Влияние хим. элементов на свойства стали.
Условные обозначения химических элементов:
ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ НА СТАЛЬ И ЕЕ СВОЙСТВА
Углерод — находится в стали обычно в виде химического соединения Fe3C, называемого цементитом. С увеличением содержания углерода до 1,2% твердость, прочность и упругость стали увеличиваются, но пластичность и сопротивление удару понижаются, а обрабатываемость ухудшается, ухудшается и свариваемость.
Кремний — если он содержится в стали в небольшом количестве, особого влияния на ее свойства не оказывает.(Полезная примесь; вводят в качестве активного раскислителя и остается в стали в кол-ве 0,4%)
Марганец — как и кремний, содержится в обыкновенной углеродистой стали в небольшом количестве и особого влияния на ее свойства также не оказывает. (Полезная примесь; вводят в сталь для раскисления и остается в ней в кол-ве 0,3-0,8%. Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы.
Сера — является вредной примесью. Она находится в стали главным образом в виде FeS. Это соединение сообщает стали хрупкость при высоких температурах, например при ковке, — свойство, которое называется красноломкостью. Сера увеличивает истираемость стали, понижает сопротивление усталости и уменьшает коррозионную стойкость. В углеродистой стали допускается серы не более 0,06-0,07%. ( От красноломкости сталь предохраняет марганец, который связывает серу в сульфиды MnS).
Фосфор — также является вредной примесью. Снижает вязкость при пониженных температурах, то есть вызывает хладноломкость. Обрабатываемость стали фосфор несколько улучшает, так как способствует отделению стружки.
ЛЕГИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СВОЙСТВА СТАЛИ
Хром (Х) — наиболее дешевый и распространенный элемент. Он повышает твердость и прочность, незначительно уменьшая пластичность, увеличивает коррозионную стойкость; содержание больших количеств хрома делает сталь нержавеющей и обеспечивает устойчивость магнитных сил
.
Никель (Н) — сообщает стали коррозионную стойкость
, высокую прочность и пластичность,
увеличивает прокаливаемость
, оказывает влияние на изменение коэффициента теплового расширения. Никель – дорогой металл, его стараются заменить более дешевым.
Вольфрам (В) — образует в стали очень твердые химические соединения – карбиды, резко увеличивающие твердость и красностойкость. Вольфрам препятствует росту зерен при нагреве, способствует устранению хрупкости при отпуске. Это дорогой и дефицитный металл.
Ванадий (Ф) — повышает твердость и прочность, измельчает зерно. Увеличивает плотность стали, так как является хорошим раскислителем, он дорог и дефицитен.
Кремний (С)- в количестве свыше 1% оказывает особое влияние на свойства стали: содержание 1-1,5% Si увеличивает прочность, при этом вязкость сохраняется. При большем содержании кремния увеличивается электросопротивление и магнитопроницаемость. Кремний увеличивает также упругость, кислостойкость, окалиностойкость.
Марганец (Г) — при содержании свыше 1% увеличивает твердость
, износоустойчивость, стойкость против ударных нагрузок, не уменьшая пластичности.
Кобальт (К) — повышает жаропрочность, магнитные свойства, увеличивает сопротивление удару.
Молибден (М) — увеличивает красностойкость, упругость, предел прочности на растяжение, антикоррозионные свойства и сопротивление окислению при высоких температурах
.
Титан (Т) — повышает прочность и плотность стали
, способствует измельчению зерна, является хорошим раскислителем, улучшает обрабатываемость и сопротивление коррозии.
Ниобий (Б) — улучшает кислостойкость и способствует уменьшению коррозии в сварных конструкциях.
Алюминий (Ю) — повышает жаростойкость и окалиностойкость.
Медь (Д) — увеличивает антикоррозионные свойства, она вводится главным образом в строительную сталь.
Церий — повышает прочность и особенно пластичность.
Цирконий (Ц) — оказывает особое влияние на величину и рост зерна в стали, измельчает зерно и позволяет получать сталь с заранее заданной зернистостью.
Лантан, цезий, неодим — уменьшают пористость, способствуют уменьшению содержания серы в стали, улучшают качество поверхности, измельчают зерно.
Нержавеющие стали: как состав влияет на свойства
Легированные стали занимают значительную долю рынка металлургической продукции. К ним относятся так называемые «нержавейки» — группа сплавов, отличающихся повышенной устойчивостью к коррозии. Со времени появления номенклатура таких сталей расширилась до нескольких сотен наименований. Поэтому были разработаны система их классификации и маркировка.
Стоит заметить, что название «нержавеющая сталь» не совсем корректно отражает ее свойства. Любой железоуглеродистый сплав подвержен воздействию кислорода и агрессивных веществ, но для того, чтобы это отразилось на эксплуатационных свойствах, нужно разное время. Поэтому нержавеющие стали правильнее называть коррозиестойкими.
Классификация нержавеющих сталей
По составу
В качестве легирующих добавок, повышающих устойчивость железоуглеродистого сплава к образованию ржавчины, используются хром, никель, ванадий, молибден, титан и некоторые другие. Коррозионную стойкость также повышают вводимые для раскисления и нейтрализации серы марганец и кремний. По основным легирующим элементам нержавеющие стали классифицируются как хромистые, марганцовистые и т. д. Некоторые добавки используются для придания сталям особых структурных или технологических свойств, например, для дробления карбидов, повышения ударной вязкости.
Базовыми легирующими элементами нержавеек считаются хром и никель. Они оба входят в твердый раствор с железом, повышают сопротивляемость коррозии. При окислении они образуют на поверхности стального изделия тонкую непроницаемую для кислорода пленку, устойчивую к химическим, электрохимическим и атмосферным воздействиям. Никель расширяет область аустенита в железоуглеродистых сплавах. Хром сужает ее, но является карбидообразующим элементом и связывает углерод. Соотношение никеля и хрома оказывает определяющее влияние на ударную вязкость, свариваемость и способность воспринимать холодную деформацию.
Углерод, как один из обязательных компонентов сталей, отрицательно влияет на сопротивляемость к коррозии. Однако от его содержания зависит твердость и износостойкость стали. Например, 95Х18 имеет менее выраженные коррозионностойкие свойства в сравнении с 40Х13, несмотря на более высокое содержание хрома.
По свойствам
Более наглядное представление о сплавах дает разделение на группы по свойствам:
- Коррозионностойкие. Стали отличаются высокой сопротивляемостью к атмосферной коррозии, эксплуатируются при нормальных условиях в нагруженном состоянии. Примерами могут служить нержавейки, используемые для изготовления посуды и оборудования для пищевой промышленности: 08Х18Н10, 20Х13, 30Х13.
- Жаростойкие. Отличительная черта таких сплавов – высокая сопротивляемость к образованию окалины при высоких температурах. Жаростойкие нержавеющие стали применяются для изготовления теплообменников котельных и пиролизных установок (15Х28), клапанов автомобильных и авиационных двигателей (40Х10С2М), деталей для нагревательных металлургических печей (10Х23Н18).
- Жаропрочные. Разработан ряд сплавов, способных работать под нагрузкой при высоких температурах без существенных деформаций и разрушения. В них используются сложные системы легирования (05Х27Ю5, 15Х12ВН14Ф, 37Х12Н8Г8МФБ). Умеренной жаропрочностью также обладают стали типа 20Х13.
По структуре
По микроструктуре нержавеющие стали делятся на следующие классы:
Кроме них существуют промежуточные группы:
- аустенито-ферритные;
- мартенсито-ферритные;
- мартенсито-карбидные.
Большое влияние на устойчивость к коррозии оказывает термообработка, поскольку влияет на фазовый состав большинства нержавеющих сталей. Устойчивость снижается при возникновении карбидной неоднородности. Этим явлением обусловлена так называемая межкристаллическая коррозия. При нагреве сталей до температур в интервале 500 – 800 °C на границах зерен образуются цепочки карбидов и участки со сниженным содержанием хрома. В теле зерна содержание легирующих элементов остается высоким. Такой вид коррозии часто наблюдается в зонах сварных швов. Для борьбы с этим явлением состав стали стабилизируют введением небольшого количества титана.
Ванадий вчера, сегодня и завтра
В последнее время наблюдаются интенсивные темпы производства тугоплавких металлических элементов таблицы Д.И.Менделеева. Так, титан и молибден используются без каких-либо примесей и добавок, в чистом состоянии. Они составляют основу значительного количества ферросплавов. И если в середине прошлого столетия они изготавливались лишь в пределах лабораторий, то сегодня масштабы их производства гораздо шире и представляют собой крупные потоки сталеплавительной продукции. Феррованадий как легирующий элемент высоко ценится в промышленности, а потому спрос на него производителей растет с каждым днем. Однако открытия, касающиеся его свойств, были сделаны довольно поздно. Во всяком случае, другие элементы были подробно изучены ранее феррованадия. Даже сегодня, несмотря на широкий спрос на данный продукт со стороны производителей легированной стали , специальной литературы, в которой были бы подробно описаны качества и особенности данного легирующего элемента, существует мало. Такой дефицит открытий, связанных с изучением феррованадия, связан с трудностями, возникающими при изготовлении ковкого металла.
Однако вследствие широкого применения ванадия в сталеплавительном производстве сегодня ученые вплотную заняты исследованием качественных характеристик ферросплавов с добавлением данного легирующего элемента. Тем более, что современное техническое оборудование способно преодолеть трудности, связанные с производством ковкого металла в крупных масштабах. В связи с этим можно прогнозировать, что в скором времени наступит «золотой век» в истории применения ванадия, спрос на него может возрасти в разы по сравнению с сегодняшним потреблением.
Физико-химические свойства нержавеющих сталей
Аустенитные стали
При кристаллизации аустенитные стали образуют однофазную систему с кристаллической решеткой гранецентрированного типа. Один из наиболее ярких представителей класса – сплав 08Х18Н10. Благодаря высокому содержанию никеля в нержавейках этого класса (до 30%) аустенитная фаза сохраняет устойчивость вплоть до – 200 °C, содержание углерода не превышает 0,12%. Стали с такой структурой характеризуются отсутствием магнитных свойств. Большинство из них имеет хорошую механическую обрабатываемость.
Аустенитные стали обязательно подвергаются термообработке – закалке, отпуску или отжигу. Скорость охлаждения практически не изменяет твердости, однако оказывает влияние на устойчивость к жидким и газообразным агрессивным средам, стабилизирует размер зерна устойчивость к деформации.
В системы легирования аустенитных хромоникелевых сталей вводят дополнительные элементы:
- молибдена – для предотвращения питтинга и эксплуатации в восстановительных атмосферах
- титана и ниобия – для защиты от межкристаллической коррозии.
- кремния – для повышения кислотостойкости;
- марганца – для улучшения литейных качеств.
Ванадий в России и за рубежом
То, что ванадий представляет высокую ценность для производства стальных сплавов, было обнаружено еще во времена Советского Союза. Однако в то время промышленное оборудование не было настолько усовершенствованным, чтобы с его помощью стало возможным полностью изучить результаты добавления этого элемента в качестве легирующего в различные сплавы.
Больше всех полученными данными заинтересовались инженеры-конструкторы авиастроения. Их внимание привлекли такие свойства ванадиевых сплавов, как:
- Устойчивость к высоким температурам
- Пластичность
- Защита от коррозии даже при неблагоприятных условиях
- Прочность и устойчивость к механическим повреждениям
- Низкий удельный вес
Сегодня в самолето- и ракетостроении широко применяются сплавы с добавлением ванадия. С каждым годом все больший спрос на них появляется и в машиностроении. Применяют такие сплавы в химическом и судостроительном производстве. В Германии получен патент на ванадиевотитановый сплав, содержащий 30-49% ванадия. Широко применяются титанованадиевые сплавы и в Соединенных Штатах Америки и других развитых стран мира. Естественно, такой интерес обусловлен в первую очередь сверхпрочностью, которую обеспечивает даже незначительное содержание ванадия в сплавах. Если для техники будут использоваться такие устойчивые материалы – она будет долговечной и износостойкой.
телефоны: 8 (495) 366-00-24 (495) 504-95-54 (495) 642-41-95
