Вредные примеси и их влияние на технологические и механические свойства чугуна и стали

Вредные примеси и их влияние на технологические  и механические свойства чугуна и  стали

К вредным примесям в стали  относятся сера, фосфор и кислород. "Сера и фосфор являются теми главными врагами, с которыми металлургам  черных металлов приходится иметь дело" (А.А. Байков).

Вред, приносимый серой, зависит  не только от количества ее в стали, которое не должно превышать 0,03—0,05%, но и от того, в каком виде она  там находится и насколько  равномерно она расположена в  объеме стали. В соединении с железом  сера образует сульфид железа FeS (36,4% S), практически нерастворимый в твердом железе при обыкновенной температуре. Эвтектика, состоящая из железа и FeS, отвечает концентрации 31,5% S (85% FeS и 15% Fe) и плавится при температуре 985° C.

Низкая температура плавления  этой эвтектики и легкая окисляемость ее при нагреве, в результате чего образуется сложная эвтектика с  закисью железа FeO, имеющая температуру плавления 940°, вызывает в стали красноломкость. Во время ковки, прокатки и прессования такой стали при температурах красного каления в ней образуются трещины, так как сульфидная сетка располагается по границам зерен. Если эту сетку разрушить в мелкие зерна осторожной ковкой при очень высоких температурах, облегчающих деформацию и сваривание зерен металла, то такую сталь можно ковать даже при температуре краснолома. При одновременном присутствии в стали серы и марганца, имеющего большее химическое сродство с серой, чем железо, сера вступает в соединение с марганцем, образуя сернистый марганец MnS, который имеет высокую температуру плавления (1620°) и не вызывает красноломкости.

Сера может присутствовать в стали также в виде твердого раствора MnS и FeS с содержанием до 60% FeS, что соответствует температуре плавления 1365°. FeS может образовать эвтектику с 7% MnS и 93% FeS с температурой плавления 1181°.

Таким образом, марганец ослабляет  вредное влияние серы при горячей  обработке стали. В то же время  MnS, являясь неметаллическим включением, вытягивается в прослойки или нити в направлении вытягивания металла при горячей обработке прокаткой. Вытянутые включения MnS ослабляют прочность изделия в отношении напряжений, направленных перпендикулярно к волокнам.

Чем мельче распылены включения  MnS, тем они меньше снижают механические качества стали. 
Кроме хрупкости, сера увеличивает истираемость и разрушение железа и стали от коррозии. Известна высокая стойкость железа, полученного из древесноугольного чугуна, свободного от сернистых включений.

Высокосортные стали должны содержать не более 0,02% S низкосортные – не свыше 0,08%.

Фосфор в стали находится  в виде твердого раствора в феррите  или выделений фосфида железа FeaP и благодаря этому увеличивает твердость железа, прочность и упругость, но одновременно снижает вязкость и особенно ударную вязкость. Влияние фосфора особенно резко обнаруживается в появлении у стали хладноломкости. Фосфор обусловливает склонность к образованию трещин при ударной деформации, при обыкновенной температуре и крупнозернистый излом. Такая сталь становится особенно хрупкой на морозе.

Рис. 11 Шлаковые включения x200

Влияние фосфора на сталь  тем сильнее, чем больше в стали  углерода. Входя в твердый раствор, фосфор способствует ликвации вследствие большого интервала затвердевания. Поэтому сталь, содержащая фосфор, дает весьма резко выраженную дендритную ликвацию, которая усиливается под  влиянием углерода. Фосфор весьма медленно диффундирует в железе (гораздо медленнее, чем углерод). Во избежание местного скопления фосфора вследствие ликвации содержание фосфора в различных сортах стали в зависимости от ее назначения допускается лишь не более 0,02—0,07%. В виде исключения содержание фосфора умышленно увеличивается до 0,2% в стали, идушей для производства болтов и гаек. Благодаря присутствию фосфора достигается более высокая хрупкость, обеспечивающая хорошую обрабатываемость и получение чистой резьбы без задиров.

Кислород в железоуглеродистые сплавы может проникнуть либо во время  плавки и разливки, либо путем диффузии в затвердевшее уже железо. В жидком металле кислород находится в  виде раствора и кислородных включений FeO₃ Fe₃O₄ MnO, а при раскислении стали различными элементами - в виде вклю-чений SiО₂, А1₂О₃, ТiО₂ и т. д., которые почему-либо не успели вcплыть и перейти в шлак.

Наличие неметаллических  включений, даже в небольших количествах, вредно влияет на качество стали; поэтому  необходимо уметь выявлять их с помощью  микроскопа. Включения MnS в стали легко заметить на отполированном шлифе без травления. Они, не обладая металлическим блеском, резко выделяются на светлом полированном поле металла и отличаются от него цветом, обычно серым или голубоватым. В прокатанных или кованых образцах стали неметаллические включения бывают вытянуты в направлении прокатки и ковки. Перпендикулярно направлению прокатки они имеют вид округленных зерен.

Рис. 12 Различная величина включений графита в чугуне х75

Включения FeS в сплавах железа встречаются очень редко и отличаются от MnS желтым или коричневым оттенком. 
Окислы железа в виде FeO в железных сплавах (плохо заметны под микроскопом и лишь при значительном содержании в сплаве обнаруживаются в виде круглых серых или зеленоватых пятнышек, похожих на MnS. 
Шлаковые включения на неправленом шлифе показаны на рис. 10.