали вводят до 1,8% Μη. Марганец является аустенитообразующим элементом. Высокоуглеродистая сталь с 13% Μη имеет в закаленном состоянии аустенитную структуру и хорошо сопротивляется истиранию при ударной нагрузке. В комплексе с вольфрамом и молибденом марганец служит заменителем никеля в конструкционных сталях, а с азотом—в нержавеющих сталях.
Кремний, являющийся более сильным раскислителем, чем марганец, вводят в сталь для раскисления в небольших количествах (0,2—0,4%). При содержании более 0,8% кремний является легирующим элементом. В количестве около 1% кремний повышает предел прочности и предел текучести стали, не снижая вязкости металла, поэтому углеродистую сталь с указанным содержанием кремния применяют для изготовления рессор и пружин. Кремнемарганцовистые стали, содержащие кремний и марганец в пределах 1 —1,3%, имеют хорошие пластические и прочностные свойства и служат заменителями хромоникелевой стали. Кремний повышает магнитную проницаемость и электросопротивление, понижает потери на гистерезис, поэтому электротехнические стали содержат кремний (1,5—2% в динамной стали, до 4%—в трансформаторной). Кремний, являясь феррито-образующим элементом, повышает кислотостойкость металла. Сплав, содержащий до 14% кремния (термосилид), применяют для кислотоупорного литья.
Алюминий—энергичный раскислитель. Для раскисления и регулирования размера первичного зерна аустенита в сталь обычно вводят не более 0,2% А1. Алюминий предотвращает старение стали и повышает ее пластические свойства. В хромомо-либденовые и хромистые стали, предназначенные для азотирования, вводят 0,7—1,2% А1.
Сера в обычных сортах стали содержится в количестве 0,01 — 0,05% и почти полностью находится в виде неметаллических включений. Она вызывает красноломкость стали, снижает механические свойства, увеличивает склонность стали к ржавлению и истиранию, уменьшает способность стали к глубокой вытяжке (штамповке). При более высоком содержании сера облегчает обрабатываемость стали на станках, поэтому в специальные сорта стали (автоматную) вводят 0,1—-0,3% S.
Фосфор в стали обычно присутствует в количестве 0,02— 0,1%· Он Вызывает хладноломкость стали. В средне- и высокоуглеродистых сталях это проявляется при меньших содержаниях фосфора, чем в низкоуглеродистых. В сталях, работающих только при повышенных температурах, допускается более высокое содержание фосфора. В гаечную и болтовую сталь для улучшения обрабатываемости вводят около 0,1% Р. Фосфор повышает коррозионную стойкость стали и препятствует слипанию тонких листов при прокатке листового железа.
Хром является одним из наиболее распространенных легирующих элементов, его используют как самостоятельно, так и в комплексе с другими элементами. Содержание хрома в легированной стали колеблется от 0,5 до 30%. Хром является феррито-образующим элементом; его присадка ведет к расширению температурного интервала затвердевания металла. При содержании 1.5% хром увеличивает твердость и прочность стали, не снижая ее пластичности. Для улучшения механических свойств стали вводят около 1% Сг. Хром повышает прочность стали при высоких температурах и увеличивает сопротивление окислению. Сталь, содержащая около 5% Сг, является теплостойкой. В кислотоупорной стали содержание хрома составляет 17—20%, в жаропрочных — 23—28%. Хром увеличивает прокаливаемость стали и несколько уменьшает склонность <к перегреву, увеличивает сопротивление стали истиранию; в количестве 0,15—0,3% предотвращает слипание тонких листов кипящей стали при прокатке пакетами.
Никель применяют для легирования стали в концентрации от 1 до 25%. Он повышает прочность, особенно ударную вязкость стали и сопротивление окислению, увеличивает прокаливаемость, мало влияет на прочность стали при высоких температурах. Никель является аустенитообразующим элементом. В кислотоупорную сталь вводят 8—12% Ni, в окалиностойкую — 18—20%; служит стабилизатором аустенитного состояния при высоких и при низких температурах. В больших количествах никель применяют для производства сплавов (нихромов), предназначенных для изготовления нагревательных элементов. Никель— дорогой и дефицитный металл, поэтому постоянно ведут работы по созданию сталей и сплавов, в которых никель был бы заменен другими элементами.
Молибден для легирования стали вводят в количестве от 0,2 до 5%. Молибден до 0,6% повышает прочность и твердость стали, улучшает пластические свойства. Молибден сильно увеличивает прокаливаемость стали и обладает свойством ликвидировать отпускную хрупкость. В конструкционной стали содержится 0,2—0,4% Мо. Молибден повышает прочность стали при высоких температурах и поэтому его вводят в теплостойкие (0,4—0,6%) и жаропрочные (2—5%) стали. Некоторые жаропрочные сплавы содержат более 5% Мо. Молибден — очень дорогой и дефицитный металл, поэтому проводят большое число исследований с целью замены молибдена в стали другими элементами.
Вольфрам применяют в сталях, работающих при высоких температурах и больших ударных нагрузках. В быстрорежущую инструментальную сталь вводят 8,5 и 18% W, в штамповые и инструментальные— 1—8%, в жароупорные — 2—3%. Вольфрам— карбидообразующий элемент, поэтому сталь, содержащая вольфрам, обладает большой прочностью и твердостью. Стоимость вольфрама очень высока, поэтому его применяют только для некоторых сталей.
Ванадий—карбидообразующий элемент, сильно измельчает зерно аустенита, повышает прочность и увеличивает вязкость металла. Сталь, содержащая ванадий, хорошо сопротивляется ударным нагрузкам. Конструкционная сталь содержит 0,15— 0,4% V, а быстрорежущая инструментальная — 1—2% V. Ванадий— дефицитный металл. При переработке железных руд, содержащих ванадий, он окисляется и переходит в шлак, который специально перерабатывают с целью извлечения ванадия.
Титан образует прочные карбиды и нитриды, сильно измельчает зерно аустенита. 0,4—0,7% Ti вводят в кислотоупорную сталь для связывания углерода в прочные .карбиды, в результате чего уменьшается склонность этой стали к межкристаллической коррозии. Конструкционные стали содержат 0,1—0,15% Ti. Титан вводят в сталь, предназначенную для электросварки, с целью уменьшения самозакаливаемости. В ферритной высокохромистой стали титан измельчает зерно и препятствует образованию аустенита.
Ниобий — сильно карбидообразующий элемент. Повышает прочность и твердость низколегированной стали, а также заметно увеличивает сопротивление стали окислению при высокой температуре. Присаживается в нержавеющую сталь для устранения склонности к межкристаллитной коррозии, а в углеродистую (0,1%) и марганцовистую конструкционную (0,25%) — для ликвидации отпускной хрупкости.
Медь повышает прочность феррита. В количестве до 0,5% увеличивает пластичность стали в холодном состоянии, в количестве 0,2% —сопротивляемость углеродистой стали атмосферной коррозии. 3—4% Си вводят в хромоникелевую нержавеющую сталь для повышения ее коррозионной стойкости, 0,2% Си вводят в сталь, предназначенную для изготовления корпусов кораблей, так как медь препятствует прилипанию водорослей и 'ракушек на подводную часть судна; кроме того, медь повышает предел текучести этих сталей. При содержании меди выше 0,3% в стали образуются участки эвтектического сплава, богатого медью и обладающего низкой температурой плавления. Этот сплав отлагается по границам зерен и вызывает красноломкость, металла при ковке и прокатке.
Бор в количестве 0,002—0,004% вводят в конструкционную сталь, предназначенную для термической обработки, с целью увеличения прокаливаемости. Влияние 0,002% В на увеличение прокаливаемости эквивалентно влиянию 0,2% Мо или 1% Ni, поэтому бор вводят вместо дефицитных элементов в высокопрочные, конструкционные стали. Количество марок стали, содержащей бор, с каждым годом возрастает.
Кобальт — дорогой металл. Быстрорежущая сталь, содержащая кобальт, остается очень твердой при высокой температуре (режущая кромка сохраняет свои свойства даже при температуре красного каления). Магнитотвердые сплавы (алнико) содержат до 24% Со. Кобальт повышает стойкость стали против окисления при высокой температуре, поэтому входит в состав сталей, 'из которых изготовляют лопатки турбин, выхлопные клапаны двигателей внутреннего сгорания и др. Содержание кобальта в изготовляемых сплавах доходит до 55%.
Цирконий вводят в углеродистые и конструкционные стали в. количестве 0,1—0,25%. Цирконий аналогично алюминию измельчает зерно стали, повышает температурный порог начала роста зерна и прокаливаемость стали. Увеличивает предел выносливости стали на воздухе и в коррозионной среде и прочностные характеристики, ударную вязкость при температурах ниже нуля и улучшает свариваемость стали. Цирконий повышает теплоустойчивость стали в пределах температур до 500° С. Комплексное легирование цирконием и другими элементами (ванадием, титаном) сказывается на свойствах стали сильнее, чем легирование одним цирконием. Вследствие высокой стоимости и большого угара (~50%) цирконий не нашел широкого распространения в металлургии, хотя в настоящее время разработано несколько марок стали, рекомендованных промышленности.
Кальций в количестве 0,2—0,5% вводят в углеродистые и конструкционные стали для раскисления. В высоколегированных сталях кальций выполняет роль модификатора. Вводится в сталь обычно в виде силикокальция, реже — в виде металлического кальция. В присутствии алюминия или редкоземельных металлов кальций способствует образованию глобулярных неметаллических включений.
Свинец (до 0,25%) вводят в некоторые стали для облегчения обработки резанием. На механические свойства стали влияет очень мало. Свинец совершенно не растворяется в жидкой стали, образует эмульсию; часть его при взаимодействии со сталью испаряется. Присаживают свинец в изложницы. Пары окислов свинца ядовиты, поэтому необходимо принимать меры к их улавливанию.
Цинк применяют как покрытие тонколистовой стали и труб для защиты от ржавления. В жидкую сталь его вводить нельзя, так как он испаряется при температурах сталеварения.
Олово не применяют в качестве легирующего элемента, а используют как покрытие очень тонкой (белой) жести. В сталь олово попадает из шихты. Олово в количестве 0,06% вызывает хрупкость стали при температурах ковки и прокатки (красноломкость), в количестве до 0,1% не влияет на механические свойства стали, однако в стали, предназначенной для глубокой вытяжки, содержание олова не должно превышать 0,02—0,03%.
Мышьяк попадает в сталь из железных руд. Особенно много мышьяка содержится в стали, выплавляемой из чугуна, полученного из руд Керченского месторождения. Мышьяк в стали не является вредной примесью, и его действие похоже на действие меди. При содержании до 0,1% мышьяк повышает предел прочности и предел упругости стали (на каждую 0,01 % увеличения содержания мышьяка 0,4 кг/мм2). При этом пластичность и ударная вязкость снижаются незначительно. До 0,25% мышьяк не изменяет свариваемость стали. Мышьяк при затвердевании ликвирует подобно сере и фосфору. Присадка мышьяка несколько повышает сопротивляемость стали атмосферной коррозии.
Редкоземельные металлы (церий, лантан и др.), введенные в сталь в виде мишметалла или ферроцерия , заметно влияют на механические и технологические свойства сталей. Церий и лантан применяют в качестве модификаторов различных сталей; одновременно они являются десульфураторами и дегазаторами стали. Количество мишметалла или ферроцерия, вводимых в ковш, колеблется в 'пределах 1—3 кг на тонну жидкой стали. При введении такого количества редкоземельных металлов в слитках л отливках углеродистой, конструкционной и высоколегированной сталей исчезает дендритная структура. Жидкотеку-честь стали при этом повышается, что способствует быстрому удалению сульфидов церия и лантана, образующихся при взаимодействии с жидким металлом. Наиболее полная десульфура-ция кислой стали (примерно на 50%) достигается при введении церия (0,2—0,3%) и силикокальция (0,2—0,3%) непосредственно в струю металла во время выпуска в ковш. Присутствие редпоземельных металлов в стали улучшает ее свариваемость и деформируемость в горячем состоянии. Присадка в сталь Х23Н18 0,1—0,2% ферроцерия способствует измельчению литой структуры металла и улучшению ковкости и прокатываемость слитков. Введение 0,05—0,1% мишметалла в сталь 40Н ослабляет внеосевую зональную неоднородность слитков и отливок, присадка 0,15—0,2% сплава практически предотвращает образование усов в слитках. Церий способствует повышению свойств литой стали до уровня кованой. Чем больше загрязнений в жидкой стали, тем эффективнее влияние обработки ее церием. Чем более легирована сталь, тем меньше оптимальная величина добавок: церия. Для ответственных отливок из углеродистой стали эта величина составляет 0,2—0,3%, для стали, легированной никелем, хромом, кремнием,—0,1—0,15%.
Другие элементы периодической системы в виде примесей также могут присутствовать в стали, однако их содержание настолько ничтожно, что они не оказывают какого-либо заметного влияния на свойства металла. Интересно отметить, что даже в состав технически чистого железа входит около двадцати различных элементов, хотя их общее содержание не превышает 0,25%.