Влияние химических элементов на свойства железоуглеродистых сплавов

Железоуглеродистый сплав кроме железа и углерода (постоян­ных компонентов) содержит полезные, вредные и постоянные (технологические) примеси, которые оказывают различные вли­яния на свойства конструкционных материалов.

Углерод в железоуглеродистом сплаве может находиться в виде карбида железа Fe₃C (цементита) либо в виде графита.

Он является основным сплавляемым компонентом, который специально вводят для увеличения прочности, твердости и улуч­шения технологических и эксплуатационных свойств конструк­ционных материалов.

Влияние углерода на свойства конструкци­онных материалов зависит от состояния или взаимодействия его с железом, т. е. от образования той или иной структуры железоугле­родистого сплава.

Если при взаимодействии углерода с железом образуется це­ментит, то сплав будет иметь высокие твердость, хрупкость и прак­тически не будет поддаваться обработке резанием.

Если углерод, взаимодействуя с железом, образует структуры механических смесей (перлита или феррита), то сплав будет иметь высокие механические и технологические свойства.

Кремний и марганец в железоуглеродистых сплавах являются полезными примесями. Кремний в сплав попадает частично из руды, а основная масса — в процессе плавки при раскислении сплава.

Раскисление — это процесс удаления вредных включений ок­сида железа (FeO) путем введения раскислителей (марганца, крем­ния и различных ферросплавов). Раскислители, соединяясь с оксидом железа, образуют шлаки, которые подлежат удалению.

Незначительная часть раскислителей остается в железоуглеродистом сплаве. Как правило, раскислению подлежит большинство ста­лей и чугунов.

Кремний полностью растворяется в основной структуре сплава образованием твердого раствора, повышает предел текучести, уменьшает хрупкость. Высокое содержание кремния (1 ...2 %) при­дает стали упругость. Кроме того, кремний способствует преобра­зованию углерода из структуры цементита в свободный углерод в виде графита, уменьшая при этом твердость и хрупкость сплавов.

Марганец попадает в сплав при переработке марганцевых руд, а также в процессе раскисления. Марганец образует с железом твер­дый раствор, а также способствует образованию химического со­единения, поэтому он повышает твердость, износостойкость, проч­ность.

Высокое содержание марганца способствует образованию це­ментита, что приводит к повышению твердости и хрупкости сплава. Кроме того, марганец нейтрализует вредное влияние серы.

Сера и фосфор в железоуглеродистых сплавах являются вредны­ми примесями.

Фосфор попадает в сплав из руды. Исходный чугун, как прави­ло, имеет высокую массовую долю фосфора.

Фосфор ограниченно растворяется в железе, а его избыточное содержание приводит к образованию фосфида железа — очень хрупкого соединения. Фос­фор, растворяясь в железе, резко снижает его плотность и приво­дит к хрупкости в холодном состоянии. Это свойство называется хладноломкостью сплавов. Фосфор также приводит к повышению твердости и уменьшению прочности.

В отдельных случаях фосфор может быть полезен, так как улучшает обрабатываемость резанием, жидкотекучесть, а при наличии не­значительного количества меди повышает коррозионную стойкость.

Сера попадает в сплав из руд, а также из топлива в процессе его горения.

Не растворяясь в железе, сера образует с ним легко­плавкую и очень хрупкую механическую смесь (эвтектику) и де­лает сплав хрупким в районе температур красного каления (это свойство получило название красноломкости), поэтому железоуглеродистые сплавы с высоким содержанием серы не подверга­ются горячей обработке давлением.

При высоком содержании в сплаве углерода наличие серы повышает его твердость и хруп­кость, ухудшает литейные свойства, снижает жидкотекучесть, Увеличивает усадку металла при охлаждении отливок и склонность к образованию микротрещин.

Вредное влияние серы нейтрализу­йся марганцем. При введении в сплав незначительной массовой доли марганца образуется соединение с серой — сульфид марган­ца (MnS), вместо легкоплавкого сульфида железа (FeS).

В железоуглеродистых сплавах могут находиться с очень низкой массовой долей различные газы: азот, водород и кислород.

Эти химические элементы являются скрытыми примесями. Из-за слож­ности их химического анализа массовую долю этих элементов не определяют и в технических условиях не нормируют.

Кроме того, в незначительных количествах встречаются раз­личные металлы (олово, цинк, сурьма, свинец, никель, медь, хром и др.) — случайные примеси.

Эти группы металлов попада­ют как из руд, так и из перерабатываемого при металлургическом процессе стального лома.

Все эти случайные примеси являются неизбежным следствием технологического процесса, т.е. специ­ально не добавляются. В связи с этим получаемые стали с незна­чительной массовой долей никеля, меди, хрома и других метал­лов не рассматривают как легированные стали.

Кроме естественных, постоянных, скрытых и случайных хими­ческих элементов в железоуглеродистый сплав (особенно в сталь) вводят специальные химические элементы с целью изменения мик­роструктуры сплава, физико-химических и других свойств.

Специ­ально вводимые химические элементы называют легирующими элементами, а сплавы, полученные на их основе, — легированны­ми сплавами (сталями и чугунами).

В качестве легирующих элемен­тов вводят алюминий, ванадий, вольфрам, молибден, медь, ко­бальт, кремний, никель, тантал, титан, хром и др.

Государственные стандарты строго регламентируют массовую долю полезных и вредных примесей в железоуглеродистых сплавах.

В сталях, как правило, содержание этих элементов ограничи­вается следующими верхними пределами, %:

Марганец...................................................................................... 0,8

Кремний.............:......................................................................... 0,5

Фосфор......................................................................................... 0,05

Сера............................................................................................... 0,05

В чугунах допускается более высокая массовая доля полезных и вредных примесей (в зависимости от групп и марок), %:

Марганец.......................................................................... 0,3... 1,5

Кремний............................................................................ 0,3 ...5,0

Фосфор..............................................................................0,20... 0,65

Сера....................................................................................0,08...0,12