На что влияет углерод в стали?

Как влияет содержание углерода на свойства сталей

Содержание углерода и легирующих элементов определяет свойства углеродистых сталей. Состав сплава содержит железо, углерод, магний, кремний, марганец, серу и фосфор. Количество одного компонента по отношению к общей массе определяет вязкость, пластичность, прочность и твердость металла. Углеродистые стали классифицируют по химическому составу, способу изготовления, назначению и степени раскисления. Металлопрокат производят из разных марок стали. Компания «Стальмет» продает металлопродукцию из углеродистых сталей, соответствующих ГОСТу 380-2005 и 1050-2005.

Состав стали с углеродом

Технология производства не полностью удаляет примеси из стали. Они занимают малую процентную долю, но присутствуют во всех углеродистых сталях. Содержание углерода разделяет сталь на углеродистую и легированную. Углерод добавляют намеренно, чтобы изменить технические характеристики и механические свойства сталей. Наличие примесей зависит от выбранной плавки сталей. Процентное содержание разных элементов в составе стали:

• железо — до 99 %;
• углерод — до 2,14 %;
• кремний — до 1 %;
• марганец — до 1 %;
• фосфор — до 0,6 %;
• сера — до 0,5 %.

Сталь содержит незначительное количество водорода, кислорода и азота.

Какие свойства у стали с разным содержанием углерода?

Механические свойства стали зависят от количества углерода. Увеличение или снижение содержания углерода, даже в сотых долях процента, предопределяет сферу применения металла. Структура углеродистой стали меняется от содержания цементита и феррита. Когда в сталь добавляют больше углерода, сплав становится твердым, прочным и упругим. Когда уменьшают, улучшают ее пластичность и сопротивление удару.

В зависимости от того, сколько углерода в составе сплава, различают несколько видов стали:

• Низкоуглеродистые содержат меньше 0,25 % углерода. Пластичные, но легко деформируемые. Обрабатываются в холодном состоянии и под действием высокой температуры.
• Среднеуглеродистые — 0,3-0,6 %. Пластичные, текучие и среднепрочные. Из них изготавливают детали и конструкции, которые будут использовать в нормальных условиях.
• Высокоуглеродистые — 0,6-2 %. Износостойкие, прочные и дорогие углеродистые стали с низкой вязкостью. Плохо поддаются сварке без предварительного разогрева обрабатываемой зоны до +225оС.

Низкоуглеродистые и среднеуглеродистые стали обрабатывать и варить проще, чем высокоуглеродистые.

Виды углеродистой стали по степени раскисления

У углеродистой стали разная степень раскисления. Бывают спокойные, кипящие и полуспокойные сплавы. Названия связаны с содержанием вредных примесей — оксидом железа. Чем меньше кислорода в сплаве, тем стабильнее и долговечнее стали. После разливки сталь выделяет газы и затвердевает.

В спокойных сталях кислород удален почти полностью, поэтому у них однородная структура и равномерное распределение состава. Полуспокойные чаще содержат 0,15-0,3 % углерода. Таким сталям свойственна неравномерная структура из-за частичного раскисления сплава. Больше всего кислорода у кипящих сталей. Такое раскисление приводит к разному химическому составу. В кипящих сталях много примесей: углерода, азота, серы и фосфора.

Чем отличаются инструментальные и конструкционные стали?

Сфера применения и способ изготовления — главные отличия сталей. Конструкционные углеродистые стали выплавляют в конвертерах и мартеновских печах. Они бывают высокого и обыкновенного качества. Их разделяют на группы А, Б и В. Маркируют соответственно буквами и цифрами. В обозначении буква говорит о группе стали, а цифры указывают на содержание углерода, увеличенное в 100 раз. Чем больше значение, тем прочнее сталь. Стали обыкновенного качества с повышенным содержанием марганца маркируются буквой «Г».

Сталь группы А поставляют по механическим свойствам, группы Б — по химическому составу, группы В — по механическим свойствам и химическому составу. Это означает, что сталь группы А обладает заявленными свойствами, а сталь группы Б отвечает нормативной документации.

Углеродистую инструментальную сталь выплавляют в мартеновской или электрической печи. Она бывает спокойной, полуспокойной и кипящей. Ее разделяют на качественную и высококачественную сталь. Доля примесей в качественной инструментальной стали регламентирована: серы должно быть не более 0,4 %, фосфора — не больше 0,6 %. Цифра в маркировке говорит о содержании углерода в сотых долях. Также она обозначает условный номер марки материала.

Сферы применения углеродистых сталей

Углеродистые стали обыкновенного качества используют для изготовления двутавра, уголка, швеллера, прута, листа и другого проката. В производстве инструментов и деталей для разных областей машиностроения применяют углеродистую сталь высокого качества.

Свойства сталей

Влияние углерода на структуру и свойства сталей

Механические свойства углеродистой стали зависят главным образом от содержания углерода. С ростом содержания углерода в стали увеличивается количество цементита и соответственно уменьшается количество феррита, т.е. повышаются прочность и твердость и уменьшается пластичность. Прочность повышается только до 1% С, а при более высоком содержании углерода она начинает уменьшаться. Происходит это потому, что образующаяся по границам зерен в заэвтектоидных сталях сетка вторичного цементита снижает прочность стали.

С увеличением содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита – очень твердой и хрупкой фазы. Твердость цементита превышает твердость феррита примерно в 10 раз (800HB и 80HB соответственно). Поэтому прочность и твердость стали растут с повышением содержания углерода, а пластичность и вязкость, наоборот, снижаются .

При повышении содержания углерода до 0,8% увеличивается доля перлита в структуре (от 0 до 100%), поэтому растут и твердость, и прочность. Но при дальнейшем росте содержания углерода появляется вторичный цементит по границам перлитных зерен. Твердость при этом почти не увеличивается, а прочность снижается из-за повышенной хрупкости цементитной сетки.

C увеличением содержания углерода в стали изменяются и физические свойства: снижается плотность, повышаются удельное электросопротивление и коэрцитивная сила, понижаются теплопроводность и магнитная проницаемость.

Кроме того, увеличение содержания углерода приводит к повышению порога хладноломкости: каждая десятая доля процента повышает t50 примерно на 20є. Это значит, что уже сталь с 0,4%С переходит в хрупкое состояние примерно при 0ºС, т. е. менее надежна в эксплуатации.

Углерод в железоуглеродистом сплаве находится главным образом в связанном состоянии в виде цементита. В свободном состоянии в виде графита он содержится в чугунах. С увеличением содержания углерода возрастает твердость, прочность и уменьшается пластичность.

Влияет содержание углерода и на все технологические свойства стали: чем больше в стали углерода, тем она труднее обрабатывается резанием, хуже деформируется (особенно в холодном состоянии) и хуже сваривается.

Изменение структуры стали с увеличением содержания углерода

“Пройдемся” вдоль оси содержания углерода на участке диаграммы состояния системы железо-углерод, которая соответствует сталям (рисунок 1): от 0 до 2 % углерода.

Рисунок 1 – Двойная диаграмма состояния железо-углерод

Феррит

Структура стали, содержащей от 0 до 0,02 % углерода, включает феррит и третичный цементит (рисунок 2).

Рисунок 2 – Микроструктура стали: феррит с третичным цементитом по граница зерен

Феррит и перлит

Дальнейшее увеличение содержания углерода приводит к появлению нового структурного компонента – эвтектоидного феррита и цементита (перлита). Сначала перлит появляется как отдельный включения между ферритными зернами, а затем, при содержании углерода 0,8 %, занимает весь объем. Перлит представляет собой двухфазную смесь, которая обычно имеет пластинчатую структуру (рисунок 3).

Рисунок 3 – Микроструктура перлита в стали

Перлит и цементит

Когда содержание углерода поднимается выше 0,8 %, наряду с перлитом образуется вторичный цементит. Вторичный цементит выделяется в форме игл (рисунок 4).

Рисунок 4 – Микроструктура стали: вторичный цементит (иглы) и перлит

Количество цементита возрастает с увеличением содержания углерода. При содержании углерода 2 % цементит занимает 18 % поля зрения микроскопа. При содержании углерода более 2 % формируется эвтектическая смесь.

Применение качественной конструкционной углеродистой стали

Область применения достаточно широка. Основными потребителями сплавов являются машиностроительная и строительная отрасли. Одним из достоинств считается хорошая свариваемость.

Как следует из названия, «конструкционная» — значит использующаяся для строительных металлоконструкций. Другое название – арматурные стали.

Рассматривая основные марки качественных сталей, использующиеся промышленными предприятиями можно разделить по назначению.

1. Качественные низкоуглеродистые стали 05-10. Основное их назначение изготовление ответственных и качественных конструкций с помощью сварки (повышение количества углерода способствует понижению свариваемости). Небольшое количество углерода после сварочных работ не провоцирует образование трещин как горячем, так и в холодном состоянии.

1. Качественные низкоуглеродистые стали 12-20. Основное их назначение изготовление элементов конструкций и деталей, которые не ответственные, малонагруженные, в последствии цементируемые. Обрабатываются резанием, холодной штамповкой, сложной вытяжкой. Требования к поверхности: износостойкость, высокая твердость при мягкой сердцевине. Изготавливаются машиностроительные элементы (вал, ось, болт, муфта, вилка, рычаг, фланцы и прочие), а также элементов котлового оборудования, работающего при высоком давлении и температурах от -40°С до 450°С (трубопровод, тройник, соединительный фланец и прочие).

1. Качественные среднеуглеродистые стали 25-35. Детали, изготовленные из данного материала, работают при средних нагрузках и с невысокими напряжениями. После химико-термического воздействия обладают высокой прочностью поверхностного слоя, износостойкостью, но с незначительной прочностью сердцевины детали (гайка, винт, собачка, крюк, кулачок, звездочка и прочие).
2. Качественные среднеуглеродистые стали 40-45. После термической обработки изделия из данного материала хорошо переносят средние нагрузки (вал, шестерня, шатун и прочие). Для получения заготовок используется метод горячей объемной штамповки. Подвергаются всем способам термической обработки. У всех среднеуглеродистых сталей после закалки и следующего за ним высокого отпуска внутренней структурой становится отпускной сорбит. В связи с чем повышается вязкость с пластичностью, а это низкая чувствительность у концентраторов напряженности. При увеличении диаметра изделия снижается его прокаливаемость.

1. Качественные среднеуглеродистые стали 50-55. Детали из этих сталей являются высоконагруженными элементами механизмов и агрегатов (муфта, шестерня, кольцо пружинное и прочие).
2. Качественные высокоуглеродистые стали 60-80 (Г). Изготавливаются детали, подвергающиеся постоянным напряжениям сжатия, которые эксплуатируются в условиях трения (эксцентрик, рессора, пружина и прочие), а также работающие при больших нагрузках динамических и статических (торсион, крестовина).

1. Качественные котельные стали 12К-22К. Применение нашли при изготовлении деталей, работа котрых сопряжена с повышенными температурами и высоким давлением. Для улучшения свариваемости в состав вводится титан, а раскисление производится за счет алюминия. Из нее изготавливают сосуды и котлы, работающие с турбинами, камерами сгорания на суднах и паровых агрегатах.

1. Сталь автоматная. Широко применяется при промышленном производстве крепежных изделий для автомобилей и узлов, работающих при статических нагрузках (болт, гайка, шпилька).

Классификация сталей

Стали классифицируют по назначению для дальнейшего использования, химическому составу, качеству, структуре.

По назначению стали принято делить на конструкционные, коррозионно стойкие (нержавеющие), инструментальные, жаропрочные, криогенные.

• Легированная — сталь содержащая специально вводимые, в определённых количествах, элементы, которые обеспечивают требуемые физические или механические свойства. Эти элементы называются легирующими. Как правило, легирование повышает прочность, коррозийную стойкость стали, понижают хрупкость. Легированную сталь по степени легирования разделяют на: низколегированную (легирующих элементов до 2,5 %); среднелегированную (от 2,5 до 10 %); высоколегированную (от 10 до 50 %).
• Конструкционная — сталь применяемая при изготовлении различных деталей, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве, обладающая определёнными механическими, физическими и химическими свойствами.
• Нержавеющая — легированная сталь, устойчивая к коррозии в атмосфере и агрессивных средах.
• Инструментальная углеродистая — сталь с содержанием углерода от 0,7 % и выше. Она отличается высокой твёрдостью и прочностью и применяется для изготовления инструмента.
• Жаропрочная — это вид стали, который подлежит эксплуатации при высоких температурах (от 30% от температуры плавления).

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные.

Углеродистые стали по уровню содержания углерода, в свою очередь, делятся на: низкоуглеродистые (процент содержания углерода до 0,25%), среднеуглеродистые (0,3–0,55%) и высокоуглеродистые (0,6–2 %). Углерод придаёт сплавам из железа дополнительную прочность и твёрдость, но, при этом, понижая их пластичность и вязкость.

Углеродистая сталь обыкновенного качества

Углеродистая сталь обыкновенного качества содержит углерод в пределах 0,06–0,49%. К этой группе относятся следующие марки стали: Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6, Ст0. По химическому составу данный тип стали должен соответствовать ГОСТ 380-94, а производимый из нее металлопрокат должен соответствовать общим техническими условиями ГОСТ 535-2005.

Чаще всего для изготовления металлопродукции используется сталь марки Ст3сп/пс1-5: из нее изготавливается сортовой, фасонный, листовой и рулонный прокат, а также горячекатаные трубы.

Качественная углеродистая сталь

Низкоуглеродистая качественная конструкционная сталь (марки 08, 08кп, 08пс) — используется при изготовлении листового проката. Это мягкая сталь, и она легко обрабатывается штамповкой, давлением, профилированием.

Качественная конструкционная сталь (марки 10, 15, 20, 25) — используется при изготовлении стальных труб, в машиностроении. Она обладает более высокой прочностью и коррозеустойчивостью по сравнению с маркой Ст3.

Твердая качественная сталь (марки 30, 35, 40, 45) — используется в машиностроении при изготовлении сильно нагруженных деталей машин. Эти марки стали обладают высокой износостойкостью и еще более устойчивы к коррозии.

Для улучшения характеристик сталей применяют ее легирование. Цели легирования — это повышение: прочности, устойчивости против коррозии, термостойкость, жаропрочность и т.д.

Легирование — это процесс добавление в состав материалов примесей, вводимых для изменения свойств основного материала.

Легированные стали по уровню содержания легирующих элементов делятся на низколегированные (до 4%), среднелегированные (до 11%) и высоколегированные (более 11%).

Стали, в зависимости от технологии их производства, могут содержать разное количество примесей.

Уровень содержания примесей определят (классифицирует) качество стали: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

По структуре стали разделяются на аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную и перлитную и двухфазную и многофазную.

Производство стали заключается в переработке чугуна, при котором в чугуне уменьшается концентрация углерода и других ненужных примесей.

Физические и химические свойства стали определяется ее составом и структурой, которые зависят от присутствия и процентного содержания следующих основных составляющих:

Влияние химического состава на механические свойства стали

Каждый химический элемент, входящий в состав стали, по-своему влияет на ее механические свойства – улучшает или ухудшает.

Углерод (С), являющийся обязательным элементом и находящимся в стали обычно в виде химического соединения Fe₃C (карбид железа), с увеличением его содержания до 1,2% повышает твердость, прочность и упругость стали и уменьшает вязкость и способность к свариваемости. При этом также ухудшаются обрабатываемость и свариваемость.

Кремний (Si) считается полезной примесью, и вводится в качестве активного раскислителя. Как правило, он содержится в стали в небольшом количестве (в пределах до 0,4%) и заметного влияния на ее свойства не оказывает. Но при содержании кремния более 2% сталь становится хрупкой и при ковке разрушается.

Марганец (Mn) содержится в обыкновенной углеродистой стали в небольшом количестве (0,3-0,8%) и серьезного влияния на ее свойства не оказывает. Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы, повышает твердость и прочность стали, ее режущие свойства, увеличивает прокаливаемость, но снижает стойкость к ударным нагрузкам.

Сера (S) и фосфор (Р) являются вредными примесями. Их содержание даже в незначительных количествах оказывает вредное влияние на механические свойства стали. Содержание в стали более 0,045% серы делает сталь красноломкой, т.е. такой, которая при ковке в нагретом состоянии дает трещины. От красноломкости сталь предохраняет марганец, который связывает серу в сульфиды (MnS). Содержание в стали более 0,045% фосфора, делает сталь хладноломкой, т.е. легко ломающейся в холодном состоянии. Обрабатываемость стали фосфор несколько улучшает, так как способствует отделению стружки.

Ниобий (Nb) улучшает кислостойкость стали и способствует уменьшению коррозии в сварных конструкциях.

Титан (Тi) повышает прочность, плотность и пластичность стали, улучшает обрабатываемость и сопротивление коррозии. Повышает прокаливаемость стали при малых содержаниях и понижает при больших.

Хром (Cr) повышает прочность, закаливаемость и жаростойкость, режущие свойства и стойкость на истирание, но снижает вязкость и теплопроводность стали. Содержание большого количества хрома (в обычных сортах стали доходит до 2%, а в специальных — до 25%) делает сталь нержавеющей и обеспечивает устойчивость магнитных сил.

Молибден (Mo) повышает прочностные характеристики стали, увеличивает твердость, красностойкость, антикоррозионные свойства. Делает ее теплоустойчивой, увеличивает несущую способность конструкций при ударных нагрузках и высоких температурах. Затрудняет сварку, так как активно окисляется и выгорает.

Никель (Ni) увеличивает вязкость, прочность и упругость, но несколько снижает теплопроводность стали. Никелевые стали хорошо куются. Значительное содержание никеля делает сталь немагнитной, коррозионностойкой и жаропрочной.

Вольфрам (W) образуя в стали твердые химические соединения – карбиды, резко увеличивает твердость и красностойкость. Увеличивает работоспособность стали при высоких температурах, ее прокаливаемость, повышает сопротивление стали к коррозии и истиранию, уменьшает свариваемость.

Ванадий (V) обеспечивает мелкозернистость стали, повышает твердость и прочность. Увеличивает плотность стали, так как является хорошим раскислителем. Снижает чувствительность стали к перегреву и улучшает свариваемость.

Кобальт (Co) повышает жаропрочность, магнитные свойства, увеличивает сопротивление удару.

Алюминий (Аl) является активным раскислителем. Делает сталь мелкозернистой, однородной по химическому составу, предотвращает старение, улучшает штампуемость, повышает твердость и прочность, увеличивает сопротивление окислению при высоких температурах.

Медь (Cu) влияет на повышение коррозионной стойкости, предела текучести и прокаливаемости. На свариваемость не влияет.

Для всестороннего понимания и анализа процессов, происходящих при легировании и деформировании сталей, важную роль играет знание зависимостей между химическим составом и механическими свойствами.

Целью настоящих исследований является изучение комплексного влияния химического состава на предел текучести σ_Т арматурной стали класса А500С.

В течение сентября и октября текущего года в Лаборатории испытаний строительных материалов и конструкций ГБУ «ЦЭИИС» проводились испытания образцов арматурных стержней диаметром от Ø16 до Ø36. Были выполнены более 30 параллельных испытаний. При этом для одной и той же пробы данного типоразмера арматурных стержней определяли фактическую массовую долю химических элементов с помощью оптико-эмиссионного спектрометра PMI-MASTER SORT (рис.1) и механические свойства стали при помощи испытательной машины ИР-1000М-авто (рис.2).

Рис.1 — Испытание арматурного стержня для определения химического состава стали.

Рис.2 — Испытания арматурной стали на растяжение.

Для обеспечения достоверности статистических выводов и содержательной интерпретации результатов исследований сначала определили необходимый объем выборки, т.е. минимальное количество параллельных испытаний. Так как в данном случае испытания проводятся для оценки математического ожидания, то при нормальном распределении исследуемой величины минимально необходимый объем испытаний можно найти из соотношения:

где υ – выборочный коэффициент вариации,

t_α,k – коэффициент Стьюдента,

α=1-P – уровень значимости (Р — доверительная вероятность),

k = n-1 – число степеней свободы,

Δ_М – максимальная относительная ошибка (допуск) при оценке математического ожидания в долях математического ожидания (Δ_М = γ*δ_М, где γ — генеральный коэффициент вариации, δ_М – максимальная ошибка при оценке математического ожидания в долях среднеквадратического отклонения).

Как правило, генеральный коэффициент вариации γ неизвестен, и его заменяют выборочным коэффициентом вариации υ, для определения которого нами была проведена серия из десяти предварительных испытаний.

По результатам проведенных испытаний и выполненных расчетов при доверительной вероятности Р=0,95 получен необходимый объем выборки, равной n=26. Фактическое количество испытаний, как было сказано выше, составило 36.

Массив данных, полученных по результатам проведенных параллельных испытаний, был обработан с помощью многофакторного корреляционного анализа.

Уравнение множественной регрессии может быть представлено в виде:

Y = f (β, X) + ε,

где X=(X₁, X₂,…, X_m) – вектор независимых (исходных) переменных; β – вектор параметров (подлежащих определению); ε – случайная ошибка (отклонение); Y – зависимая (расчетная) переменная.

Разработка множественной корреляционной модели всегда сопряжена с отбором существенных факторов, оказывающих наибольшее влияние на признак-результат. В нашем случае из дальнейшего рассмотрения были исключены три элемента (Аl, Тi, W) по причине их низкой массовой доли (

Если вы нашли ошибку: выделите текст и нажмите Ctrl+Enter

Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали

Сталь промышленного производства является сложным по составу сплавом. Кроме основных компонентов — железа и углерода, а также возможных легирующих элементов сталь всегда содержит в том или ином количестве постоянные примеси — марганец и кремний, серу, фосфор и газы (кислород, азот, водород).

Углерод оказывает основное влияние на свойства стали. С увеличением в стали содержания углерода повышаются ее твердость и прочность и уменьшаются пластичность и вязкость. Прочность о_в достигает максимального значения при содержании приблизительно 0,9 % С. Это объясняется тем, что в заэвтектоидных сталях образуется твердая и хрупкая структурная составляющая — вторичный цементит (Fe₃C_n).

С увеличением содержания углерода повышается температура и расширяется температурный интервал перехода стали от вязкого состояния к хрупкому. Каждая 0,1 % С повышает верхнюю границу этого перехода на 20 °С.

Углерод влияет на технологические свойства стали. Увеличение содержания углерода приводит к снижению способности стали деформироваться в горячем и особенно холодном состоянии, затрудняется свариваемость стали.

Примеси в сталях подразделяют на вредные, полезные и случайные. Так, сера и фосфор являются вредными примесями.

Сера вызывает красноломкость стали — хрупкость при горячей обработке давлением, связанную с наличием в стали сульфидов железа FeS, которые входят в состав эвтектики. Температура плавления эвтектики 988 °С, она легкоплавкая и располагается по границам зерен. При горячей деформации с нагревом до 1000 °С и выше эвтектика расплавляется и сталь хрупко разрушается по границам зерен. Наличие сернистых включений нежелательно, так как они снижают пластичность и ударную вязкость стали. Поэтому содержание серы в стали строго ограничивают.

Фосфор растворяется в феррите, повышая его прочность, но в сильной степени понижает пластичность. Фосфор повышает порог хладноломкости стали — снижение ударной вязкости по мере понижения температуры. Каждая 0,01 % Р повышает порог хладноломкости на 25 °С. Вредное влияние фосфора усугубляется тем, что он (как и сера) обладает большой склонностью кликвации. Участки, обогащенные фосфором, отличаются повышенной хрупкостью. Содержание фосфора в стали строго ограничивают.

Основным показателем качества стали является содержание в ней серы и фосфора. Стали обыкновенного качества содержат до 0,055 % S и до 0,045 % Р, качественные — не более 0,04 % S и 0,035 % Р; высококачественные — не более 0,025 % S и 0,025 % Р; особовысококачественные — не более 0,015 % S и 0,025 % Р.

Марганец и кремний оказывают положительное влияние и считаются полезными примесями. Марганец устраняет красноломкость стали из-за примеси серы, связывая серу в сульфиды MnS, при этом исключается образование легкоплавкой эвтектики в стали. Частицы сульфидов MnS располагаются в структуре стали в виде отдельных включений. В деформированной стали эти частицы вытянуты в направлении прокатки.

Марганец и кремний добавляют в сталь при ее выплавке для удаления оксидов железа. Они являются раскислителями:

Частично марганец и кремний переходят в сталь в процессе раскисления и остаются в ней в количестве, обычно не превышающем 0,5—0,8 % Мп и 0,3—0,4 % Si.

Марганец и кремний растворяются в феррите и повышают его твердость и прочность.

Кислород, азот, водород являются вредными примесями. Так как содержание газов в стали очень мало и его трудно количественно определить, эти примеси называют скрытыми.

Газовые примеси частично растворены в железе, частично находятся в виде неметаллических включений (оксидов и нитридов) или расположены в свободном виде в раковинах, трещинах и других несплошностях. Оксиды, нитриды являются хрупкими неметаллическими соединениями, они выступают концентраторами напряжений, снижают пластичность и вязкость стали.

Водород не образует химических соединений в стали. При наличии достаточно большого количества водорода в стали возникает опасный дефект — внутренние надрывы (флокены).

Случайные примеси — это элементы, которые попадают в сталь при выплавке из вторичного сырья (переплава бытового или машиностроительного лома) или из руд отдельных месторождений.

Анализ углерода, серы и фосфора

Сталь — наиболее распространенный сплав железа с углеродом, в который входит ряд неизбежных примесей (Мп, Si, S, Р, О, N, Н и др.). Все они оказывают влияние на свойства стали, поэтому химический анализ — обязательный элемент системы качества на предприятии.

• Анализ на углерод. Углерод — основной компонент стали, который представлен в ней в разных формах, и определяет его марку и основные свойства.
• Анализ на серу и фосфор. Сера и фосфор трудноудаляемые элементы, которые попадают при выплавке стали в основном из чугуна. Они считаются вредными примесями, так как ухудшают качество стали. Максимально допустимое содержание серы не более 0,06%, а фосфора — 0,05%. В ходе плавки металла стараются провести мероприятия по десульфурации и дефосфорации, чтобы снизить влияние этих элементов.

Влияние углерода, серы и фосфора на качество стали

Определение углерода, серы и фосфора в стали для металлургов, литейщиков и машиностроителей имеет первоочередную важность. Это позволяет получить качественную продукцию и исключить неисправимый брак. Государственные стандарты регламентируют содержание примесей в стали и методы определения их содержания.

Углерод в стали

Углерод — полиморфный неметаллический элемент, который способен растворяться в железе в жидком и твердом состоянии с образованием твердых растворов — феррита и аустенита. Кроме этого, он создает с железом химическое соединение — цементит (Fe3C), и может быть представлен в высокоуглеродистых сталях в виде графита.

В зависимости от содержания углерода стали классифицируются на:

• низкоуглеродистые (до 0,3% С);
• среднеуглеродистые (0,3-0,6% С);
• высокоуглеродистые (более 0,6% С).

Содержание углерода оказывает влияние на структуру стали, количество и соотношение фаз, поэтому определяет показатели твердости и пластичности металла. При повышении содержания углерода происходит снижение ударной вязкости, и повышается порог хладноломкости. Увеличение концентрации C приводит к изменению и электрических свойств: растет сопротивление и коэрцитивная сила, уменьшается магнитная проницаемость и плотность магнитной индукции.

С ростом углерода происходит ухудшение литейных свойств, обрабатываемость давлением, резанием и свариваемость. Обработка резанием низкоуглеродистых сталей также затрудняется.

Сера в стали

Сера — вредная примесь, основными источниками которой служат передельный чугун и руда, используемые при выплавке стали. Она способна растворяться в жидком железе, а в процессе кристаллизации образует FeS. Сульфид железа образует с железом эвтектику с низкой температурой плавления, которая располагается по границам зерен. При технологическом нагреве до температуры обработки металла давлением она оплавляется, а при деформировании становится причиной надрывов и трещин. Это явление называется красноломкостью, так как сталь при температуре 900-1000℃ становится ярко-красного цвета.

Повышение содержания серы нелинейно влияет на порог хладноломкости: сначала происходит его повышение, а при повышении содержания MnS он понижается. Негативное влияние сера оказывает на свариваемость и коррозионную стойкость.

Фосфор в стали

Фосфор относится к вредным примесям стали, источником которой служат шихтовые материалы, в основном — чугун. Он способен в значительных количествах растворяться в феррите, что приводит к искажению кристаллической решетки. Одновременно с этим происходит увеличение временного сопротивления и предела текучести, уменьшение пластичности и вязкости. Увеличение содержания фосфора становится причиной повышения порога хладноломкости и уменьшения работы развития трещины.

Фосфор в значительной мере подвержен ликвации, что приводит к резкому снижению вязкости в центральной части слитка. В настоящее время технологии глубокой очистки стали от фосфора не существует.

Оптико-эмиссионный спектральный анализ C, S, P.

Оптико-эмиссионные спектрометры — универсальные приборы, которые способны решать широкий круг аналитических задач. В основу их работы лежат принципы атомно-эмиссионного спектрального анализа элементного состава вещества:

• спектр возбужденных атомов и ионов индивидуален для каждого элемента;
• интенсивность спектральной линии находится в зависимости от концентрации элемента в исследуемой пробе.

Эмиссионные спектральные приборы находят широкое применение в металлургии, что обусловлено следующими преимуществами метода:

• Возможность исследования проб в различном агрегатном состоянии.
• Анализ носит неразрушающий характер.
• Количество исследуемых элементов практически не ограничено. В их число входят углерод, сера и фосфор, которые представляют особый интерес для металлургов.
• Для проведения исследования в качестве пробы достаточно малого количества вещества.
• Высокая чувствительность и точность.
• Экспрессность.
• Возможность проведения сертификационного анализа.

Для анализа углерода, серы и фосфора с использованием эмиссионных спектрометров должны быть созданы в приборе определенные условия, а именно: бескислородная атмосфера. В противном случае определить элементы, длина волны которых короче 185 нм, не представляется возможным. В настоящее время удаление кислорода в приборе осуществляется двумя способами:

• путем прокачки инертным газом;
• вакуумированием.

Каждая из систем декислородизации имеет определенные особенности эксплуатации и обслуживания, поэтому при выборе прибора для анализа углерода, серы и фосфора следует учитывать их преимущества и недостатки. Это позволит подобрать спектрометр, который оптимально соответствует аналитической задаче, требованиям к точности результатов исследований и имеет удовлетворительные экономические показатели.

Оптико-эмиссионные приборы, предусматривающие прокачку инертным газом

В спектральных приборах для декислородизации используют чаще всего аргон. Для удаления кислорода предусматривается одна из следующих систем:

• Открытая. В результате продувки происходит вытеснение кислорода, а инертный газ удаляется из прибора в окружающую атмосферу.
• Замкнутая. При прохождении инертного газа происходит захват кислорода, который в дальнейшем очищается с помощью фильтра. Газ продолжает движение по замкнутой системе, давление в которой обеспечивает насос.

Приборы с открытой системой декислородизации отличаются простотой конструкции и меньшей стоимостью. Однако в этом случае степень очистки находится на низком уровне, а аргон расходуется безвозвратно. Применение подобных спектрометров целесообразно при пониженных требованиях к аналитическим характеристикам, как со стороны потребителя, так и со стороны производителя.

Конструкция приборов с замкнутой системой декислодизации усложняется, так как для обеспечения функциональности необходимы дополнительные компоненты и их обслуживание:

• Насос с блоком питания.
• Баллон с газом для компенсации потерь.
• Дополнительный фильтрующий элемент.

Каждый из этих компонентов прибора требует обслуживания, а расходные материалы — замены, что связано с дополнительными расходами. Кроме этого, в результате непрофессиональных действий обслуживающего персонала возникает риск завоздушить систему при замене фильтра. Ликвидация последствий этого требует не только с дополнительных материальных затрат, но и времени.

Оптико-эмиссионные приборы с системой вакуумирования

Система вакуумирования позволяет получить низкую остаточную концентрацию кислорода, которая во много раз ниже, чем в открытой системе декислородизации, и сопоставима с лучшими результатами, полученными в замкнутых. Следует отметить, что при этом нет необходимости использования инертного газа.

Такая система удаления кислорода применяется в наиболее совершенных спектральных приборах. В них установлен масляный насос, который дополняется специальными ловушками для масла. Кроме этого, предусмотрен клапан, который при аварийном отключении электропитания, не допускает повреждения спектрометра маслом в результате его проникновения в вакуумную магистраль.

Двухступенчатые масляные форвакуумные насосы — наиболее предпочтительное оборудование по сравнению безмасляными мембранными моделями. Они имеют сопоставимую стоимость, но при этом в десятки раз превосходят последние по степени удаления кислорода, а также обладают значительным ресурсом и намного проще в обслуживании.

Универсальные настольные и стационарные спектрометры Искролайн 100/300 — отличные образцы приборов, в которых для удаление кислорода реализована система вакуумирования. Они способны определять более 70 элементов, в число которых входят углерод, сера и фосфор, с пределом детектирования до 0,0001% Приборы позволяют быстро и точно проводить спектральный анализ сталей, и отличаются высоким спектральным разрешением, высокой сходимостью результатов измерений и высоким качеством изготовления.