Раскисление, дегазация и легирование стали. Легирование стали
Легирование стали
Сталь экологически безвредный материал. Он может быть на 100 % использован повторно путем переплава (стопроцентная утилизация). Желательные свойства стали достигаются путем введения в железо в период выплавки других элементов. Эта операция получила название легирования (от немецкого слова legieren сплавлять металлы), а вводимые элементы называются легирующими элементами (ЛЭ).
Под легирующими понимают элементы, вводимые в сталь для целенаправленного изменения ее свойств, то есть ЛЭ:
Изменяют температуру фазовых превращений железа. По этому признаку ЛЭ делятся:
элементы, расширяющие температурную область -Fe(Ni,Co,Mn, C, N2). Ni, Co, Mnне ограничено растворяются в-Fe; C, N2образуют область ограниченной растворимости;
элементы, расширяющие температурную область -Fe (Si,Al,P,Cr,V,Mo,W).Siвводится в сталь для получения однородных ферритных структур. Действие хрома отличается от этой картины. При хроме менее 13% он действует как аустенитообразующий элемент. При хроме более 13%выступает как типичный ферритообразующий элемент (Х18Н9).
Влияние на процессы дисперсионного твердения может протекать по двум направлениям:
за счет образования карбидов или нитридов, то есть за счет образования неметаллических включений. К карбидо- и нитридообразующим элементам относятся Cr,V,Nb,W,Ti,Zr. Их введение преследует цель образования карбидов или нитридов, которые в дисперсном состоянии упрочняют металл;
за счет образования интерметаллидных фаз с железом. Склонность к образованию интерметаллидных фаз в безуглеродистой стали проявляют W,Mo,Ti.
Легирующими могут быть как элементы, не встречающиеся в обычной стали, так и элементы, которые в каких-то количествах содержатся во всякой стали (С, Mn,Si,S,P).
По степени растворения в железе ЛЭ делятся на группы:
Металлы полностью растворимые в железе (Al, Ce, Mn, Cr, Ni, V, Cu, Si, Ti, Be).
Металлы частично растворимые в железе (W, Mo, Zr).
Металлы, растворимость которых при температуре сталеварения точно не установлена, т.к. они при высоких температурах испаряются (Ca,Cd,Li,Mg,Na).
Металлы, практически не растворимые в железе (Pb, Ag, Bi).
Неметаллы, частично растворимые в железе (С, S, P, N, As).
Ряд легирующих элементов образует в железе растворы близкие к идеальным (Mn,Co,Ni,Cr,Mo,Al), из которых только Со иMnдействительно образуют практически идеальные растворы; при образовании остальных приходится учитывать теплоту смешения.
Легирующие добавки вводятся в металл в небольших количествах, и они образуют с железом растворы, которые можно считать "бесконечно разбавленными".
На практике сталь часто легируется не одним элементом, а несколькими. При определении технологии легирования принимается во внимание степень сродства ЛЭ к кислороду. Такие элементы как Мо, Сu, Со,Niимеют сродство к кислороду меньше, чем железо, во время плавки они не окисляются и поэтому вводятся в металл вместе с шихтовыми материалами или по ходу плавки без опасения получить значительный их угар.
Другая группа элементов (Ti,V,Cr,Si,Mn,Al) имеет сродство к кислороду более высокое, чем железо. Эти элементы под воздействием кислорода газовой фазы, окислов железа шлака и кислорода, растворенного в металле, окисляются. Поэтому их вводят в металл в конце плавки или часто в ковш с предварительно раскисленным металлом. Кроме того, принимаются специальные меры по предотвращению окисления металла при разливке (закрытые струи, защита струи подачей инертного газа и др.).
ЛЭ вводят в металл в виде чистых материалов (бруски никеля, алюминия, куски серы, графитовый порошок и т.д.) или в виде сплавов с железом (ферромарганец, ферросилиций, феррованадий и т.п.). Усвоение элемента, вводимого в виде сплава с железом, несколько выше. Однако приходится учитывать, что при этом увеличивается масса холодных материалов вводимых в металл. Металл, в который вводится большая масса легирующих добавок, приходится перегревать, а это не всегда желательно (повышается содержание газов в металле, снижается стойкость футеровки, повышается расход электроэнергии, топлива).
Кроме указанных выше способов, легированные добавки вводят в виде соединений (оксидов, карбидов, нитридов). Так, например, при производстве стали, содержащей ванадий, для легирования используют шлак, содержащий оксиды ванадия и т.д.
ЛЭ − дорогие примеси, следовательно, их нужно экономить. Однако производство легированной стали экономически оправдано получением особых ее свойств и соответственно, уменьшением массы металлических конструкций, повышением их долговечности и надежности. Учитывая высокую стоимость легированной стали, все мероприятия, связанные со снижением расхода легирующих добавок дают значительный экономический эффект. К таким мероприятиям относятся: использование отходы легированных сталей и совершенствование методов их ввода в жидкую сталь.
32
studfiles.net
Раскисление, дегазация и легирование стали :: Книги по металлургии
ЛЕГИРОВАНИЕ СТАЛИ
ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ПРИМЕСЕЙ НА СВОЙСТВА СТАЛИ
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%.
markmet.ru
Легирование - сталь - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 3
Легирование - сталь
Cтраница 3
Легирование стали осуществляют введением ферросплавов или чистых металлов п необходимом количестве в расплав. Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа ( Si, Mn, A1, Сг, V, Ti и др.), вводят в металл после или одновременно с раскислением, в конце плавки, а иногда непосредственно в ковш. [31]
Легирование стали большим количеством марганца сопровождается образованием промежуточных структур с соответствующим ухудшением хладостойко-сти стали. [33]
Легирование стали 1 - 2 % Мо, мало изменяя исходный предел текучести ( 14 - 16 кгс / мм), существенно повышает тгрочностные характеристики фазонаклепанного аустенита. [34]
Легирование стали имеет назначение повысить ее прочность и сопротивляемость окалинообразованию при высокой температуре. В качестве легирующих присадок применяют хром, молибден, никель, ванадий, титан, вольфрам, ниобий, марганец и бор, которые добавляются в сталь в различных комбинациях. Молибден добавляют для повышения жаропрочности - повышения предела прочности и текучести стали при высоких температурах, а также для улучшения других ее свойств. Никель повышает вязкость стали, ее жаропрочность и сопротивляемость старению. Для повышения сопротивляемости ползучести к низколегированной хромомолибденовой стали добавляют ванадий и ниобий. Содержание марганца в стали в пределах 0 3 - 0 8 % определяется технологическими требованиями процесса ее выплавки, а содержание марганца в стали в количестве 0 9 - 1 5 % повышает ее прочность. Легирующие элементы в марках стали обозначают следующими буквами: Б - ниобий, В - вольфрам, Г - марганец, М - молибден, Н - никель, Р - бор, С - кремний, Т - титан, Ф - ванадий, X - хром. [35]
Легирование сталей алюминием и добавки редкоземельных металлов повышают стойкость сталей к сульфидному растрескиванию. [36]
Легирование стали хромом резко повышает ее стойкость к высокотемпературной сероводородной коррозии ( рис. 5.7) за счет об разования стойких поверхностных пленок. Наружный слой этих пленок состоит из FeS и Fe 2, практически не содержит хрома, обладает рыхлым строением и способен отслаиваться. Зато внутренний слой прочно сцеплен с основным металлом, имеет шпи-нельную структуру, состоит из смешанных сульфидов железа и хрома и зачастую содержит более высокий процент хрома, чем основной металл. [37]
Легирование стали высоким процентом хрома ( переход к хромистым сталям) является совершенным методом защиты в условиях, обеспечивающих устойчивое состояние пассивности ( анодный контроль), но бесполезно при работе конструкции в неокислительной кислоте ( НС1, H SO4), где протекает коррозия с катодным контролем. [38]
Легирование сталей, содержащих Р и Sb, никелем действительно, как было отмечено выше, приводит к значительному усилению зернограничной сегрегации фосфора и сурьмы. [39]
Легирование стали специальными элементами значительно повышает механические, технологические и другие свойства стали. [40]
Легирование стали медью в небольших количествах ( 0 3 - 0 8 %) несколько повышает коррозионную и коррозионно-механическую ее стойкость. При этом медь находится в стали в виде твердого раствора; в процессе коррозионного растворения материала ионы меди из электролита способны выделяться на поверхности металла. Выделившаяся на поверхности стали медь, являющаяся эффективным катодом, способствует пассивированию стальной поверхности. [41]
Легирование сталей молибденом и хромом повышает устойчивость цементита против сфероидизации, но не устраняет этого явления полностью. [43]
Легирование стали специальными элементами значительно повышает механические, технологические и другие свойства стали. [44]
Легирование сталей молибденом в количестве 2 - 3 % увеличивает способность к созданию более устойчивого пассивного состояния. [45]
Страницы: 1 2 3 4
www.ngpedia.ru
|
|
|
.. 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 ..
14.9. ЛЕГИРОВАНИЕ СТАЛИ Легированной называют такую сталь, в составе которой помимо обычных примесей содержатся легирующие примеси либо содержание кремния и марганца в которой повышено против обычного количества. Легированные стали могут выплавляться и без искусственного введения в них легирующих элементов, например, если в качестве шихтовых материалов используют чугун, полученный из руд, содержащих легирующие примеси. Такие чугуны называют природнолегированными. Так, в составе железных руд Орско-Халиловского месторождения содержатся значительные количества хрома и никеля. При переплаве этих руд в доменных печах получается чугун, содержащий < 3 % Сг и 0,7—0,9 №. Известно также Кремиковское месторождение железных руд в Болгарии. В составе этих руд много оксидов марганца, и выплавляемый из них чугун содержит до 4 % Мп. 1 Легировать (от нем. legieren, лат. ligare — связывать, соединять) — вводить в металл или металлический сплав другой (легирующий) элемент (Сг, W, V, Мо) для улучшения физических свойств металла. Однако в большинстве случаев легирующие элементы вводят в металл в виде разных добавок. Легирующими могут быть как элементы, не встречающиеся в обычной стали, так и элементы, которые в каких-то количествах содержатся во всякой стали (С, Mn, Si, S, Р). По степени растворимости в железе легирующие добавки можно разделить на группы: 1. Металлы, полностью растворимые в железе, — А1, Се, Mn, Cr, Ni, V, Си, Со, Si, Ti, Sb, Be. 2. Металлы, частично растворимые в железе, — W, Mo, Zr. 3. Металлы, практически не растворимые в железе, — Pb, Ag, Bi. 4. Металлы, растворимость которых при температурах сталеварения точно не установлена, так как они при высоких температурах испаряются, — Са, Cd, Li, Mg, Na, Hg, Zn. 5. Неметаллы, частично растворимые в железе, — С, S, P, N, As, Se, В. Ряд легирующих элементов образует в железе растворы, близкие к идеальным. Это Mn, Co, Ni, Cr, Mo, A1, из которых только кобальт и марганец действительно образуют практически идеальные растворы; при образовании остальных растворов приходится учитывать теплоту смешения. Однако часто легирующие добавки вводят в металл в небольших количествах; они образуют с железом растворы, которые можно считать бесконечно разбавленными, т. е. растворами, подчиняющимися закону Генри. На производстве сталь часто легируют не одним элементом, а несколькими. При этом необходимо учитывать влияние всех компонентов сплава. При определении технологии легирования принимается во внимание прежде всего химическое сродство того или иного легирующего элемента к кислороду. Химическое сродство к кислороду таких элементов, как Мо, Ni, Си, Со, меньшее, чем у Fe. Во время плавки данные элементы не окисляются и поэтому обычно вводятся в металл вместе с шихтовыми материалами или по ходу плавки без опасения получить значительный их угар. Другая группа легирующих элементов (Ti, V, Cr, Si, Mn, A1) имеет химическое сродство к кислороду более высокое, чем Fe. Эти элементы под воздействием кислорода газовой фазы, оксидов железа шлака и кислорода, растворенного в металле, окисляются, поэтому их вводят в металл обычно в конце плавки (часто в ковш) в предварительно раскисленную ванну. Кроме того, принимают специальные меры по предотвращению окисления металла при разливке (закрытие струи, защита струи подачей инертного газа и др.). При определении технологии легирования принимают во внимание также массу материалов, которые необходимо ввести в металл для получения в нем заданных концентраций легирующих элементов. Обычно легированные стали по содержанию легирующих примесей делят на три группы: 1) низколегированные; 2) сред нелегированные; 3) высоколегированные. При производстве низколегированной стали количество вводимых в металл добавок сравнительно невелико и введение их особых затруднений не вызывает. Для производства низколегированной стали широко используют сталеплавильные агрегаты всех типов: мартеновские и дуговые печи, конвертеры. При производстве средне- и высоколегированных сталей масса вводимых при легировании материалов значительно больше и появляется опасность чрезмерного охлаждения плавки. В связи с этим стали этих групп выплавляют или в обычных агрегатах, но при условии расплавления и нагрева легирующих добавок в специальном вспомогательном агрегате, или в дуговых, или в плазменных печах с введением легирующих добавок в печь и последующим подогревом металла либо с использованием специальных агрегатов: подогреваемых ковшей или конвертеров с аргоно-кислородной или кислородно-вакуумной продувкой. В данном случае при проведении расчетов, связанных с введением легирующих добавок, необходимо учитывать количество тепла, которое выделяется или поглощается при образовании раствора. Обычно легирующие добавки вводят в металл или в виде чистых материалов (бруски никеля, меди, алюминия, куски серы, графитовый порошок и т.д.), или в виде сплавов с железом (ферромарганец, ферросилиций, феррофосфор, феррованадий и т. п.). Усвоение легирующего элемента, введенного в виде сплава с железом, несколько выше, однако необходимо учитывать, что при этом возрастает масса вводимых в металл холодных материалов. Кроме указанных выше способов для легирования используют ввод добавок в виде соединений (оксидов, карбидов, нитридов и т. д.). Так, например, при производстве никельсо-держащей коррозионностойкой стали широко используют способ вдувания в струе газа в металл порошка оксида никеля NiO; при производстве стали, содержащей ванадий, для легирования используют дешевый шлак, содержащий оксиды ванадия, и т. д. Легирующие добавки — дорогостоящие примеси, поэтому стоимость легированной стали высока. Однако производство легированной стали экономически оправдано из-за получения особых свойств стали и обеспечения возможности уменьшить массу металлических конструкций, повысить их долговечность и надежность. Учитывая высокую стоимость легированной стали, все мероприятия, приводящие к снижению расхода легирующих добавок или к использованию более дешевых материалов, экономически эффективны. К таким мероприятиям прежде всего можно отнести использование легированных отходов (т. е. отходов легированной стали). Содержащиеся в стальных отходах алюминий, титан, кремний при переплаве почти не сохраняются, однако такие легирующие примеси, как никель, кобальт, медь, молибден, удается при переплаве использовать полностью. Такие примеси, как марганец, хром, вольфрам, ванадий, при переплаве можно использовать, если вести плавку без окисления.
.. 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 ..
|
|
|
sinref.ru
Легирование стали
Согласно диаграмме состояния железо-углерод все бинарные железоуглеродистые сплавы, которые содержат менее, чем примерно 2,11 % классифицируются как стали. (Вместо 2,11 % иногда применяют 2,06 %, а термодинамически вычисленная величина, говорят, составляет 2,14 %. Чтобы не было споров лучше, может быть, применять округленное число 2,1 %, которое, может устроить всех). Железоуглеродистые сплавы, которые содержат более 2,11 % углерода, называют чугунами. Когда для получения желаемых свойств в сталь в дополнение к углероду добавляют другие легирующие элементы, «пограничное» содержание углерода между сталями и чугунами может стать отличным от 2,11 %.
Влияние легирующих элементов на свойства стали
Стали обычно содержат легирующие элементы и примеси. Легирующие элементы (в меньшей степени – примеси) влияют на диаграмму состояния стали, аллотропические превращения и формирование новых фаз. Комбинированное влияние легирующих элементов и термической обработки дает огромное разнообразие микроструктуры и свойств сталей. Необходимо заметить, что на влияние отдельного легирующего элемента на свойства или структуру стали накладывается влияние других элементов. Поэтому всегда нужно учитывать взаимодействие легирующих элементов.
Влияние легирующих элементов на атомную решетку железа
По влиянию на матрицу – железную атомную решетку – легирующие элементы делятся на две категории:
- Стабилизаторы аустенита. Эти легирующие элементы расширяют аустенитную область на диаграмме состояния и способствуют образованию аустенита. Это – никель, кобальт, марганец, медь, углерод и азот.
- Стабилизаторы феррита. Эти легирующие элементы сокращают аустенитную область диаграммы состояния и способствуют образованию феррита. К этим легирующим элементам относятся: кремний, хром, вольфрам, молибден, фосфор, алюминий, олово, сурьма, мышьяк, цирконий, ниобий, бор, сера и селен.
Взаимодействие легирующих элементов с углеродом
По взаимодействию с углеродом в стали легирующие элементы делят на следующие две категории:
- Легирующие элементы, образующие карбиды: марганец, хром, молибден, ванадий, вольфрам, ниобий, титан и цирконий. При небольших концентрациях они образуют твердый раствор в цементите, а при высоких концентрациях – образуют стабильные карбиды. В отличие от других легирующих элементов марганец только растворяется в цементите.
- Легирующие элементы, не образующие карбиды: никель, кобальт, медь, кремний, фосфор и алюминий. Эти легирующие элементы не взаимодействуют с карбидами в стали и обычно находятся в матрице сплава – железной атомной решетке.
Источник: Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies, ed. G. E. Totten, 2006
steel-guide.ru
влияние углерода, марганца и кремния
Легирующих элементов, которые применяют в сталях, насчитывается более двух десятков. Здесь мы рассмотрим влияние на сталь самых распространенных (часто неизбежных) легирующих элементов – углерода, марганца и кремния.
Влияние углерода на свойства сталей
Углерод является главным упрочняющим элементом во всех сталях, кроме аустенитных нержавеющих сталей и некоторых других высоколегированных сталей. Упрочняющий эффект углерода состоит из упрочнения твердым раствором и упрочнения за счет дисперсного выделения карбидов. С увеличением содержания углерода в стали ее прочность увеличивается, но пластичность и свариваемость снижается.
Углерод имеет умеренную тенденцию к макросегрегации в ходе кристаллизации. Макросегрегация углерода обычно проявляется более значительно, чем у всех других легирующих элементов. Углерод имеет сильную тенденцию сегрегировать на дефектах в сталях, таких как границы зерен и дислокации. Карбидообразующие элементы могут взаимодействовать с углеродом и образовывать «легированные» карбиды.
Влияние марганца на свойства сталей
Марганец присутствует практически во всех сталях в количестве от 0,30 % и более. Марганец применяют для удаления из стали кислорода и серы. Он имеет меньшую тенденцию к сегрегации, чем любой другой легирующий элемент. Марганец благоприятно влияет на качество поверхности во всем диапазоне содержания углерода, за исключением сталей с очень низким содержанием углерода, а также снижает риск красноломкости. Марганец благоприятно влияет на ковкость и свариваемость сталей.
Марганец не образует своего карбида, а только растворяется в цементите и образует в сталях легированный цементит. Марганец способствует образованию аустенита и поэтому расширяет аустенитную область диаграммы состояния. Большое содержание марганца (более 2 %) приводит к возрастанию тенденции к растрескиванию и короблению при закалке. Присутствие в сталях марганца поощряет такие примеси как фосфор, олово, сурьма и мышьяк сегрегировать к границам зерен с возникновением отпускной хрупкости.
Влияние кремния на свойства сталей
Кремний является одним из основных раскислителей, которые применяют при выплавке сталей. Поэтому содержание кремния задает тип произведенной стали. Спокойные углеродистые стали могут содержать кремния до максимум 0,60 %. Полуспокойные стали могут содержать умеренные количества кремния, например, 0,10 %.
Кремний полностью растворяется в феррите при содержании кремния до 0,30 %. Он увеличивает прочность феррита, почти не снижая его пластичности. При содержании кремния выше 0,40 % в углеродистой стали общего назначения происходит существенное снижение пластичности.
В комбинации с марганцем или молибденом кремний обеспечивает более высокую закаливаемость стали. Добавление кремния в хромоникелевые аустенитные стали повышает их стойкость к коррозии под напряжением. В термически упрочняемых сталях кремний является важным легирующим элементом, повышает способность сталей к термическому упрочнению и их износостойкость, увеличивает предел упругости и предел текучести. Кремний не образует карбидов и не содержит цементита или других карбидов. Он растворяется в мартенсите и замедляет распад легированного мартенсита до 300 °С.
Источник: Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies, ed. G. E. Totten, 2006
steel-guide.ru
