Классификация и стандарты стали в Китае
Почему различные виды стали имеют такие разные свойства и как они классифицируются в Китае? В этой статье мы рассмотрим классификацию и стандарты стали, объясним систематическую...
Знаете ли вы, что крошечные элементы, скрытые в стали, могут кардинально изменить ее характеристики? В этом блоге мы погрузимся в увлекательный мир легирующих элементов и узнаем, как водород, бор, углерод, азот, кислород, магний, алюминий и кремний определяют прочность, долговечность и удобство использования стали. Приготовьтесь раскрыть секреты этих важнейших компонентов и их удивительное влияние на сталь.
Водород широко известен как наиболее вредный элемент в стали, его присутствие может привести к водородному охрупчиванию и образованию белых пятен, что значительно ухудшает качество и эксплуатационные характеристики стали.
Подобно кислороду и азоту, водород обладает крайне низкой растворимостью в твердой стали. Во время высокотемпературных процессов выплавки стали водород может растворяться в жидкой стали. При отсутствии надлежащего управления он может оказаться в ловушке во время быстрого охлаждения, накапливаясь в микроструктуре и образуя микропоры высокого давления. Это явление может резко снизить пластичность, вязкость и усталостную прочность стали, что может привести к серьезному растрескиванию и катастрофическому хрупкому разрушению.
Восприимчивость к водородному охрупчиванию варьируется в зависимости от микроструктуры стали. Особенно уязвимы мартенситные стали, в то время как ферритные стали обычно демонстрируют более высокую стойкость. Тяжесть водородного охрупчивания обычно возрастает с увеличением уровня твердости и содержания углерода, что подчеркивает важность тщательного выбора материала и процессов термообработки в богатых водородом средах.
Интересно, что хотя влияние водорода в основном негативное, он может усиливать некоторые магнитные свойства стали. В частности, водород улучшает магнитную проницаемость, что может быть полезно в некоторых электромагнитных приложениях. Однако это происходит за счет увеличения коэрцитивной силы и потерь железа. Исследования показали, что добавление водорода может увеличить коэрцитивную силу в 0,5-2 раза, что требует соблюдения тонкого баланса при разработке магнитной стали.
Для уменьшения проблем, связанных с водородом, сталелитейные компании используют различные стратегии, такие как вакуумирование, контролируемая скорость охлаждения и послепроизводственная термообработка. Передовые методы неразрушающего контроля, такие как водородные зонды и ультразвуковые технологии, имеют решающее значение для обнаружения дефектов, вызванных водородом, и обеспечения целостности стали в критических областях применения.
Основная функция бора в стали заключается в значительном повышении ее прокаливаемости, что позволяет сократить использование других легирующих элементов, таких как никель, хром и молибден. Обычно бор добавляют в концентрациях от 0,001% до 0,005%, причем это небольшое количество способно заменить 1,6% никеля, 0,3% хрома или 0,2% молибдена.
Рассматривая бор в качестве заменителя молибдена, необходимо отметить, что если молибден смягчает охрупчивание при отпуске, то бор может несколько способствовать этому. Следовательно, полная замена молибдена бором не рекомендуется.
Добавление бора в углеродистую сталь заметно повышает ее прокаливаемость, особенно улучшая характеристики толстых стальных профилей, превышающих 20 мм. Это свойство позволяет сталям 40B и 40MnB служить жизнеспособной альтернативой стали 40Cr, а сталь 20Mn2TiB может эффективно заменить сталь 20CrMnTi при науглероживании.
Однако эффективность бора снижается с увеличением содержания углерода в стали. Это явление особенно актуально при выборе науглероживающих сталей, содержащих бор, поскольку прокаливаемость науглероженного слоя после обработки будет ниже, чем у основного материала.
Для применения в пружинной стали, где обычно требуется полная закалка, борная сталь представляет собой отличный вариант благодаря компактному поперечному сечению пружины. Однако следует проявлять осторожность при добавлении бора в высококремнистые пружинные стали, так как взаимодействие может привести к непредсказуемым результатам.
Бор также проявляет сильное сродство к азоту и кислороду. В сталях с окаймлением добавление всего 0,007% бора может эффективно устранить эффект возрастного упрочнения, улучшая долгосрочную стабильность стали.
Чтобы оптимизировать преимущества бора в стали, необходим точный контроль состава и параметров обработки. Для поддержания требуемого содержания и распределения бора в стальной матрице могут применяться такие передовые методы, как вакуумная дегазация и термообработка в защитной атмосфере.
Углерод является наиболее важным легирующим элементом в стали после железа, оказывая глубокое влияние на ее механические свойства, микроструктуру и технологические характеристики. Содержание углерода напрямую влияет на прочность, пластичность, вязкость и свариваемость стали, что делает его важнейшим фактором при выборе материала и в производственных процессах.
В гипоэвтектоидных сталях (содержание углерода менее 0,8%) увеличение содержания углерода приводит к повышению прочности и твердости за счет образования перлита и упрочняющего эффекта промежуточных атомов углерода. Однако это происходит за счет снижения пластичности и ударной вязкости, так как микроструктура стали становится менее податливой.
И наоборот, в гиперэвтектоидных сталях (содержание углерода выше 1,0%) дальнейшее увеличение содержания углерода приводит к снижению прочности. Это явление происходит из-за образования хрупкой цементитной сети по границам зерен аустенита, которые могут служить местами зарождения трещин под действием напряжения.
На свариваемость стали существенно влияет содержание углерода, причем заметное снижение свариваемости наблюдается при содержании углерода более 0,3%. Это снижение в первую очередь связано с увеличением закаливаемости и восприимчивости к холодному растрескиванию в зоне термического влияния. С увеличением содержания углерода сталь также становится более склонной к холодному охрупчиванию и деформационному старению, а ее устойчивость к атмосферной коррозии снижается из-за образования карбидов железа, которые могут выступать в качестве локальных катодов, ускоряя процесс коррозии.
Влияние азота (N) на характеристики стали многогранно и имеет общие черты с углеродом и фосфором. При увеличении содержания азота значительно повышается прочность стали и одновременно снижается пластичность, что особенно сказывается на вязкости и свариваемости. Кроме того, азот способствует увеличению хрупкости стали в холодном состоянии.
Повышенное содержание азота усугубляет тенденции к старению, хрупкость в холодном и горячем состоянии, а также негативно влияет на свойства при сварке и холодной гибке. Следовательно, минимизация и контроль содержания азота в стали имеют решающее значение для поддержания оптимальных эксплуатационных характеристик.
Промышленные стандарты обычно рекомендуют ограничивать содержание азота до 0,018% в большинстве марок стали. Однако при стратегическом сочетании с такими элементами, как алюминий, ниобий или ванадий, негативное влияние азота может быть смягчено, а эксплуатационные характеристики стали улучшены. Такое синергетическое взаимодействие позволяет азоту выступать в качестве полезного легирующего элемента в некоторых низколегированных сталях.
В определенных составах нержавеющей стали контролируемое добавление азота может частично заменить хром, эффективно снижая стоимость материала без ухудшения характеристик. Например, в аустенитных нержавеющих сталях азот выступает в качестве стабилизатора аустенита и способствует упрочнению твердого раствора, что позволяет снизить содержание никеля.
Важно отметить, что точный контроль содержания азота и его взаимодействия с другими легирующими элементами имеет решающее значение для достижения желаемого баланса свойств при производстве стали. Передовые технологии производства стали, такие как вакуумная дегазация и контролируемое охлаждение, играют важную роль в управлении содержанием азота и оптимизации характеристик стали в различных областях применения.
Кислород играет важнейшую роль в производстве стали, но его присутствие может пагубно сказаться на конечном продукте. Он неизбежно присутствует в процессе выплавки стали, и, несмотря на усилия по раскислению с использованием таких элементов, как марганец, кремний, железо и алюминий на последних стадиях, полное его удаление остается недостижимым.
Во время затвердевания растворенный кислород вступает в реакцию с углеродом в расплавленной стали, образуя монооксид углерода. Эта реакция может привести к образованию газовой пористости или продувочных отверстий, нарушающих структурную целостность стали.
В стали кислород присутствует в основном в виде оксидных включений, таких как FeO (оксид железа), MnO (оксид марганца), SiO2 (диоксид кремния) и Al2O3 (оксид алюминия). Эти неметаллические включения действуют как концентраторы напряжений, снижая механические свойства стали, в частности ее прочность и пластичность. Присутствие этих оксидов существенно влияет на усталостную прочность и вязкость - важнейшие факторы во многих областях техники.
В электротехнических сталях, особенно кремнистых, используемых в трансформаторах и электродвигателях, содержание кислорода оказывает выраженное влияние. Он увеличивает потери в железе, тем самым снижая энергоэффективность. Кислород также снижает магнитную проницаемость и намагниченность насыщения - ключевые параметры электромагнитных характеристик. Кроме того, он ускоряет магнитное старение - зависящее от времени ухудшение магнитных свойств, которое может сократить срок службы электрических компонентов.
Магний (Mg) играет важнейшую роль в улучшении качества и эксплуатационных характеристик стали, в частности, в контроле включений и повышении механических свойств. При добавлении в точных количествах магний может значительно изменить микроструктуру стали, что приводит к улучшению характеристик материала.
При производстве стали магний действует как мощный раскислитель и десульфуратор. Он эффективно снижает количество неметаллических включений, уменьшает их размер, способствует более равномерному распределению по стальной матрице и изменяет их морфологию до более благоприятных форм. Эти улучшения характеристик включений способствуют повышению чистоты стали и общих эксплуатационных характеристик материала.
Для подшипниковых сталей, требующих исключительной чистоты и однородной микроструктуры, незначительные добавки магния показали значительные преимущества. Магний влияет на размер и распределение карбидов - важнейших компонентов подшипниковых сталей. Улучшая структуру карбидов, магний способствует повышению износостойкости, усталостной прочности и общей производительности подшипников.
Особого внимания заслуживает влияние магния на механические свойства стали. При точном регулировании содержания магния в пределах от 0,002% до 0,003% по весу сталь демонстрирует значительное повышение прочности без ущерба для пластичности. В частности, предел прочности и предел текучести увеличиваются более чем на 5%, в то время как пластичность материала остается практически неизменной. Это уникальное сочетание повышенной прочности и сохраняющейся пластичности очень желательно во многих инженерных приложениях, поскольку позволяет создавать более легкие и в то же время прочные компоненты.
Важно отметить, что для достижения этих преимуществ необходим точный контроль за добавлением магния, поскольку его избыток может привести к негативным последствиям. Поэтому для использования всего потенциала магния в производстве стали необходимы передовые технологии легирования и тщательный контроль процесса.
Алюминий, мощный раскислитель и легирующий элемент в производстве стали, демонстрирует более высокие способности к раскислению по сравнению с кремнием и марганцем. Его основные функции в металлургии стали многогранны и критически важны для улучшения различных свойств стали.
Добавление алюминия в сталь способствует уточнению зерновой структуры и стабилизации азота, что приводит к значительному повышению ударной вязкости. Этот механизм измельчения зерен значительно снижает хрупкость в холодном состоянии и уменьшает склонность к возрастному упрочнению, тем самым повышая общие механические характеристики и долговечность стали.
Для конкретных марок стали точное содержание алюминия имеет решающее значение. Например, углеродистая конструкционная сталь марки D требует минимум 0,015% кислоторастворимого алюминия. В случае холоднокатаного листа 08AL, предназначенного для глубокой вытяжки, оптимальное содержание кислоторастворимого алюминия колеблется от 0,015% до 0,065%, обеспечивая надлежащую формуемость и прочность.
Алюминий также способствует повышению коррозионной стойкости стали, особенно при использовании в сочетании с другими легирующими элементами, такими как молибден, медь, кремний и хром. Такое сочетание создает более прочный пассивный слой, повышая устойчивость стали к различным коррозионным средам.
В хромомолибденовых и хромистых сталях добавки алюминия приводят к повышению износостойкости. Это достигается за счет образования мелких твердых частиц оксида алюминия, рассеянных в стальной матрице, которые служат препятствием для движения дислокаций и повышают поверхностную твердость.
Однако важно отметить, что влияние алюминия не всегда благоприятно. В высокоуглеродистых инструментальных сталях присутствие алюминия может вызвать хрупкость в процессе закалки, что может отрицательно сказаться на вязкости стали и ее общих эксплуатационных характеристиках.
Хотя алюминий обладает многочисленными преимуществами, он также создает проблемы при обработке стали. Он может негативно влиять на свойства термической обработки, сварочные характеристики и обрабатываемость. Эти эффекты обусловлены образованием включений оксида алюминия с высокой температурой плавления и изменением микроструктуры стали, что может привести к повышенному износу инструмента при обработке и потенциальным дефектам сварного шва при отсутствии надлежащего управления.
Кремний является важнейшим элементом в сталелитейном производстве, выполняя функции восстановителя и раскислителя. В углеродистых сталях содержание кремния обычно остается ниже 0,5%, его вводят в процессе выплавки стали для выполнения этих важнейших функций.
Растворяясь в феррите и аустените, кремний значительно повышает твердость и прочность стали. По своему упрочняющему действию он уступает только фосфору и превосходит марганец, никель, хром, вольфрам, молибден и ванадий. Однако содержание кремния, превышающее 3%, может существенно снизить пластичность и вязкость стали.
Влияние кремния на свойства стали многогранно:
При производстве стали содержание кремния тщательно контролируется. Для ободковой стали оно ограничено до <0,07%. При необходимости в процессе выплавки стали добавляется сплав кремния с железом для достижения желаемого уровня кремния и нужных свойств.
Фосфор (P) попадает в сталь в основном из железной руды и обычно считается вредным элементом. Хотя P может увеличить прочность и твердость стали, он значительно снижает пластичность и ударную вязкость.
При низких температурах P вызывает "холодную хрупкость", резко снижая пластичность стали. Это явление негативно влияет на обрабатываемость и свариваемость стали в холодном состоянии. Степень хладноломкости увеличивается пропорционально содержанию P, что требует строгого контроля уровня фосфора при производстве стали.
Промышленные стандарты содержания P зависят от качества стали:
Фосфор проявляет мощные эффекты упрочнения твердых растворов и закалки при охлаждении. В сочетании с медью он повышает устойчивость к атмосферной коррозии высокопрочных низколегированных сталей, хотя и за счет ухудшения характеристик холодной штамповки. В сочетании с серой и марганцем P может улучшать обрабатываемость, но при этом усиливать хрупкость при отпуске и чувствительность к хрупкости в холодном состоянии.
В частности, P повышает удельное электрическое сопротивление и может снизить коэрцитивную силу и потери на вихревые токи благодаря эффекту огрубления зерен. В слабых магнитных полях стали с повышенным содержанием P демонстрируют улучшенную магнитную индукцию.
Для кремнистых сталей содержание P должно быть ограничено до ≤0,15% (например, 0,07-0,10% в холоднокатаной электротехнической кремнистой стали). Хотя P не сильно мешает горячей обработке кремнистой стали, он может вызывать хрупкость. Фосфор является наиболее сильным ферритостабилизирующим элементом, его влияние на температуру рекристаллизации и рост зерна в кремниевой стали в 4-5 раз превышает влияние кремния при эквивалентных концентрациях.
В целом, несмотря на то, что P обладает некоторыми полезными свойствами, его негативное влияние на механические свойства и технологические характеристики стали требует тщательного контроля и учета при разработке сплавов и производственных процессов.
Сера поступает в сталь в основном из железной руды и топливного кокса в процессе выплавки стали. Она обычно считается вредным элементом в производстве стали из-за ее негативного влияния на различные свойства стали.
В стали сера присутствует преимущественно в виде сульфида железа (FeS). Система FeS-Fe образует низкоплавкое эвтектическое соединение с температурой плавления около 985°C (1805°F). Учитывая, что температура горячей обработки стали обычно превышает 1150°C (2102°F), соединения FeS могут преждевременно расплавиться во время горячей обработки. Такое преждевременное плавление приводит к явлению, известному как "горячая хрупкость" или "горячая хрупкость", что значительно снижает пластичность и вязкость стали, часто приводя к образованию трещин в процессе ковки и прокатки.
Кроме того, сера негативно влияет на свариваемость стали и снижает ее коррозионную стойкость. Чтобы уменьшить эти негативные последствия, содержание серы в стали строго контролируется. Для высококачественных сталей содержание серы обычно не превышает 0,02% - 0,03%. В качественных сталях допустимый диапазон немного выше - от 0,03% до 0,045%, в то время как обычные конструкционные стали могут содержать до 0,055% - 0,07% серы.
Несмотря на общее пагубное воздействие, сера может быть полезной в определенных областях применения. Например, при производстве сталей для свободной обработки, таких как некоторые сорта нержавеющей стали (например, AISI 303), небольшое количество серы (от 0,2% до 0,4%) намеренно добавляется для улучшения обрабатываемости и качества поверхности. Такое контролируемое добавление серы облегчает разрушение стружки и уменьшает износ инструмента при обработке. Аналогичным образом, в некоторые быстрорежущие и инструментальные стали добавляют серу для улучшения характеристик поверхности и обрабатываемости.
В заключение следует отметить, что хотя сера обычно считается примесью при выплавке стали, ее влияние может быть как вредным, так и благоприятным в зависимости от конкретной области применения и марки стали. Тщательный контроль содержания серы имеет решающее значение для достижения желаемых механических свойств и эксплуатационных характеристик стальной продукции.
K/Na могут использоваться в качестве мощных модификаторов для сфероидизации карбидов в белом чугуне, значительно повышая его вязкость до 200% при сохранении характерной высокой твердости. Эта трансформация происходит за счет стимулирования образования графитовых конкреций и сокращения хрупких карбидных сетей.
Эти щелочные металлы также играют решающую роль в улучшении микроструктуры ковкого чугуна, способствуя образованию более многочисленных и равномерно распределенных графитовых конкреций. При производстве вермикулярного (уплотненного графита) железа K/Na выступают в качестве стабилизирующих агентов, сужая технологическое окно и улучшая постоянство контроля морфологии графита.
Кроме того, K/Na очень эффективно способствуют аустенизации черных сплавов. Ярким примером является их воздействие на аустенитную марганцевую сталь, где они могут значительно снизить требуемое соотношение марганца и углерода с обычных 10:1-13:1 до более экономичных 4:1-5:1. Такое снижение не только снижает стоимость сплава, но и повышает износостойкость и упрочняющую способность стали, расширяя сферу ее применения в высокоударных и абразивных средах.
Добавление кальция в сталь - это мощная металлургическая технология, обеспечивающая многочисленные преимущества при различных свойствах стали и стадиях ее обработки. Кальций действует как мощный рафинер зерна, частичный десульфуратор и модификатор неметаллических включений, подобно действию редкоземельных элементов в стали.
Добавление кальция значительно повышает коррозионную и износостойкость стали, а также улучшает ее характеристики при высоких и низких температурах. Он повышает такие важные механические свойства, как ударная вязкость, усталостная прочность и пластичность. Кроме того, добавление кальция положительно влияет на свариваемость стали, делая ее более пригодной для различных процессов производства.
Что касается конкретных областей применения, то сталь, обработанная кальцием, демонстрирует превосходные характеристики холодной штамповки, повышенную ударопрочность, увеличенную твердость и улучшенную контактную прочность. Эти свойства делают ее особенно ценной для производства высокопроизводительных крепежных деталей, подшипников и других компонентов, подвергающихся серьезным нагрузкам.
При литье стали добавление кальция дает множество преимуществ. Он повышает текучесть расплавленной стали, что приводит к улучшению литейных свойств и качества поверхности конечного продукта. Кроме того, он помогает устранить анизотропию в микроструктуре отливки, что приводит к более равномерным свойствам по всей отливке. Эта однородность приводит к повышению устойчивости к термическому растрескиванию, улучшению механических свойств и обрабатываемости литых деталей.
Кроме того, сталь, обработанная кальцием, демонстрирует повышенную устойчивость к растрескиванию под действием водорода и пластинчатому разрыву, которые являются критическими факторами в некоторых высоконагруженных областях применения и сварных конструкциях. Такие улучшенные характеристики могут значительно продлить срок службы оборудования и инструментов, изготовленных из стали, обработанной кальцием.
При производстве стали кальций обычно вводится в состав основного сплава, выполняя несколько функций: раскислителя для удаления вредного кислорода, закваски для контролируемого затвердевания и микролегирующего агента для тонкой настройки микроструктуры и свойств стали. Точный контроль добавления кальция и его взаимодействия с другими легирующими элементами имеет решающее значение для достижения желаемого баланса свойств в конечном стальном продукте.
Титан обладает сильным сродством к азоту, кислороду и углероду, а также более сильным сродством к сере по сравнению с железом, что делает его эффективным элементом для раскисления и фиксации азота и углерода в стали.
Являясь мощным карбидообразующим элементом, титан легко соединяется с углеродом, образуя карбид титана (TiC). Это соединение обладает сильной связующей силой, высокой стабильностью и устойчивостью к разложению. Растворение TiC в стали происходит медленно, как правило, при температуре свыше 1000°C (1832°F).
До растворения частицы карбида титана играют решающую роль в подавлении роста зерен, способствуя измельчению микроструктуры стали.
Большее сродство титана к углероду по сравнению с хромом делает его ценной добавкой в нержавеющих сталях. Он эффективно фиксирует углерод, смягчает истощение хрома на границах зерен и, следовательно, снижает или устраняет восприимчивость к межкристаллитной коррозии.
Являясь сильным ферритообразующим элементом, титан значительно повышает температуры A1 (эвтектоид) и A3 (превращение аустенита в феррит) в стали, влияя на ее фазовые превращения.
В низколегированных сталях титан повышает как прочность, так и пластичность. Это достигается благодаря его способности фиксировать азот и серу, образовывать карбиды титана и способствовать измельчению зерна в процессе термообработки, например нормализации. Осажденные карбиды значительно повышают пластичность и ударную вязкость стали.
Титаносодержащие легированные конструкционные стали демонстрируют отличные механические свойства и технологические характеристики. Однако заметным недостатком является их пониженная прокаливаемость, что может повлиять на сквозное упрочнение в больших сечениях.
В высокохромистые нержавеющие стали титан обычно добавляют в соотношении 5:1 к содержанию углерода. Эта добавка повышает коррозионную стойкость (особенно против межкристаллитной коррозии), увеличивает вязкость, способствует контролируемому росту зерна при повышенных температурах и улучшает свариваемость стали.
Стратегическое использование титана в различных марках стали демонстрирует его универсальность в изменении механических свойств, коррозионной стойкости и технологических характеристик для удовлетворения конкретных требований в различных отраслях промышленности - от автомобильной до аэрокосмической и химической.
Ванадий проявляет сильное сродство к углероду, азоту и кислороду, образуя устойчивые соединения. В стали он преимущественно присутствует в виде карбидов.
Основные функции ванадия в стали заключаются в улучшении микроструктуры и размера зерна, а также в повышении прокаливаемости при растворении в аустенитной матрице при повышенных температурах. Однако при наличии карбидов он может противодействовать этому эффекту, снижая прокаливаемость. Ванадий также значительно повышает устойчивость закаленной стали к отпуску и вызывает явление вторичной закалки.
Содержание ванадия в стали обычно ограничивается 0,5%, за исключением быстрорежущих инструментальных сталей. В обычных низкоуглеродистых легированных сталях ванадий действует как рафинер зерна, повышая прочность, коэффициент текучести, низкотемпературную вязкость и свариваемость. В легированных конструкционных сталях, когда ванадий используется в сочетании с марганцем, хромом, молибденом и вольфрамом, он может снижать прокаливаемость при стандартных условиях термообработки.
Для пружинных и подшипниковых сталей добавки ванадия повышают прочность и коэффициент текучести, особенно предел пропорциональности и предел упругости. Он также снижает чувствительность к углероду при термообработке, что приводит к улучшению качества поверхности. В инструментальных сталях ванадий улучшает структуру зерна, снижает восприимчивость к перегреву, повышает стабильность отпуска и износостойкость, тем самым продлевая срок службы инструмента.
В науглероженных сталях ванадий позволяет проводить прямую закалку после науглероживания, устраняя необходимость в отдельном этапе закалки. Подшипниковые стали, содержащие ванадий и хром, отличаются повышенной дисперсностью карбидов и превосходными эксплуатационными характеристиками.
Влияние ванадия на свойства стали в значительной степени зависит от его концентрации и взаимодействия с другими легирующими элементами, что требует тщательного контроля при проектировании и обработке стали для оптимизации требуемых свойств для конкретных применений.
Хром играет важнейшую роль в улучшении свойств различных сталей и сплавов. Он значительно повышает прокаливаемость стали и способствует вторичной закалке, улучшая твердость и износостойкость углеродистой стали без ущерба для пластичности.
Когда содержание хрома превышает 12%, он придает стали превосходную стойкость к высокотемпературному окислению и коррозии, одновременно повышая ее горячую прочность. Это делает хром основным легирующим элементом в нержавеющей, кислотостойкой и жаропрочной стали.
В углеродистой стали хром повышает прочность и твердость в условиях прокатки, одновременно снижая удлинение и поперечную усадку. Однако, когда содержание хрома превышает 15%, возникает обратный эффект: прочность и твердость снижаются, а удлинение и поперечная усадка увеличиваются. Примечательно, что детали из хромистой стали могут получить высокое качество поверхности благодаря процессам шлифования.
При отпуске основная функция хрома - повышение прокаливаемости, что приводит к улучшению механических свойств после закалки и отпуска. В науглероженных сталях он образует карбиды хрома, значительно повышая износостойкость поверхности. Хромосодержащие пружинные стали отличаются устойчивостью к обезуглероживанию при термообработке, что является ценной характеристикой для сохранения требуемых свойств.
Для инструментальных сталей хром повышает износостойкость, твердость и красную твердость (горячую твердость), а также улучшает стабильность при отпуске. Такое сочетание свойств делает инструментальные стали, легированные хромом, идеальными для высокотемпературных применений.
В электротермических сплавах хром служит для повышения стойкости к окислению, электрического сопротивления и общей прочности. Эти свойства очень важны для применения в нагревательных элементах и других высокотемпературных электрических компонентах.
Универсальность хрома как легирующего элемента подчеркивает его важность в современной металлургии и материаловедении, позволяя создавать стали и сплавы с индивидуальными свойствами для конкретных промышленных применений.
Марганец (Mn) играет важнейшую роль в улучшении свойств стали, в первую очередь благодаря своей экономичности и совместимости с железом (Fe). Он значительно повышает прочность стали при минимальном влиянии на пластичность, что делает его широко распространенным легирующим элементом в сталелитейной промышленности.
Повсеместное использование Mn в производстве стали очевидно для различных марок. От низкоуглеродистых штампованных сталей до современных высокопрочных сталей (AHSS), таких как двухфазные (DP), стали с индуцированной пластичностью (TRIP) и мартенситные (MS), Mn является ключевым компонентом. Его содержание варьируется в зависимости от желаемых механических свойств и области применения.
В низкоуглеродистых сталях содержание Mn обычно не превышает 0,5%. Однако по мере повышения требований к прочности содержание Mn увеличивается. Например, в сверхвысокопрочных мартенситных сталях содержание Mn может достигать 3%, что в значительной степени способствует их исключительному соотношению прочности и веса.
Влияние Mn не ограничивается повышением прочности. Он улучшает прокаливаемость стали, повышая ее реакцию на процессы термообработки. Этот эффект можно проиллюстрировать на примере сравнения сталей 40Mn и AISI 1040, где первая демонстрирует лучшую прокаливаемость благодаря более высокому содержанию Mn.
Еще одна важнейшая функция Mn - способность смягчать пагубное воздействие серы (S) в стали. В процессе выплавки стали Mn образует включения сульфида марганца (MnS) с высокой температурой плавления, эффективно нейтрализуя негативное влияние серы на свойства стали, в частности на ее обрабатываемость в горячем состоянии и пластичность.
Однако добавление Mn требует тщательного баланса. Увеличение содержания Mn может привести к повышению прочности, но чрезмерное его количество может ухудшить пластичность и свариваемость стали. Этот компромисс требует точного контроля содержания Mn в зависимости от предполагаемого применения и требуемого профиля свойств стали.
В современной металлургии оптимизация содержания Mn, часто в сочетании с другими легирующими элементами, имеет решающее значение для разработки сталей с индивидуальным сочетанием свойств, отвечающих специфическим требованиям промышленности, от облегчения веса автомобилей до высокопроизводительных конструкционных применений.
Кобальт (Co) играет важнейшую роль в улучшении свойств специализированных сталей и сплавов. В быстрорежущих сталях Co придает исключительную твердость в горячем состоянии, сохраняя работоспособность режущего инструмента при повышенных температурах во время обработки.
При легировании молибденом в мартенситно-стареющих сталях Co значительно повышает твердость и общие механические свойства. В результате такого синергетического эффекта получаются сверхвысокопрочные стали с отличной вязкостью, широко используемые в аэрокосмической и оборонной промышленности.
Co является важным легирующим элементом в жаропрочных сталях и магнитных материалах. В последних он способствует высокому магнитному насыщению и повышению температуры Кюри, что очень важно для высокопроизводительных постоянных магнитов и электротехнических сталей.
Однако влияние Co на свойства стали очень сложно. В углеродистых сталях он может снижать прокаливаемость, потенциально ухудшая комплексные механические свойства. Этот эффект особенно заметен в средне- и высокоуглеродистых сталях, где прокаливаемость имеет решающее значение для достижения желаемых микроструктур и свойств.
Со упрочняет феррит за счет закалки в твердом растворе. При добавлении в углеродистые стали во время термической обработки, такой как отжиг или нормализация, он повышает твердость, предел текучести и прочность на разрыв. Однако это происходит за счет снижения пластичности, проявляющейся в уменьшении удлинения и уменьшении площади.
Увеличение содержания Co в сталях обычно приводит к снижению ударной вязкости. Этот компромисс между прочностью и вязкостью должен быть тщательно сбалансирован при разработке сплавов для конкретных применений.
Превосходная устойчивость Co к окислению делает его незаменимым в жаропрочных сталях и суперсплавах. Суперсплавы на основе Co, особенно в газовых турбинах, демонстрируют превосходную высокотемпературную прочность, сопротивление ползучести и горячую коррозию, что позволяет повысить рабочую температуру и эффективность двигателя.
Благотворное влияние никеля в стальных сплавах очень велико и включает в себя улучшение механических свойств, улучшение микроструктурных характеристик и превосходную коррозионную стойкость. Эти свойства делают никельсодержащие стали весьма востребованными для широкого спектра промышленных применений.
Никель значительно повышает соотношение прочности и жесткости стали, что является критически важным фактором во многих инженерных конструкциях. Он значительно снижает температуру перехода вязкости в хрупкость: при содержании Ni 0,3% она достигает значения ниже -100°C, а в сочетании с кобальтом 4-5% падает до -180°C. Эта замечательная низкотемпературная вязкость расширяет область применения никельсодержащих сталей в криогенных условиях.
Влияние никеля на прокаливаемость стали зависит от концентрации. Если содержание Ni 3,5% недостаточно для закалки, то увеличение содержания никеля до 8% в хромистых сталях способствует мартенситному превращению даже при очень низких скоростях охлаждения. Эта характеристика особенно ценна при производстве крупных деталей с толстым сечением, где сквозная закалка затруднена.
Атомная структура никеля, имеющего постоянную решетки, аналогичную аустениту (γ-Fe), способствует образованию непрерывного твердого раствора. Такая металлургическая совместимость повышает прокаливаемость стали и способствует формированию более однородной микроструктуры. Кроме того, никель снижает критические температуры превращения и стабилизирует аустенит, что позволяет снизить температуру закалки и улучшить прокаливаемость.
Заслуживает внимания синергетический эффект никеля с другими легирующими элементами. Сочетания никеля с хромом, никеля с вольфрамом и никеля с хромом и молибденом значительно повышают прокаливаемость. Никель-молибденовые стали демонстрируют исключительную усталостную прочность, а никелевые стали вообще обладают превосходными свойствами термической усталости, что делает их пригодными для компонентов, подвергающихся термоциклированию.
В нержавеющих сталях никель играет важнейшую роль в стабилизации аустенитной фазы, повышая тем самым коррозионную стойкость в широком спектре сред. Это делает никельсодержащие нержавеющие стали незаменимыми в химической, пищевой и морской промышленности.
Часто недооцениваемым преимуществом никеля в стали является его способность препятствовать росту зерна при повышенных температурах. Это свойство помогает сохранить мелкозернистую микроструктуру, которая необходима для сохранения механических свойств и предотвращения охрупчивания во время высокотемпературной эксплуатации или процессов термообработки.
Медь (Cu) играет важную роль в улучшении свойств стали, особенно в повышении ее устойчивости к атмосферной коррозии. При легировании низкоуглеродистой стали медь образует на поверхности защитный налет, значительно продлевающий срок службы материала в коррозионной среде. Синергетический эффект Cu и фосфора (P) не только повышает коррозионную стойкость, но и увеличивает прочность и коэффициент текучести стали без ухудшения ее свариваемости.
Стальные рельсы, содержащие от 0,20% до 0,50% Cu (обычно называемые U-Cu сталью), обладают удивительной коррозионной стойкостью, в 2-5 раз превышающей прочность обычной углеродистой стали. Это делает ее особенно ценной для применения в суровых условиях окружающей среды, например, в прибрежной инфраструктуре или на предприятиях химической промышленности.
При более высоких концентрациях, в частности, когда содержание Cu превышает 0,75%, сталь может подвергнуться эффекту возрастного упрочнения после обработки твердым раствором и последующего старения. Это явление может быть использовано для дальнейшего повышения прочности и твердости материала с помощью контролируемых процессов термообработки.
В более низких концентрациях влияние Cu на свойства стали сопоставимо с влиянием никеля, хотя и менее выражено. Однако важно отметить, что чрезмерное содержание Cu (обычно выше 1%) может привести к проблемам при горячей обработке. Это связано с образованием фазы с низкой температурой плавления, богатой Cu, на границах зерен, что может привести к горячей хрупкости или охрупчиванию меди.
Преимущества меди выходят за рамки углеродистых сталей. В аустенитных нержавеющих сталях добавление меди 2-3% значительно повышает устойчивость к агрессивным средам, таким как серная, фосфорная и соляная кислота. Кроме того, она повышает устойчивость сплава к коррозионному растрескиванию под напряжением, что является критически важным фактором в таких ответственных областях применения, как оборудование для химической переработки или морская среда.
Галлий (Ga), металл постпереходного периода, находится в p-блоке периодической таблицы и проявляет уникальные свойства в металлургии стали. В системе железо-углерод микрогаллий растворим в ферритной фазе (α-Fe), образуя твердый раствор замещения. В отличие от многих легирующих элементов, галлий не образует в стали карбидов, оксидов, нитридов или сульфидов, что влияет на ее поведение при термообработке и эксплуатации.
В двухфазной области аустенит (γ) + феррит (α) микрогаллий проявляет преимущественную диффузию из аустенита в феррит из-за его большей растворимости в телесно-центрированной кубической (ТЦК) структуре феррита по сравнению с гранецентрированной кубической (ГЦК) структурой аустенита. Такое поведение диффузии приводит к увеличению концентрации галлия в ферритной фазе, что потенциально влияет на кинетику фазовых превращений и конечную микроструктуру стали.
Основной механизм влияния галлия на механические свойства стали заключается в упрочнении твердого раствора. Являясь замещающим атомом в решетке железа, атомы галлия создают локальные искажения, препятствуя движению дислокаций и тем самым повышая прочность и твердость стали. Однако величина этого упрочняющего эффекта обычно менее выражена по сравнению с традиционными легирующими элементами, такими как марганец или молибден.
Что касается коррозионной стойкости, то галлий оказывает минимальное влияние на общее коррозионное поведение стали. В отличие от таких элементов, как хром или никель, которые могут значительно повысить коррозионную стойкость за счет образования пассивной пленки, галлий не оказывает существенного влияния на электрохимические свойства стальной поверхности. Его ограниченное влияние на коррозионную стойкость объясняется прежде всего тем, что он не образует оксидов в стальных матрицах.
Мышьяк (As) в руде представляет собой проблему при производстве железа и стали, поскольку его удаление ограничено обычным спеканием. Однако хлорирующий обжиг предлагает более эффективный метод удаления As. Во время доменной плавки остаточный As интегрируется в чугун, что требует тщательного управления.
Когда содержание As в стали превышает 0,1%, это существенно влияет на свойства материала, повышая хрупкость и ухудшая свариваемость. Для смягчения этих негативных последствий крайне важен строгий контроль содержания As в руде, при этом рекомендуемый максимальный порог составляет 0,07%.
Присутствие As в стали оказывает сложное влияние на механические свойства. В низкоуглеродистой круглой стали он, как правило, повышает как предел текучести (σs), так и предел прочности при растяжении (σb). Однако это происходит за счет снижения пластичности, о чем свидетельствует уменьшение удлинения. Кроме того, As демонстрирует выраженное негативное влияние на ударную вязкость (Akv) углеродистой круглой стали при комнатной температуре, что является критическим фактором для многих применений.
Эти металлургические соображения подчеркивают важность точного управления As на протяжении всего процесса выплавки чугуна и стали, балансируя между потенциальными преимуществами и пагубными последствиями для обеспечения оптимального качества и производительности стали.
Селен (Se) играет важнейшую роль в повышении обрабатываемости различных металлов, включая углеродистую, нержавеющую сталь и медь. Его добавление приводит к улучшению качества обработки поверхности, детали приобретают яркий и чистый вид. Это улучшение в первую очередь связано со способностью селена образовывать легко сдвигаемые включения, которые облегчают разрушение стружки и уменьшают износ инструмента при обработке.
В специализированной области производства ориентированной кремниевой стали с высокой магнитной индукцией в качестве ингибитора часто используется диселенид марганца (MnSe2). MnSe2 демонстрирует превосходные характеристики включения по сравнению с сульфидом марганца (MnS), особенно в его способности контролировать рост зерен первичной рекристаллизации. Это усиленное ингибирование способствует селективному росту зерен вторичной рекристаллизации. В результате образуется высокоориентированная текстура (110)[001], которая имеет решающее значение для достижения оптимальных магнитных свойств электротехнических сталей, используемых в сердечниках трансформаторов и других высокоэффективных электротехнических устройствах. Такая оптимизация текстуры приводит к снижению потерь в сердечнике и повышению общей эффективности трансформатора.
Цирконий (Zr) - мощный карбидообразующий элемент, по своим свойствам аналогичный ниобию, танталу и ванадию в стальных сплавах. Его уникальные характеристики делают его ценной добавкой в различных высокопроизводительных металлургических областях.
Включение небольших количеств Zr оказывает многократное благоприятное воздействие на микроструктуру и свойства стали:
Эти эффекты синергетически способствуют повышению низкотемпературной вязкости и превосходной формуемости, что особенно полезно для улучшения штамповочных характеристик стальных листов.
Zr находит широкое применение в производстве:
Точный контроль содержания Zr, обычно в диапазоне 0,05-0,15%, имеет решающее значение для оптимизации его преимуществ и предотвращения потенциальных проблем, таких как чрезмерное образование карбидов или охрупчивание.
Ниобий (Nb) и тантал - близкородственные элементы, часто встречающиеся вместе в природе и играющие схожую роль в металлургии стали. Оба элемента могут частично растворяться в твердом растворе, способствуя укреплению стальной матрицы.
Присутствие Nb значительно усиливает реакцию закалки стали, когда он растворен в аустенитной фазе. Однако, присутствуя в виде карбидов или оксидных частиц, Nb действует как рафинер зерна и снижает прокаливаемость стали. Он также повышает устойчивость к отпуску и вызывает эффект вторичного упрочнения, что благоприятно для достижения определенных механических свойств.
Микролегирование ниобием дает уникальное преимущество: оно повышает прочность стали без ущерба для пластичности и вязкости. Эта характеристика особенно ценна для современных высокопрочных низколегированных сталей (HSLA). Nb улучшает структуру зерна, повышает ударную вязкость и снижает температуру перехода вязкости в хрупкость. Когда содержание Nb превышает в 8 раз содержание углерода, он может эффективно фиксировать почти весь углерод в стали, что приводит к превосходному сопротивлению водородному охрупчиванию.
В аустенитных нержавеющих сталях Nb выступает в качестве стабилизирующего элемента, предотвращающего сенсибилизацию и межкристаллитную коррозию в окислительных средах. Это достигается за счет образования стабильных карбидов ниобия, которые препятствуют выпадению карбида хрома на границах зерен. Кроме того, Nb улучшает высокотемпературные характеристики сталей, особенно прочность при ползучести, благодаря своей способности фиксировать углерод и эффекту закалки в виде осадков.
Для обычных низколегированных сталей добавление Nb приводит к повышению предела текучести и ударной вязкости при одновременном снижении температуры перехода вязкости в хрупкость. Такое сочетание свойств особенно выгодно для сварных конструкций. В легированных конструкционных сталях, подвергаемых науглероживанию и отпуску, Nb повышает прокаливаемость, одновременно улучшая вязкость и низкотемпературные характеристики. В низкоуглеродистых мартенситных нержавеющих сталях Nb снижает склонность к закалке на воздухе, смягчает охрупчивание при отпуске и повышает прочность при ползучести, что делает его универсальным легирующим элементом для различных марок стали и областей применения.
Молибден (Mo) значительно улучшает свойства стали, повышая ее прокаливаемость, жаропрочность и устойчивость к отпускному охрупчиванию. Он также повышает остаточный магнетизм, коэрцитивную силу и коррозионную стойкость в определенных условиях.
В закаленных и отпущенных сталях Mo повышает прокаливаемость, позволяя эффективно проводить термообработку деталей большого сечения. Он улучшает стабильность при отпуске, повышая устойчивость стали к размягчению при повышенных температурах. Эта характеристика позволяет более эффективно снимать напряжение и улучшать пластичность при высоких температурах без ущерба для прочности.
При науглероживании сталей Mo смягчает образование непрерывных карбидных сетей на границах зерен в науглероженном слое. Это снижает содержание аустенита, тем самым повышая износостойкость поверхности. Усовершенствованная микроструктура приводит к повышению усталостной прочности и ударной вязкости.
Мо имеет решающее значение для штамповочных сталей, поддерживая постоянную твердость при повышенных температурах и повышая устойчивость к пластической деформации, термическому усталостному растрескиванию и абразивному износу. Это приводит к увеличению срока службы штампов и улучшению качества деталей при горячей ковке.
В нержавеющих и кислотостойких сталях Mo значительно повышает коррозионную стойкость, особенно по отношению к органическим кислотам (например, муравьиной, уксусной, щавелевой), окислителям (перекиси водорода) и различным промышленным химикатам (серной кислоте, сернистой кислоте, сульфатам, кислотным красителям, отбеливающим веществам). Примечательно, что добавление Mo эффективно борется с точечной и щелевой коррозией, вызываемой хлорид-ионами, что является распространенной проблемой в морской среде и среде химической переработки.
Высокоскоростная сталь W12Cr4V4Mo, содержащая около 1% Mo, демонстрирует исключительную износостойкость, стабильность при отпуске и красную твердость (горячую твердость). Этот состав оптимизирует баланс между карбидообразующими элементами (W, Cr, V, Mo) и матрицей, что обеспечивает превосходные характеристики резания и срок службы инструмента при высокоскоростной обработке.
Олово (Sn) играет сложную роль в металлургии стали, причем его влияние значительно варьируется в зависимости от конкретного применения и состава сплава. В общем производстве стали Sn часто рассматривается как вредная примесь из-за его способности вызывать горячую хрупкость, охрупчивание при отпуске и растрескивание. Он может негативно влиять на свариваемость и классифицируется как один из "бродячих элементов" в стали, наряду с такими элементами, как медь, мышьяк, сурьма и фосфор.
Однако Sn демонстрирует полезные свойства в специализированных сталях. В электротехнической стали, особенно в кремнистой стали, Sn способствует улучшению магнитных свойств. Это достигается за счет влияния на структуру зерна и развитие текстуры. Sn имеет тенденцию к сегрегации на границах зерен, препятствуя росту зерен во время обработки. Этот эффект измельчения зерна зависит от концентрации; более высокое содержание Sn приводит к более эффективному контролю размера зерна. Получаемая в результате более мелкая зернистая структура способствует снижению потерь в сердечнике электротехнических сталей.
Кроме того, Sn способствует формированию благоприятной текстуры {100} Госса в зерноориентированной кремнистой стали. Улучшение текстуры приводит к увеличению магнитной проницаемости и снижению магнитострикции, что является желательным свойством для материалов сердечников трансформаторов. Интенсивность магнитной индукции может быть значительно улучшена при контролируемом добавлении Sn.
При производстве чугуна небольшое количество Sn (обычно <0,1 масс%) может оказаться полезным. Он повышает износостойкость и влияет на текучесть расплавленного металла, что очень важно для процессов литья. Для перлитного ковкого чугуна, сочетающего высокую прочность с хорошей износостойкостью, Sn добавляют во время плавки, чтобы способствовать образованию перлита. Однако точный контроль содержания Sn очень важен, поскольку его избыток может препятствовать сфероидизации графита в ковком чугуне.
Sn также находит применение в сталях со свободным резанием, где он улучшает обрабатываемость. В этих сплавах Sn имеет тенденцию к сегрегации вокруг включений и по границам зерен. Хотя он не сильно изменяет морфологию сульфидных включений (ключевой фактор для сталей со свободной резкой), сегрегационное поведение Sn усиливает образование стружки и разрушение при обработке. Оптимальное улучшение обрабатываемости обычно наблюдается при содержании Sn более 0,05 масс%, хотя точное количество зависит от конкретной марки стали и других присутствующих легирующих элементов.
В заключение следует отметить, что, несмотря на то, что Sn в целом нежелателен при производстве стали, его целенаправленное использование в специализированных марках стали может дать значительные преимущества. Ключ к этому лежит в точном контроле состава и понимании сложных взаимодействий между Sn и другими легирующими элементами в микроструктуре стали.
После включения сурьмы (Sb) в кремниевую сталь с высокой магнитной ориентацией она улучшает размер зерна как в процессе первичной, так и вторичной рекристаллизации. Такое рафинирование приводит к более полной вторичной рекристаллизации, в результате чего улучшаются магнитные свойства.
После холодной прокатки и обезуглероживания Sb-содержащей стали происходит усиление текстурных составляющих {110} и {110}. Эти ориентации благоприятны для развития вторичной рекристаллизации, что приводит к увеличению количества ядер вторичной рекристаллизации. Такая микроструктурная модификация способствует улучшению магнитных характеристик и общего качества материала.
В Sb-содержащих конструкционных сталях, предназначенных для сварки, Sb демонстрирует уникальное поведение осадков при температурах аустенизации. Он преимущественно осаждается вокруг включений сульфида марганца (MnS) и по границам зерен аустенита. Такое обогащение Sb вокруг включений MnS служит двойной цели: оно улучшает микроструктуру стали и повышает ее вязкость. Усовершенствованная микроструктура способствует улучшению механических свойств, а повышение вязкости особенно полезно для сварных конструкций, поскольку потенциально снижает риск хрупкого разрушения в зоне термического влияния.
Вольфрам (W) в стали обладает двойной функциональностью: он частично растворяется в железе, образуя твердый раствор, и одновременно образует карбиды. Его влияние сопоставимо с влиянием молибдена (Mo), хотя в целом менее выражено при сравнении в пересчете на вес.
Основной вклад W в свойства стали заключается в повышении стабильности при отпуске, улучшении красной твердости (горячей твердости), повышении жаропрочности и превосходной износостойкости, в основном благодаря образованию карбидов вольфрама. Эти характеристики делают стали, легированные W, особенно подходящими для применения в инструментах, таких как высокоскоростные стали и стали для горячей ковки.
В высококачественных пружинных сталях W выступает в качестве тугоплавкого карбидообразователя, который препятствует огрубению карбидов и сохраняет высокотемпературную прочность при повышенных температурах. Кроме того, W снижает чувствительность стали к перегреву, улучшает прокаливаемость и повышает общую твердость.
Например, пружинная сталь 65SiMnWA достигает высокой твердости даже после горячей прокатки и воздушного охлаждения. Пружинные стали, содержащие W, с поперечным сечением до 50 мм² могут подвергаться закалке в масле для достижения высокой твердости и выдерживать значительные нагрузки, сохраняя при этом жаропрочность до 350°C.
Высокопрочная жаропрочная пружинная сталь 30W4Cr2VA является примером преимуществ добавления W. Эта марка обладает отличной прокаливаемостью и может достигать предела прочности при растяжении 1470-1666 МПа после закалки при 1050-1100°C и отпуска при 550-650°C. Ее основное применение - изготовление пружин, предназначенных для работы в высокотемпературных средах до 500°C.
W значительно повышает абразивную стойкость и режущие свойства сталей, что делает его важнейшим легирующим элементом в инструментальных сталях. Образование твердых, стабильных карбидов вольфрама способствует повышению износостойкости и сохранению кромки в режущих инструментах, особенно работающих при высоких температурах или в тяжелых условиях.
Таким образом, добавление вольфрама в сталь обеспечивает сочетание высокотемпературной прочности, износостойкости и улучшенных режущих свойств, что делает стали, легированные вольфрамом, незаменимыми в различных высокопроизводительных областях применения, особенно в инструментальной и пружинной стали.
Свинец (Pb) повышает обрабатываемость стали, выступая в качестве внутренней смазки во время операций резания. Сталь, содержащая контролируемое количество свинца, обладает отличными механическими свойствами и хорошо поддается термообработке. Однако из-за экологических проблем и пагубного влияния на процесс переработки стального лома использование свинца в качестве легирующего элемента постепенно прекращается в пользу более экологичных альтернатив.
Ограниченная растворимость свинца в железе (Fe) препятствует образованию твердых растворов или интерметаллических соединений. Вместо этого свинец сегрегации к границам зерен, принимая глобулярную морфологию. Такая сегрегация может вызывать отпускное охрупчивание стали в критическом температурном диапазоне 200-480°C (392-896°F). Кроме того, присутствие свинца на границах зерен может значительно ухудшить свариваемость, приводя к образованию трещин в процессе сварки. Эти металлургические явления требуют тщательного учета при разработке сплавов и параметров обработки свинцовых сталей, особенно в областях применения, связанных с повышенными температурами или сварочными операциями.
Производительность резания стали может быть значительно повышена путем включения висмута (Bi) в количестве 0,1-0,4% в композиции стали для свободного резания. При равномерном распределении в стальной матрице частицы Bi плавятся при контакте с режущим инструментом, выступая в качестве эффективной смазки. Этот механизм предотвращает перегрев инструмента, обеспечивает более высокую скорость резания и улучшает общую обрабатываемость.
В последнее время в различные марки нержавеющей стали добавляют Bi для улучшения характеристик обработки. В свободно режущих сталях Bi может существовать в трех различных формах: в виде самостоятельных частиц в стальной матрице, заключенных в сульфидные включения или на границе раздела между стальной матрицей и сульфидными фазами.
Исследования показали, что увеличение содержания Bi в стальных слитках со свободной резкой S-Bi приводит к снижению скорости деформации включений сульфида марганца (MnS). Присутствие Bi-металла в стали эффективно подавляет деформацию сульфидов в процессе ковки стальных слитков, способствуя улучшению микроструктурного контроля.
Добавление 0,002-0,005% Bi в чугун демонстрирует многочисленные преимущества. Она улучшает характеристики литья ковкого чугуна, повышает склонность к отбеливанию, сокращает время отжига и оптимизирует пластичность конечных компонентов. Кроме того, введение 0,005% Bi в чугун с шаровидным графитом приводит к улучшению сейсмостойкости и повышению прочности на разрыв.
Однако включение Bi в сталь сопряжено с техническими трудностями из-за его высокой летучести при обычных температурах выплавки стали (около 1500°C), что затрудняет равномерное распределение. Для решения этой проблемы международные производители разработали инновационные подходы, такие как использование в качестве добавок пластин из сплава Bi-Mn с более низкой температурой плавления 1050°C. Несмотря на эти достижения, коэффициент использования Bi остается относительно низким и составляет примерно 20%.
В области электротехнических сталей крупнейшие производители стали, такие как Nippon Steel & Sumitomo Metal, POSCO и другие, сообщили, что добавки Bi могут значительно улучшить магнитные свойства ориентированной кремниевой стали, особенно значение B8 (магнитная индукция при 800 А/м). В частности, более ста патентов на высокомагнитную ориентированную кремниевую сталь с добавками Bi были поданы компаниями Nippon Steel & Sumitomo Metal и JFE. Благодаря этим инновациям значения магнитной индукции достигли 1,90T, а в некоторых исключительных случаях - 1,99T, что свидетельствует о значительном улучшении характеристик электротехнической стали.
Редкоземельные элементы (РЗЭ) включают в себя ряд лантаноидов (атомные номера 57-71), а также скандий (21) и иттрий (39), всего 17 элементов. Эти элементы обладают схожими химическими свойствами, что затрудняет их разделение. Смешанные редкоземы, которые являются более экономически выгодными, относятся к неразделенным комбинациям РЗЭ.
В производстве стали РЗЭ выполняют множество функций:
РЗЭ, наряду с Ca, Ti, Zr, Mg и Be, весьма эффективны для модификации сульфидных включений. При добавлении в соответствующих количествах они превращают оксидные и сульфидные включения в мелкие, дисперсные, глобулярные частицы. Это превращение уменьшает вредное воздействие сульфида марганца (MnS) и других включений на свойства стали.
При обычном производстве стали сера присутствует в основном в виде сульфида железа (FeS) и сульфида марганца (MnS). Высокое содержание марганца способствует образованию MnS, который, несмотря на высокую температуру плавления и способность предотвращать горячее укорачивание, может удлиняться при деформационной обработке. Эти вытянутые включения MnS значительно снижают пластичность, вязкость и усталостную прочность стали. Добавки РЗЭ играют решающую роль в модификации этих включений для улучшения деформационной обработки.
РЗЭ также повышают устойчивость стали к окислению и коррозии, превосходя воздействие кремния, алюминия и титана. Они улучшают текучесть стали, уменьшают количество неметаллических включений и способствуют формированию плотной, чистой микроструктуры. Основными функциями РЗЭ в стали являются очистка, модификация включений и легирование.
По мере совершенствования контроля содержания кислорода и серы при производстве стали традиционные методы очистки и модификации включений становятся все менее важными. Однако все большее значение приобретают новые технологии очистки и эффекты легирования с использованием РЗЭ. Например, РЗЭ повышают устойчивость к окислению феррохромных алюминиевых сплавов и сохраняют мелкозернистую структуру при повышенных температурах. Это приводит к повышению высокотемпературной прочности и значительному увеличению срока службы электротермических сплавов.
Таким образом, редкоземельные элементы играют многогранную роль в современном производстве стали, предлагая уникальные преимущества с точки зрения контроля микроструктуры, модификации включения и улучшения свойств. Их применение продолжает развиваться по мере совершенствования технологий производства стали, открывая новые возможности для разработки высокопроизводительных сталей.
Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
KO