1.2.Влияние примесей

Постоянные примеси - это кремний, марганец, фосфор и сера.

Марганец и кремний вводят в процессе выплавки в сталь для ее раскисления, т.е. для удаления FеО, поэтому их также называют технологическими: примесями.

Кроме того, марганец способствует уменьшению содержания сульфида железа FeS в стали: FeS+MnÞMnS+Fe. Марганец и кремний растворяются в феррите, повышая его прочность; марганец может также растворяться в цементите. Углеродистые стали обычно содержат до 0,7 - 0,8 % Мn и до 0,5 % Si.

Сера - вредная примесь - попадает в сталь главным образом с исходным сырьем-чугуном. Сера нерастворима в железе, она образует с ним соединение FeS-сульфид железа. При взаимодействии с железом образуется эвтектика (Fе+FеS) с температурой плавления 988 °С. Поэтому при нагреве стальных заготовок для пластической деформации выше 900 °С сталь становится хрупкой. При горячей пластической деформации заготовки разрушаются. Это явление называется красноломкость. Одним из способов уменьшения влияния серы является введение марганца. Соединение MnS плавится при 1620 °С, эти включения пластичны и не вызывают красноломкости.

Содержание серы в сталях допускается не более 0,06 %.

Фосфор попадает в сталь главным образом также с исходным чугуном, использованным для выплавки стали. До 1,2 % фосфора растворяется в феррите, уменьшая его пластичность. Фосфор обладает большой склонностью к ликвации, поэтому даже при незначительном среднем количестве фосфора в отливке всегда могут образовываться участки, богатые фосфором. Располагаясь вблизи границ зерен, фосфор повышает температуру перехода в хрупкое состояние, т. е. вызывает хладноломкость. Поэтому фосфор, как и сера, является вредной примесью, содержание его в углеродистой стали допускается до 0,05 %.Чем больше углерода в стали, тем сильнее влияние фосфора на ее хрупкость.

Содержание серы и фосфора в стали зависит от способа ее выплавки.

Скрытые примеси. Так называют присутствующие в стали газы - азот, кислород, водород - ввиду сложности определения их количества. Газы попадают в сталь при ее выплавке. В твердой стали они могут присутствовать, либо растворяясь в феррите, либо образуя химические соединения (нитриды, оксиды). Газы могут находиться и в свободном состоянии в различных несплошностях. Даже в очень малых количествах азот, кислород и водород сильно ухудшают пластические свойства стали. Содержание их допускается 10-2-10-4 %. В результате вакуумирования стали их содержание уменьшается, свойства улучшаются. Случайной примесью может быть любой элемент (медь, алюминий, вольфрам, никель), который попал в шихту вместе с металлоломом или чугуном при выплавке стали. Содержание этих элементов ниже тех пределов, когда их вводят специально как легирующие добавки.

Специальные примеси. Это элементы, специально вводимые в сталь для получения каких-либо заданных свойств. Такие элементы называют легирующими, а стали, их содержащие - легированными сталями.

Содержание легирующих элементов в сталях может изменяться в очень широких пределах. Сталь считают легированной хромом или никелем, если содержание этих элементов составляет 1 % или более. При содержании ванадия, молибдена, титана, ниобия и других элементов более 0,1-0,5 % стали считают легированными этими элементами. Сталь является легированной и в том случае, если в ней содержатся только элементы, характерные для углеродистой стали, марганец или кремний, а их количество должно превышать 1 %.

В конструкционных сталях легирование осуществляют с целью улучшения механических свойств - прочности, пластичности и т.д. Кроме того, при введении в сталь легирующих элементов меняются физические, химические и другие ее свойства. Нужный комплекс свойств достигается не только легированием, но и рациональной термической обработкой, в результате которой получается необходимая структура.

Как правило, легирующие элементы существенно повышают стоимость стали, а некоторые из них к тому же являются дефицитными металлами, поэтому добавление их в сталь должно быть строго обосновано.

Существует несколько классификаций, позволяющих систематизировать стали, что упрощает поиск стали нужной марки с учетом ее свойств.

Стали классифицируют по химическому составу, способу выплавки, по структуре в отожженном или нормализованном состоянии, по качеству и по назначению.

1.3.Классификация сталей

По химическому составу прежде всего все стали можно разделить на две большие группы: углеродистые и легированные. В свою очередь легированные стали в зависимости от числа легирующих элементов различают как трехкомпонентные (содержат кроме железа и углерода один какой-либо легирующий элемент), четырехкомпонентные и т.д. Более распространенной является классификация с указанием легирующих элементов: стали хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и т.д.

По степени легирования, т.е. по содержанию легирующих элементов, стали условно подразделяют на низколегированные (содержат в общем 2,5-5 % легирующих элементов), среднелегированные (до 10 %) и высоколегированные (более 10 %).

По способу выплавки. Углеродистые стали выплавляют главным образом мартеновским и кислородно-конвертерным способами. Наиболее качественную углеродистую сталь выплавляют в электрических дуговых печах.

Рис 2. Диаграммы изотермического распада аустенита трех классов стали

В зависимости от степени раскисления при выплавке стали могут быть спокойными (сп), полуспокойными (пс) или кипящими (кп), что и указывают в марке. Спокойные, полуспокойные и кипящие стали при одинаковом содержании углерода имеют практически одинаковую прочность. Главное их различие заключается в пластичности, которая обусловлена содержанием кремния. Содержание кремния в спокойной стали 0,15-0,35 %, в полуспокойной 0,05-0,15 %, в кипящей <0,05 %. Легированные стали выплавляют только спокойными в мартеновских или электрических печах.

В результате уменьшения содержания кремния в феррите кипящих сталей они становятся мягкими, поэтому кипящая сталь хорошо штампуется в холодном состоянии (например, для изготовления деталей глубокой вытяжкой). Но из-за большого содержания газов, особенно азота, кипящие стали склонны к деформационному старению. Кроме того, большое содержание кислорода в этой стали повышает порог хладноломкости, кипящие стали становятся хрупкими уже при -10 °С, в то время как спокойные стали, содержащие одинаковое количество углерода, могут работать до -40 °С. Они более склонны к зональной ликвации. Это наиболее дешевые стали, но качество металла низкое, поэтому их используют для изготовления неответственных деталей.

По структуре в отожженном состоянии стали делят на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные. Легированные стали, кроме того, могут быть ферритного, аустенитного и ледебуритного классов. К ферритному классу относятся стали, в которых при малом содержании углерода имеется большое количество ферритообразующих легирующих элементов, например, хрома. К ледебуритному классу относятся стали с большим содержанием углерода и карбидообразующих элементов, в результате чего в их структуре имеются первичные карбиды - легированный ледебурит.