Полезные примеси в сталях

Обновлено: 22.01.2025

Чистота стали является важным фактором ее качества. Поэтому потребность в более чистых сталях растет с каждым годом. Так называемые чистые стали – это обычно стали, в которых содержание примесей, таких как, фосфор, сера, кислород, азот, водород – иногда и углерод, а также неметаллических включения очень низкое.

Чистота стали — теория и практика

Повышение чистоты стали становится поэтому все более и более важной целью для ученых-металлургов, а также важной задачей для производителей чугуна и стали. Потребность в сталях с повышенными механическими свойствами вынуждает производителей стали повышать чистоту их конечной продукции. Чтобы достичь удовлетворительной чистоты стали необходимо контролировать и совершенствовать весь комплекс технологических операций в ходе всего процесса производства стали, такие как раскисление, легирование, вторичные металлургические обработки, разливка.

Что такое «чистая сталь»

Поскольку термин «чистая сталь» весьма расплывчатый, некоторые авторы вводят более точные формулировки такой стали:

«высокочистая сталь» – сталь с низким уровнем растворимых примесей;
«сталь с низким содержанием примесей» — примесей, которые возникают при переплавке стального лома;
«чистая сталь» — сталь с низким уровнем дефектов, которые связаны с присутствием оксидов.

Польза от чистоты стали

Хорошо известно, что индивидуальное и совместное воздействие углерода, фосфора, серы, азота, водорода и общего содержания кислорода в стали могут оказывать заметное влияние на свойства стали, такие как:

прочность при растяжении;
способность к формовке – значительному пластическому деформированию без образования трещин;
вязкость;
свариваемость;
сопротивление растрескиванию;
сопротивление коррозии;
усталостная прочность и так далее.

Кроме того, чистая сталь требует контроля за неметаллическими оксидными включениями – их размеров, распределения, морфологии и химического состава.

Контроль примесных элементов, которые были выше перечислены, может быть различным для различных типов и марок стали. Дело в том, что влияние обычных примесей в стали на их механические свойства в одних случаях может весьма значительным и вредным, а в других – незначительным и даже полезным.

Влияние серы и кислорода

Кислород и сера образуют оксидные и сульфидные включения.
Эти включения неблагоприятно влияют на:

пластические свойства (удлинение, сужение и способность к гибке);
способность к холодной ковке и волочению;
уровень низкотемпературной вязкости;
усталостную прочность.

Влияние углерода и азота

повышают закаливаемость стали, но снижают ее пластические и вязкие свойства;
способствуют формированию перлита и цементита со снижением пластичности и вязкости;
способствуют охрупчиванию стали через выделение карбидов и нитридов по границам зерен.

Влияние фосфора

Фосфор образует с железом твердый раствор:

повышает закаливаемость;
способствует отпускной хрупкости;
повышает склонность к охрупчиванию.

Примеси и включения в различных сталях

Как уже упоминалось, чистота стали зависит от количества, морфологии и размерного распределения неметаллических включений. Включения генерируют большинство дефектов в сталях. Поэтому для многих изделий ограничивают максимальный размер включений, однако общее количество включения и их распределение по размерам тоже является важными факторами чистоты стали.

Например, максимальное содержание углерода в автомобильных листовых сталях и сталях глубокой высадки не должно превышать 30 ppm и азота – 50 ppm, размер неметаллических включений не должен превышать 100 мкм.

В листовых сталях для штамповки консервных банок содержание углерода не должно быть более 30 ppm, азота – 40 ppm, а общее содержание кислорода – 20 ppm.

В легированных сталях для изготовления сосудов высокого давления содержание фосфора не превышает 70 ppm.

Трубные стали имеют ограничение по сере – 30 ppm, азоту – 50 ppm, кислороду – 30 ppm, а также по максимальному размеру неметаллических включений — 100 мкм.

В свариваемых стальных плитах содержание водорода не должно превышать 1,5 ppm.

Подшипниковая сталь содержит кислорода не более 10 ppm, а неметаллические включения — не больше 10 мкм.

Кордовая сталь для автомобильных покрышек может содержать не более: 2 ppm водорода, 40 ppm азота, 15 ppm кислорода, а также неметаллические включения не более 10 мкм.

Стали для производства толстых листов: водорода – не более 2 ppm, азота – не более 30-40 ppm, общего кислорода – не более 20 ppm, а также одиночные неметаллические включения – не более 13 мкм, кластеры включений – не более 200 мкм.

Стальная проволока: азота – не более 60 ppm, общее содержание кислорода – не более 30 ppm, неметаллические включения – не более 20 мкм.

Технологический контроль чистоты стали

Чистота стали контролируется в ходе всех технологических операций производства стали. Этот контроль включает:

Полезная информация

Примесью в стали являются химические элементы, которые перешли в состав стали в процессе производства. В сталях всегда присутствуют постоянные, вредные и случайные примеси, так как сталь является многокомпонентным сплавом

В этой статье мы выясним как те или иные примеси в стали влияют на ее качество, какие из них полезны, а какие вредны.

Полезные примеси в стали

В первую очередь, полезными примесями являются следующие химические элементы — кремний и марганец, рассмотрим их.

Марганец. Благодаря этому элементу в составе стали повышается ее прокаливаемость, а вредное воздействие серы, наоборот, понижается.

Кремний. Этот элемент повышает прочность стали, из-за того что раскисляет ее. Кремний вводят в сталь специально при выплавке.

Вредные примеси в стали

Рассмотрим какое негативное влияние оказывают на сталь такие химические элементы, как сера и фосфор.

Сера. Данный элемент отрицательно влияет на пластичность и вязкость стали. Сталь с примесью серы становится красноломкой при ковке и прокатке. Однако сера может влиять на сталь и положительно. Сера придает более оптимальные для обработки свойства. Поэтому, в некоторых случаях, содержание серы все же допустимо — только в автоматической стали неответственного назначения.

Фосфор. Так как кристаллическая решетка фосфора значительно отличается от решетки стали, из-за этого фосфор в стали негативно влияет на пластичность стали. Фосфор содержится в руде, из которой выплавляют сталь.

Такие газы как кислород, азот и водород также негативно сказываются на качестве стали. Кислород и азот в стали уменьшают ее вязкость и пластичность, а водород вызывает хрупкость стали.

Специальные примеси

Существуют и специальные примеси, которые добавляют, чтобы получить определенные свойства. Такие примеси называют легирующими элементами, а стали — легированными сталями. Рассмотрим их назначение

Хром— повышает твердость и прочность стали.
Никель — не ухудшая свариваемости стали, увеличивает ее пластические и прочностные свойства.
Молибден — повышает прочность и твердость стали, делая её теплоустойчивой, увеличивает несущую способность конструкций при ударных нагрузках и высоких температурах. В то же время, он затрудняет сварку, так как активно окисляется и выгорает.
Ванадий — повышает вязкость и пластичность стали и улучшает ей структуру. Способствует закаливаемости, что ухудшает свариваемость.
Вольфрам — увеличивает твердость и работостойкость стали при высоких температурах.
Медь — несколько повышает прочность стали, но меньше, чем марганец и кремнии, увеличивает стойкость ее против коррозии. Избыточнее содержание меди способствует старению стали и несколько ухудшает ее свариваемость.
Титан и ниобий — повышают коррозионные свойстве стали.
Добавка свинца, кальция — улучшает обрабатываемость резанием.

Вредные и полезные примеси в стали

Помимо железа и углерода (основных компонентов), сталь состоит из различных добавок и включений. Их можно условно разделить на две группы – вредные и полезные примеси. К первой категории относятся вещества и соединения, которые негативно влияют на потребительские качества стали. Элементы второй группы оказывают диаметрально противоположное действие, они способствуют улучшению тех или иных характеристик металла. Чтобы получить сталь, которая обладает оптимальными значениями основных характеристик (твердость, ударная вязкость, предел текучести), необходимо как можно подробнее разобраться в обеих группах примесей, какие элементы входят в них и каково влияние на качество стали отдельно взятых компонентов.

Вредные примеси стали

Название этой группы примесей имеет негативный подтекст, однако не стоит думать, что это абсолютное зло. Дело в том, что некоторые из них, помимо отрицательного влияния на качество металла, оказывают и положительное воздействие. Нужно еще учитывать, что от некоторых элементов из этой группы избавиться в принципе невозможно – они в том или ином количестве присутствуют в любой марке стали.

Сурьма

Негативным свойством этого компонента является сегрегация на поверхности зерен, которая происходит во время затвердевания стали. Эта особенность сурьмы способствует увеличению отпускной хрупкости легированных сталей. Наличие сурьмы в химическом составе сплава особенно негативно сказывается на качестве поверхности слитков, которые отлиты непрерывным способом.

Наличие азота приводит к образованию в структуре стали нитридов – неметаллических инородных включений, снижающих качество стали. Однако азот нельзя отнести только к вредным примесям, так как этот элемент оказывает на металл и положительное влияние. Дело в том, что благодаря азоту увеличивается аустенитная область диаграммы состояния железо-углерод. Аналогичным качеством обладает дорогой никель, поэтому при помощи азота можно заменить этот легирующий элемент, но не полностью.

Этот компонент считается для стали наиболее вредным. В стали примесь образует сульфид меди, из-за чего снижаются основные характеристики: свариваемость, пластичность, ударная вязкость. Кроме того, сера делает сталь хладоломкой, так как на границах кристаллов образуются сульфидные эвтектики. Из-за этих качеств содержание серы в сталях ограничено определенными нормами. Например, в высококачественных марках содержание серы не превышает 0,02-0,03%. В сталях общего назначения массовая доля этой примеси варьируется в пределах 0,03-0,04%. Чтобы свести содержание к минимуму, сталь подвергается специальной обработке, после которой массовая доля серы сокращается до 0,005%.

Фосфор

Это вещество не зря идет следом за серой, так как тоже считается наиболее вредным. Фосфор приводит к увеличению хладоломкости стали и снижению ударной вязкости металла. Наличие фосфора в сталях, легированных хромом, никелем и марганцем, способствует замедлению распада мартенсита и увеличивает упрочняемость стали. Коррозия аустенитной нержавеющей стали при контакте с сильным окислителем – тоже вина фосфора.

Углерод

Попадание этого компонента стали в данную категорию может вызывать удивление, так как наряду с железом углерод является основным компонентом стали любой марки. Однако нужно понимать, что чрезмерное количество углерода способствует переходу металла в хладоломкое состояние – увеличивается твердость и уменьшается предел прочности. Кроме того, увеличение процентного содержания углерода приводит к повышению электрического сопротивления металла и коэрцитивной силы.

Олово

Из-за сегрегации на границах зерен олова в составе стали уменьшает пластичность металла в аустенитно-ферритной области. Даже минимальное количество олова в химическом составе приводит к отпускной хрупкости металла. Особенно важно свести к минимуму содержание этого элемента при отливке слитков непрерывным способом.

Кислород

Для стали крайне важна такая характеристика, как пластичность, которая уменьшается из-за содержания кислорода. Кислород может попасть в состав не только во время выплавки, но и при сварке. Чтобы этого не допустить, используется сварка в среде защитных газов – аргоне, гелии. Для снижения содержания кислорода используется раскисление.

Полезные примеси стали

Если говорить о веществах, которые улучшают характеристики металла, то к ним относится:

хром – увеличивает коррозионную устойчивость и твердость, при большом содержании хрома сталь становится нержавеющей;
никель – увеличивает прочность и пластичность сплава;
алюминий – способствует увеличению жаростойкости и устойчивость к образованию окалины;
вольфрам – увеличивает красностойкость и твердость металла за счет способности образовывать карбиды (сверхтвердые соединения);
кобальт – увеличивает жаростойкость и удароустойчивость;
титан – уменьшает содержание вредного кислорода, повышает коррозионноустойчивость и обрабатываемость;
ванадий – как и титан, считается эффективным раскислителем, увеличивает плотность и прочность металла.

Перечень отнюдь не исчерпывающий, существуют и другие элементы, улучшающие качества стали. Именно они используются при выплавке легированных, нержавеющих и жаропрочных сталей. Узнать о составе металла можно из обозначения той или иной марки стали.

Примеси в сталях: вредные и полезные

Примеси: постоянные, скрытые и случайные

Марганец, кремний, алюминий, серу и фосфор относят к постоянным примесям. Алюминий вместе с марганцем и кремнием применяется в качестве раскислителя и поэтому в малых количествах они всегда есть в раскисленных сталях. Руды железа, а также топливо и флюсы всегда содержат определенное количество фосфора и серы, которые остаются в чугуне, а затем переходят и в сталь.

Азот называют скрытой примесью – он поступает в сталь в основном из воздуха.

К случайным примесям относят медь, мышьяк, олово, цинк, сурьму, свинец и другие элементы. Они попадают в сталь с шихтой – с рудами из различных месторождений, а также из железного лома.

Все примеси – постоянные, скрытые и случайные – в разной степени являются неизбежными из-за технологии производства стали. Так, спокойная сталь обычно содержит эти примеси в следующих пределах: 0,3-0,7 % марганца; 0,2-0,4 % кремния; 0,01-0,02 % алюминия; 0,01-0,05 % фосфора, 0,01-0,04 % серы, 0,-0,2 % меди. В этих количествах эти элементы рассматривают как примеси, а в бóльших количествах, которые вносят в стали намеренно, их уже считают легирующими элементами.

Влияние фосфора на свойства сталей

Фосфор (Р) сегрегирует при затвердевании стали, но в меньшей степени, чем углерод и сера. Фосфор растворяется в феррите и за счет этого повышает прочность сталей. С увеличением содержания фосфора в сталях их пластичность и ударная вязкость снижается и повышается склонность к хладноломкости.

Растворимость фосфора при высокой температуре достигает 1,2 %. С понижением температуры растворимость фосфора в железе резко падает до 0,02-0,03 %. Такое количество фосфора характерно для для сталей, то есть весь фосфор обычно растворен в альфа-железе.

Фосфор имеет сильную тенденцию сегрегировать на границах зерен, что приводит к отпускной хрупкости легированных сталей, особенно в марганцевых, хромистых, магниево-кремниевых, хромоникелевых и хромомарганцевых сталях. Фосфор, кроме того, увеличивает упрочняемость сталей и замедляет, как и кремний, распад мартенсита в сталях.

Повышенное содержание фосфора часто задают в низколегированных сталях для улучшения их механической обработки, особенно автоматической.

В низколегированных конструкционных сталях с содержанием углерода около 0,1 % фосфор повышает прочность и сопротивление атмосферной коррозии.

В аустенитных хромоникелевых сталях добавки фосфора способствуют повышению предела текучести. В сильных окислителях наличие фосфора в аустенитных нержавеющих сталях может приводить к их коррозии по границам зерен. Это обусловлено явлением сегрегации фосфора по границам зерен.

Влияние серы на свойства сталей

Содержание серы (S) в высококачественных сталях не превышает 0,02-0,03 %. В сталях общего назначения допустимое содержание серы выше – 0,03-0,04 %. Специальной обработкой жидкой стали содержание серы в стали доводят до 0,005 %.

Сера не растворяется в железе, поэтому любое ее количество образует с железом сульфид железа FeS. Этот сульфид входит в состав эвтектики, которая образуется при 988 °С.

Повышенное содержание серы в сталях приводит к их красноломкости из-за низкоплавких сульфидных эвтектик, которые возникают по границам зерен. Явление красноломкости происходит при температуре 800 °С, то есть при температуре красного каления стали.

Сера оказывает вредное влияние на пластичность, ударную вязкость, свариваемость и качество поверхности сталей (особенно в сталях с низким содержанием углерода и марганца).

Сера имеет очень сильную склонность к сегрегации по границам зерен. Это приводит к снижению пластичности сталей в горячем состоянии. Однако серу в количестве от 0,08 до 0,33 % намеренно добавляют в стали для автоматической механической обработки. Известно, что присутствие серы повышает усталостную прочность подшипниковых сталей.

Присутствие в стали марганца уменьшает вредное влияние серы. В жидкой стали протекает реакция образования сульфида марганца. Этот сульфид плавится при 1620 °С – при температурах значительно более высоких, чем температура горячей обработки сталей. Сульфиды марганца пластичны при температурах горячей обработки сталей (800-1200°С) и поэтому легко деформируются.

Влияние алюминия на свойства сталей

Алюминий (Al) широко применяется для раскисления жидкой стали, а также для измельчения зерна стальных слитков. К вредному влиянию алюминия относят то, что он способствует графитизации сталей. Хотя алюминий часто считают примесью, его активно применяют и как легирующий элемент. Поскольку алюминий образует с азотом твердые нитриды, он обычно бывает легирующим элементом в азотируемых сталях. Алюминий повышает стойкость сталей к окалинообразованию, и поэтому его добавляют в теплостойкие стали и сплавы. В дисперсионно упрочняемых нержавеющих сталях алюминий применяют как легирующий элемент, ускоряющий реакцию дисперсионного выделения. Алюминий повышает коррозионную стойкость низкоуглеродистых сталей. Из всех легирующих элементов алюминий является наиболее эффективным для контроля роста зерна при нагреве сталей под закалку.

Влияние азота на свойства сталей

Вредное влияние азота (N) заключается в том, что образуемые им довольно крупные, хрупкие неметаллические включения – нитриды – ухудшают свойства стали. Положительным свойством азота считают то, что он способен расширять аустенитную область диаграммы состояния сталей. Азот стабилизирует аустенитную структуру и частично заменяет никель в аустенитных сталях. В низколегированные стали добавляют нитридообразующие элементы ванадий, ниобий и титан. При контролируемой горячей обработке и охлаждении они образуют мелкие нитриды и карбонитриды, которые значительно повышают прочность стали.

Влияние меди на свойства сталей

Медь (Cu) имеет умеренную склонность к сегрегации. К вредному влиянию меди относят снижение хладноломкости стали. При повышенном содержании меди она отрицательно влияет качество поверхности стали при ее горячей обработке. Однако при содержании более 0,20 % медь повышает ее стойкость к атмосферной коррозии, а также прочностные свойства легированных и низколегированных сталей. Медь в количестве более 1 % повышает стойкость аустенитных нержавеющих сталей к воздействию серной и соляной кислот, а также их стойкость к коррозии под напряжением.

Влияние олова на свойства сталей

Олово (Sn) уже в относительно малых количествах является вредным для сталей. Оно имеет очень сильную склонность сегрегировать к границам зерен и вызывать отпускную хрупкость в легированных сталях. Олово оказывает вредное влияние на качество поверхности непрерывнолитых слитков, а также может снижать горячую пластичность сталей в аустенитно-ферритной области диаграммы состояния.

Влияние сурьмы на свойства сталей

Сурьма (Sb) имеет сильную склонность сегрегировать при затвердевании стали и поэтому вредно влияет на качество поверхности непрерывнолитых стальных слитков. В твердом состоянии стали сурьма охотно сегрегирует к границам зерен и вызывает отпускную хрупкость легированных сталей.

Примеси в стали: случайные

Случайными примесями в сталях считают химические элементы в ней, которые не добавлялись специально в сталь, в том числе, косвенно, например, при раскислении стали, и которые нельзя удалить простыми металлургическими процессами.

К этим примесям не относят так называемые «постоянные» примеси – углерод, марганец, кремний, серу и фосфор. Содержание постоянных примесей обычно присутствует в любом сертификате качества на сталь. Содержание случайных примесей контролируют только для специальных сталей.

Случайные примеси в сталях

К случайным примесям в сталях в первую очередь относятся:

медь;
никель;
мышьяк;
свинец;
олово;
сурьма;
молибден;
хром.

Присутствие в стали этих примесных элементов может значительно влиять на их механические свойства. Поэтому понятно, что необходимо выявить и оценить влияние – неблагоприятное или полезное – этих примесей, чтобы держать их содержание в стали в приемлемых пределах.

Случайные примеси в стали – или, по крайней мере, некоторые из них – оказывают влияние на технологические процессы и режимы – от разливки стали до окончательного отжига, а также, возможно, на все их механические свойства.

Необходимо четко отделять те примеси, которые влияют на сталь потому что находятся в твердом ее растворе – это:

и те из них, которые влияют через свою сегрегацию по различным границам, в первую очередь, по границам зерен – это:

Влияние случайных примесей на технологию

Ниже представлены возможные металлургические влияния различных примесей в стали на технологические процессы ее производства и конечные свойства стальных изделий.

Молибден, хром и олово влияют на рекристаллизацию и усилия прокатки при производстве горячекатаных стальных лент.
Все случайные примеси оказывают влияние на превращение аустенита в феррит и прокаливаемость стали.
Цинк и олово снижают пластичность при горячей деформации.
Молибден, хром и олово влияют на процесс рекристаллизации при отжиге стали.
Медь, никель, мышьяк и олово неблагоприятно влияют на качество поверхности горячекатаной и травленой стальной полосы. Причина – усугубление явления красноломкости стали.
Сурьма, олово и мышьяк способствуют охрупчиванию сталей по границам зерен. Особенно это касается смотки стальных лент, а также отжига низкоуглеродистых сталей.

Все случайные примеси в стали отрицательно влияют на механические свойства листовой стальной продукции – лент, листов, плит.

Случайные примеси в стали могут оказывать неблагоприятное влияние на процессы нанесения металлических покрытий – горячих и электролитических.

Молибден, хром, медь и никель отрицательно влияют на свариваемость быстрорежущих сталей.

Стальном лом – источник случайных примесей в стали

Случайные примеси попадают в сталь с примесями руды, кокса, флюсов и стального лома. Стальной лом считается самым главным источником таких примесей. Наиболее часто встречаются следующие примеси: медь, никель, хром, молибден и олово. Приемлемые пределы содержания этих примесей в стали зависят главным образом от требований к изделиям, на изготовление которых идет данная сталь.

Основной проблемой переплавки стального лома является именно контроль уровня нежелательных элементов – примесных элементов, чтобы обеспечивать необходимую чистоту стали, которая требуется производителями стальных изделий. В настоящее время большинство сталей составляют низкоуглеродистые и низколегированные стали и стали для сверхглубокой вытяжки. Свойства этих сталей очень чувствительны к содержанию примесей. Поэтому в листовом прокате из таких сталей содержание меди и никеля ограничено 0,2 %; хрома – 0,1 %; молибдена и олова – 0,03 %.

Влияние случайных примесей на свойства стали

Хотя влияние случайных примесей на свойства может быть весьма незначительным, иногда даже малое изменение в некоторых свойствах может значительно повлиять на уровень брака стальных изделий с особыми требованиями. Общепринято, что увеличение содержания примесей в стали влияет на различные свойства сталей следующим образом.

Читайте также: