Вредные примеси в стали: сера, фосфор и другие элементы, ухудшающие свойства

Сера, фосфор и другие элементы, ухудшающие свойства

Одна и та же марка стали может оказаться прочной и надёжной или треснуть при первой же нагрузке — и виной тому нередко становятся не главные компоненты сплава, а незаметные добавки в доли процента. Эти примеси попадают в металл при выплавке и способны заметно испортить его характеристики. Ниже разобрано, что такое сталь, как её классифицируют, какие восемь примесей считаются вредными и как каждая из них влияет на свойства металла, а также сколько таких элементов допустимо и чем их убирают.

Где проходит граница между сталью и чугуном?

Именно углерод задаёт верхнюю границу понятия «сталь». Если его доля превышает 2,14 %, сплав уже называют чугуном.

Из этого правила есть исключение: современные порошковые стали могут содержать до 3 % углерода, но чугуном при этом не считаются. Сам же углерод действует двояко — придаёт сплаву твёрдость и прочность, но снижает вязкость и пластичность.

Как классифицируют стали?

Стали с высокими упругими свойствами широко применяют в машино- и приборостроении: из них делают силовые пружины, амортизаторы и рессоры, а также пластины реле, мембраны, подвески и растяжки. Чтобы ориентироваться в этом многообразии, сталь группируют по нескольким признакам.

1. По структуре. Различают перлитную, аустенитную, бейнитную, мартенситную и ферритную стали.
2. По назначению. Выделяют конструкционные, инструментальные, нержавеющие, жаропрочные и криогенные стали.
3. По химическому составу. Стали делят на углеродистые и легированные. Углеродистые бывают низко-, средне- и высокоуглеродистыми, легированные — низко-, средне- и высоколегированными.
4. По способу получения. Сюда относят стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

К базовым характеристикам стали относят плотность (от 7700 до 7900 кг/м³), удельный вес и теплоёмкость, температуру и удельную теплоту плавления, коэффициенты теплопроводности и линейного теплового расширения, а также предел прочности при растяжении.

Какие примеси в стали считаются вредными?

Ни одна технология выплавки не даёт абсолютно чистый сплав, поэтому вместе с полезными компонентами в сталь попадают и нежелательные элементы. К основным вредным примесям относят восемь:

1. серу;
2. фосфор;
3. углерод;
4. азот;
5. олово;
6. водород;
7. кислород;
8. сурьму.

Каждый из этих элементов вредит по-своему, поэтому разберём их поочерёдно.

Чем опасна сера?

В железе сера не растворяется, а образует сульфид железа. При высоком её содержании на границах зёрен появляется легкоплавкая сульфидная эвтектика, из-за чего сталь становится красноломкой — растрескивается при горячей обработке.

У серы высокая склонность к сегрегации на границах зёрен, и это дополнительно снижает пластичность стали.

Как действует фосфор?

Сегрегация фосфора заметно слабее, чем у серы и углерода. Он растворяется в феррите и повышает прочность металла, однако платой за это становятся другие свойства.

Чем больше фосфора в стали, тем выше её хладноломкость и тем ниже ударная прочность и пластичность. В аустенитных хромоникелевых сталях фосфор повышает предел текучести, но в среде сильного окислителя провоцирует межкристаллитную коррозию — коррозию по границам зёрен.

Почему углерод оказывается в списке вредных примесей?

При остывании сталь приобретает двухфазную структуру из феррита и цементита. Количество цементита прямо пропорционально содержанию углерода.

Цементит повышает твёрдость, но одновременно снижает пластичность и вязкость металла. Именно поэтому избыточный углерод, будучи полезным в меру, при высоком содержании работает как вредная примесь.

Что даёт стали азот?

Под действием азота в металле образуются нитриды — неметаллические хрупкие включения, которые ухудшают свойства стали, выступая инородными телами в структуре.

У азота есть и полезная сторона: он расширяет аустенитную область на диаграмме состояния. Поэтому в ряде специальных сталей его присутствие оказывается желательным.

Чем вредны олово и сурьма?

Даже малое количество олова опасно для стали.

В легированных сталях олово способно вызвать отпускную хрупкость. Вдобавок оно сегрегирует на границах зёрен и снижает горячую пластичность металла. Сурьма ведёт себя схоже: концентрируясь по границам зёрен, она также ухудшает свойства сплава.

Откуда берётся водород и как он вредит?

Водород попадает в сталь, например, из атмосферы дугового разряда при сварке. Поглощённый в атомарном и ионизированном виде, он таит в себе отложенную угрозу.

При кристаллизации растворимость водорода падает. Выделяясь из металла, он образует поры и трещины — типичный дефект, известный как флокены.

Какие концентрации примесей допустимы и как их снизить?

Содержание вредных элементов строго нормируют, а современные технологии позволяют держать его на очень низком уровне.

• Сера. В сталях высокого качества её доля не превышает 0,03 %, в сталях общего назначения — до 0,04 %. Современная обработка снижает содержание серы до 0,005 %.

Отдельные приёмы борьбы разработаны и для газовых примесей.

Снизить содержание водорода помогает целый набор мер: применение окислителей атмосферы, тщательная просушка материалов, а также дополнительное покрытие флюсов и электродов фторидами и хлоридами.

Собранные воедино, эти сведения складываются в понятную логику: почти все вредные примеси действуют по одному сценарию — концентрируются на границах зёрен или образуют хрупкие включения, снижая пластичность и провоцируя трещины. Поэтому качество стали во многом определяется не тем, что в неё добавили специально, а тем, насколько чисто её удалось выплавить и как строго удержали долю серы, фосфора и газов в допустимых пределах.