Влияние кремния на структуру и свойства высокомарганцевых сталей

Влияние основных легирующих элементов на свойства стали.

Влияние отдельных компонентов на свойства стали
Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Wo, V, А1, В, Ti и др.), а также Мn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.

Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15. 20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых сталей.

Влияние примесей

Постоянные (технологические) примеси являются обязательными компонентами сталей и сплавов, что объясняется трудностью их удаления как при выплавке (Р,S). Так и в процессе раскисления (Si, Mn) или из шихты – легированного металлического лома (Ni, Cr и др.).

К постоянным примесям относят углерод, марганец, кремний, серу, фосфор, а также кислород, водород и азот.

Углерод

При увеличении содержания углерода до 1,2% возрастают прочность, твердость, порог хладноломкости (0,1%С повышает температуру порога хладноломкости на 20С), предел текучести, величина электрического сопротивления и коэрцитивная сила. При этом снижаются плотность, теплопроводность, вязкость, пластичность, величины относительных удлинения и сужения, а также величина остаточной индукции.

Существенную роль играет то, что изменение физических свойств приводит к ухудшению целого ряда технологических характеристик – таких, как деформируемость при штамповке, свариваемость и др. Так, хорошей свариваемостью отличаются низкоуглеродистые стали. Сварка средне и особенно высокоуглеродистых сталей требует применения подогрева, замедляющего охлаждение, и других технологических операций, предупреждающих образование трещин.

Марганец

Марганец вводят в стали как технологическую добавку для повышения степени их раскисления и устранения вредного влияния серы. Марганец считается технологической примесью, если его содержание, не превышает 0,8%. Марганец как технологическая примесь существенного влияния на свойства стали не оказывает.

Кремний

Кремний также вводят в сталь для раскисления. Содержание кремния как технологической примеси обычно не превышает 0,37%. Кремний как технологическая примесь влияния на свойства стали не оказывает. В сталях, предназначенных для сварных конструкций, содержание кремния не должно превышать 0,12-0,25%.

Сера

Пределы содержания серы как технологической примеси составляют 0,035-0,06%. Повышение содержания серы существенно снижает механические и физико-химические свойства сталей, в частности, пластичность, ударную вязкость, сопротивление истиранию и коррозионную стойкость. При горячем деформировании сталей и сплавов большое содержание серы ведет к красноломкости. Кроме того, повышенное содержание серы снижает свариваемость готовых изделий.

Фосфор

Пределы содержания фосфора как технологической примеси составляют 0,025-0,045%. Фосфор, как и сера, относится наиболее вредным примесям в сталях и сплавах. Увеличение его содержания, даже на доли процента, повышая прочность, одновременно повышает текучесть, хрупкость и порог хладноломкости и снижает пластичность и вязкость. Вредное влияние фосфора особенно сильно сказывается при повышенном содержании углерода.

Кислород и азот

Кислород и азот растворяются в ничтожно малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями (оксидами, нитридами, газовой фазой). Они оказывают отрицательное воздействие на свойства, вызывая повышение хрупкости и порога хладноломкости, а также снижают вязкость и выносливость. При содержании кислорода более 0,03% происходит старение стали, а более 0,1% – красноломкости. Азот увеличивает прочность и твердость стали, но снижает пластичность. Повышенное количество азота вызывает деформационное старение. Старение медленно развивается при комнатной температуре и ускоряется при нагреве до 250oС.

Водород

Увеличение его содержания в сталях и сплавах приводит к увеличению хрупкости. Кроме того, в изделиях проката могут возникнуть флокены, которые развивает водород, выделяющийся в поры. Флокены инициируют процесс разрушения. Металл, имеющий флокены, нельзя использовать в промышленности.

Влияние легирующих элементов

Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15-20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых.

Все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости.

Классификация

По применимости для легирования можно выделить три группы элементов. Применимость для легирования различных элементов определяется не столько физическими, сколько, в основном, экономическими соображениями.

Легирующие элементы по механизму их воздействия на свойства сталей и сплавов можно разделить на три группы:

• влияние на полиморфные (альфа-Fe -> гамма-Fe) превращения;
• образование с углеродом карбидов (Сг,Fе)7С3; (Сг,Ре)23С6; Мо2С и др.;
• образование интерметаллидов (интерметаллических соединений) с железом – Fе7Мо6; Fe3Nb и др.

По характеру влияния на полиморфные превращения легирующие элементы можно разделить на две группы:

• элементы (Cr, W, Mo, V, Si, Al и др.), достаточное содержание которых обеспечивает существование в сталях при всех температурах легированного феррита (ферритные ставы);
• элементы (Ni, Mn и др.), стабилизирующие при достаточной концентрации легированный аустенит при всех температурах (аустенитные сплавы). Сплавы, только частично претерпевающие превращение гамма->альфа, называются, соответственно, полуаустенитными или полуферритными.

Легирование феррита сопровождается его упрочнением. Наиболее значительно влияют на его прочность марганец и хром. Причем чем мельче зерно феррита, тем выше его прочность. Многие легирующие элементы способствуют измельчению зерен феррита и перлита в стали, что значительно увеличивает вязкость стали. Однако все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости. Никель понижает порог хладноломкости. Легированный аустенит парамагнитен, обладает большим коэффициентом теплового расширения. Легирующие элементы, в том числе азот и углерод, растворимость которого в аустените при нормальной температуре достигает 1%, повышают его прочность при нормальной и высокой температурах, уменьшают предел текучести. Легированный аустенит является основной составляющей многих коррозионностойких, жаропрочных и немагнитных сплавов. Он легко наклепывается, то есть быстро и сильно упрочняется под действием холодной деформации. Легирующие элементы (исключение кобальт), повышая устойчивость аустенита, снижают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость. Для многих аустенитных сплавов критическая скорость закалки снижается до 20°С/с и ниже, что имеет большое практическое значение. Карбидообразующие элементы: Fe – Mn – Cr – Mo – W – Nb – V – Zr – Ti (за исключением марганца) препятствуют росту зерна аустенита при нагреве. Сталь, легированная этими элементами, при одинаковой температуре сохраняет более высокую дисперсность карбидных частиц, и соответственно большую прочность. Интерметаллиды образуются при высоком содержании легирующих элементов между этими элементами или с железом. Примером таких соединений могут служить Fe7Mo6, Fe3Nb2 и др. Интерметаллиды, как правило, отличают повышенные твердость и хрупкость.

Влияние хрома на свойства сталей

Стремление хром образовывать карбиды является средним среди других карбидообразующих легирующих элементов. При низком соотношении Cr/C содержания хрома по отношению к железу образуется только цементит вида (Fe,Cr)3C. С увеличением отношения содержания хрома и углерода в стали Cr/C появляются хромистые карбиды вида (Cr,Fe)7C3 или (Cr,Fe)23C6 или оба. Хром повышает способность сталей к термическому упрочнению, их стойкость к коррозии и окислению, обеспечивает повышение прочности при повышенных температурах, а также повышает сопротивление абразивному износу высокоуглеродистых сталей.

Карбиды хрома являются и износостойкими. Именно они обеспечивают стойкость стальным лезвиям – не зря из хромистых сталей изготавливают лезвия ножей. Сложные хроможелезистые карбиды входят в твердый раствор аустенита очень медленно – поэтому при нагреве таких сталей под закалку требуется более длительная выдержка при температуре нагрева. Хром по праву считается самым важным легирующим элементом в сталях. Добавление хрома в стали побуждает примеси, такие как фосфор, олово, сурьма и мышьяк сегрегировать к границам зерен, что может вызвать в сталях отпускную хрупкость.

Основные свойства и значение кремния

Кремний

Кремний имеет следующие физико-химические свойства: атомную массу 28,06; плотность 2,4 г/см 3 ; температуру плавления 1414°С; температуру кипения 2287°С; теплоту плавления 39,76 кДж/моль. В жидком железе кремний имеет неограниченную растворимость, в твердом — ограниченную (до 14%). С железом кремний образует несколько соединений — Fe3Si2, FeSi и FeSi5, но в жидком железе устойчивым является только силицид

FeSi (33,3% Si), имеющий температуру плавления 1410°С. Кислородным соединением кремния, устойчивым в сталеплавильных ваннах, является SiO2 (температура плавления 1710°С).

Кремний является одним из наиболее распространенных в природе и занимает второе место после кислорода (в земной коре 26 % Si). Вследствие высокого химического сродства к кислороду и большой доступности кремний при производстве стали прежде всего используется в качестве раскислителя. Кроме того, кремний вводят в металл для его легирования.

Для раскисления кремний вводят в спокойную сталь обычно в количестве 0,15—0,35 %, в полуспокойную сталь — до 0,10—0,12 %. В кипящей стали кремний является нежелательной примесью, ухудшающей кипение металла в изложнице и строение слитка, поэтому содержание кремния в кипящей стали не должно превышать 0,02—0,03 %.

Кремний как легирующий элемент в сталях содержится в количестве 0,5—0,6 % и более.

Сталь, легированная кремнием, обладает более высокими значениями предела текучести, упругости, ударного сопротивления, небольшим остаточным магнетизмом, хорошей прока-ливаемостью, жароупорностью, способностью в закаленном состоянии сохранять твердость при относительно высоких температурах и другими полезными свойствами. Кремнием легируют стали различного назначения: конструкционные (0,8—1,5% Si), инструментальные (1,2—1,6% Si); пру­жинно-рессорные (1,3—2,0% Si), жаро- и окалиностойкие (2,0—3,0% Si), динамно-трансформаторные (2,5—4,5 % Si) и др. Обычно сталь легируют кремнием в сочетании с другими примесями, чаще всего в сочетании с хромом и марганцем.

Кремний, содержащийся в металлической шихте, хотя во время плавки окисляется и теряется практически полностью, но на ход процесса, как правило, влияет положительно. Это выражается в улучшении теплового баланса плавки, поскольку среди обычных примесей металлической шихты кремний окисляется с выделением наибольшего количества тепла.

В любых сталеплавильных шлаках кремнезем является одним из важнейших компонентов. Кремнезем, получающийся в результате окисления кремния в ванне, активнее вносимого в готовом виде и ускоряет процесс формирования шлака. Однако кремнезем, образующийся при окислении кремния металла, оказывает разрушающее действие на основную футеровку, особенно в процессах с высоким расходом жидкого чугуна, например в конвертерных. Кроме того, при очень высоком содержании кремния образуется большое количество шлака, которое не всегда является желательным, поэтому обычно устанавливаются пределы содержания кремния в чугуне. Например, для основного мартеновского и кислородно-конвертерного процессов содержание кремния в чугуне желательно иметь в пределах 0,5—0,8%.

Поведение кремния в сталеплавильных ваннах.Кремний является обязательной примесью чугуна и в том или ином количестве содержится в ломе. Обычно содержание кремния в металлической шихте довольно высокое (0,5—1,0%). Кремнезем является сильным кислотным оксидом, поэтому полнота протекания реакции окисления кремния также зависит от типа процесса, точнее, характера шлака, под которым проводится плавка.

В основных процессахкремнезем образует в шлаке прочные соединения: в начале плавки силикаты железа 2FeO•SiO2 и кальция СаО•SiO2, в дальнейшем силикат кальция 2СаО•SiO2. Благодаря этому активность SiO2 в шлаке очень низкая даже при высокой его концентрации и кремний в основных процессах окисляется практически полностью еще в начале плавки, а по ходу плавки в заметных количествах не восстанавливается, независимо от присутствия углерода и других обычных примесей чугуна и изменения температуры ванны. В начале плавки окислению кремния способствуют относительно низкая температура ванны и высокое содержание FeO в шлаке. По ходу плавки температура ванны повышается. Это вызывает смещение реакции влево, в сторону восстановления кремния, так как реакция является экзотермической. Однако с повышением температуры ванны одновременно происходит увеличение основности шлака, что способствует более глубокому обескремниванию металла с образованием наиболее прочного силиката кальция 2СаО•SiO2. В результате действия этих двух противоположных факторов остаточное содержание кремния в металле остается примерно на одном уровне, составляющем обычно 0,01—0,02%.

Cфера применения металла

Основной сферой где его применяют, является металлургия, где его используют в качестве добавочных компонентов при изготовлении высоколегированных нержавеющих сталей. При добавлении в расплав железа никеля, впоследствии получаются очень качественные, достаточно прочные, но при этом гибкие сплавы, обладающие повышенной высокой стойкостью к возникновению коррозии.

Сплав никеля широко применяют в таких направлениях:

• промышленная сфера
• пищевая и химическая области
• нефтехимическое направление
• мебельная область
• медицинская область (фармацевтика)
• авиа- и машиностроение
• при производстве кабелей использующихся в процессе производства нагревательных деталей использующихся в промышленных приборах
• для станков и специализированного оборудования
• в процессе производства деталей для интерьера
• в момент производства домашней утвари, в том числе и бытовой техники

Никелевые сплавы обладают уникальной возможностью сохранять свои качества даже после многократных и продолжительных нагреваниях.

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).

Влияние кремния на структуру и свойства высокомарганцевых сталей

50>

Кремний вводится в сталь 110Г13Л, как и в углеродистые стали, в количестве, необходимом для раскисления. Положительная роль кремния заключается также в улучшении литейных свойств стали: повышение его содержания с 0,17 до 1,11 % приводит к улучшению жидкотекучести примерно в 1,5 раза, что снижает брак по неспаям и недоливам и положительно отражается на качестве отливок сложной формы. Кроме того, повышение концентрации кремния в высокомарганцевой стали с 0,2 до 1,2 % снижает ее усадку с 2,9 до 2,3 % и способствует повышению трещиностойкости отливок,

что связано с образованием силицидов железа, марганца и нитридов кремния в твердом растворе замещения кремния в марганцевом аустените, тормозящих усадку стали.

Относительно влияния кремния на уровень механических и других характеристик стали мнения различных авторов расходятся. Очевидно, что эти расхождения вызваны многофакторным влиянием кремния на структуру стали на микро-, мезо- и макроуровне. Известно, что степень упрочнения твердого раствора при введении в него атомов замещения зависит от ряда факторов, наиболее важными из которых является параметр несоответствия – различие в размерах атомов растворителя и растворенных атомов и изменение электронной структуры твердого раствора. При растворении кремния в феррите параметр несоответствия в связи с малым атомным радиусом кремния максимален среди легирующих элементов замещения, что вызывает и максимальную эффективность этого элемента как упрочнителя α-железа. В аустенитных сталях кремний также уменьшает параметр решетки твердого раствора, что вызывает его упрочнение. По этой причине повышение концентрации кремния до определенного значения (примерно 1,2 %) прочностные характеристики стали 110Г13Л растут при практически неизменных характеристиках пластичности, а при превышении этих пределов все свойства снижаются. Ряд исследователей считает, что при содержании кремния в стали до 0,8–1,0 % он мало влияет на уровень механических и других характеристик, т. к. в структуре металла при таком содержании кремния редко встречаются крупные карбиды, а начиная с этой концентрации, снижает прочностные и пластические свойства, ударную вязкость и хладостойкость стали.

Например, по данным Уралмашзавода, при содержании кремния в стали 0,6–0,9 % ударная вязкость составляла 1,5–2,2 МДж/м2, а при концентрации 1,4–2,3 % – всего 0,3–1,0 МДж/м2.

Другая группа авторов придерживаются мнения о том, что рост концентрации кремния до 1 % (в пределах ГОСТ 977–88, 21357–87) снижает прочностные характеристики, ударную вязкость и износостойкость стали, увеличивает брак по горячим трещинам. Так, при повышении в стали 110Г13Л содержания кремния с 0,17 до 1,11 % ее ударная вязкость снижается в 4 раза, а относительное удлинение и сужение – в 1,5 раза. Особенно резко вредное влияние кремния сказывается при высоком (выше 1,2 %) содержании углерода. По данным Н. Г. Давыдова, наибольшую ударную вязкость и наилучшую хладостойкость имеет сталь, содержащая 0,35–0,60 % Si, а дальнейшее повышение концентрации кремния снижает ударную вязкость как при комнатной, так и при отрицательной температурах (рис. 4.49).

Рис. 4.49. Влияние содержания кремния

на ударную вязкость стали 110Г13Л

По мнению большинства авторов, кремний снижает растворимость и уменьшает коэффициент диффузии углерода в марганцевом аустените. Результатом этого является рост количества и увеличение толщины карбидов в процессе кристаллизации стали с повышенным содержанием кремния и их сосредоточение вследствие ликвации углерода преимущественно в приграничных областях зерен и непосредственно на границах. По данным О. Д. Молдавского и других, по мере увеличения содержания кремния от 0,20 % до 0,76 % карбиды из игольчатых превращаются в сфероидизированные. Кремний способствует сохранению карбидов в стали при ее нагреве под закалку и выделению карбидов при нагреве закаленной стали.

Для растворения большого количества крупных карбидов в аустените в процессе нагрева под закалку требуется более высокая температура и длительная выдержка, что способствует обезуглероживанию поверхности отливок и окислению металла по границам зерен. Растворение крупных пограничных карбидов вызывает возникновение микропор, служащих в дальнейшем очагами возникновения микротрещин.

Ликвация фосфора в присутствии кремния также усиливается и тем самым увеличивается его выделение на границах зерен в виде фосфидной эвтектики, что снижает механические и эксплуатационные свойства стали. Кроме того, с повышением концентрации кремния увеличивается размер зерна стали 110Г13Л. Это особенно выражено при высоких температурах заливки металла, а в сталях с пониженным кремнием (≤ 0,6 %) удовлетворительный размер зерна возможно получить даже при повышенных температурах заливки. Повышенное содержание кремния в высокомарганцевой стали способствует образованию дендритной и крупнозернистой структуры в отливках и может приводить к резкому снижению пластичности, что делает эту сталь непригодной к эксплуатации в динамических условиях нагружения, особенно при отрицательных температурах.

50>

Дата добавления: 2020-04-13; просмотров: 401; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ