7.3. Влияние примесей на свойства стали

Постоянными примесями в углеродистых сталях являются марганец, кремний, сера, фосфор, а скрытые примеси - газы: ки­слород, азот, водород.

Полезными примесями являются марганец и кремний. Их вводят в сталь в процессе выплавки для раскисления:

FeO + Mn -> MnO + Fe; 2FeO + Si -> Si0₂ + 2Fe.

В углеродистой стали содержится до 0,8 % Мп. Марганец, по­мимо раскисления, в этих количествах полностью растворяется в феррите и упрочняет его, увеличивает прокаливаемость стали, а также уменьшает вредное влияние серы, связывая ее: FeS + Мп —» —» MnS + Fe.

В полностью раскисленной углеродистой стали содержится до 0,4 % Si. Кремний является полезной примесью, так как эффек­тивно раскисляет сталь и, полностью растворяясь в феррите, спо­собствует его упрочнению.

Вредными примесями в стали являются сера и фосфор. Основ­ной источник серы в стали - исходное сырье (чугун). Сера снижа­ет пластичность и вязкость стали, а также сообщает стали крас­ноломкость при прокатке и ковке. Сера нерастворима в стали. Она образует с железом соединение FeS - сульфид железа, хорошо растворимый в металле. При малом содержании марганца благо­даря высокой ликвации серы в стали может образовываться лег­коплавкая эвтектика Fe - FeS (f_njI = 988 °С). Эвтектика располага­

ется по границам зерен. При нагреве стальных заготовок до тем­ператур горячей деформации включения эвтектики сообщают ста­ли хрупкость, а при некоторых условиях могут даже плавиться и при деформировании образовывать надрывы и трещины. Марга­нец устраняет красноломкость, так как сульфиды марганца не образуют сетки по границам зерен и имеют температуру плавле­ния около 1620 "С, что выше температуры горячей деформации. Вместе с тем сульфиды марганца, как и другие неметаллические включения, также снижают вязкость и пластичность, уменьшают усталостную прочность стали. Поэтому содержание серы в стали должно быть как можно меньше.

Повышенное (до 0,2 %) содержание серы допускается лишь в автоматных сталях для изготовления крепежных деталей неот­ветственного назначения. Сера улучшает обрабатываемость стали.

Основной источник фосфора - руды, из которых выплавляется исходный чугун. Фосфор является вредной примесью, способной в количестве до 1,2 % растворяться в феррите. Растворяясь в фер­рите, фосфор уменьшает его пластичность. Фосфор резко отлича­ется от железа по типу кристаллической решетки, диаметру ато­мов и их строению. Поэтому фосфор располагается вблизи границ зерен и способствует их охрупчиванию, повышая температурный порог хладноломкости.

Скрытые примеси - кислород, азот, водород - присутствуют в стали либо в виде твердого раствора в феррите, либо в составе хими­ческих соединений (нитриды, оксиды), либо в свободном состоянии в порах металла. Кислород и азот мало растворимы в феррите. Они загрязняют сталь хрупкими неметаллическими включениями, что снижает вязкость и пластичность стали. Водород находится в твер­дом растворе и особенно сильно охрупчивает сталь. Повышенное содержание водорода, особенно в хромистых и хромоникелевых сталях, приводит к образованию внутренних трещин - флокенов.

Даже небольшие концентрации газов оказывают резко отри­цательное влияние на свойства, ухудшая пластические и вязкие характеристики стали. Поэтому вакуумирование является важной операцией для улучшения свойств стали.

Кроме того, в углеродистых сталях присутствуют такие слу­чайные примеси, как Сг, Ni, Си, наличие которых обусловлено загрязненностью шихты.