Какие свойства придают стали фосфор и сера

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.

Сера является вредной примесью. Образуя с железом химическое соединение

FeS и реагируя с железом оно образует легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988 оС. Эвтектика образуется даже при очень малых количествах серы. Кристаллизуясь из жидкости, эвтектика располагается по границам зерен, при нагреве стали до температур прокатки или ковки (1000-1200о) эвтектика расплавляется , нарушая связь между зернами.

В местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины. Это явление называется красностойкостью

FeS + Mn = Mn + Fe

Т.е. марганец уменьшает красноломкость

Сернистые соединения сильно снижают механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность.

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.

Теоретические основы металлургического производства

15.1 Роль фосфора в сталеплавильных процессах

В рудах фосфор всегда сопутствует железу, иногда в больших количествах. В доменной плавке фосфор практически полностью восстанавливается и переходит в чугун. В зависимости от содержания фосфора чугуны принято подразделять на малофосфористые, содержащие не более 0,15 – 0,2% P, и высокофосфористые, в которых содержание фосфора может достигать 2 – 2,5%.

Отрицательное влияние фосфора на свойства стали проявляется уже при содержании его более 0,005 – 0,010%. Отрицательное воздействие фосфора на свойства стали связано в первую очередь с тем, что он имеет неограниченную растворимость в жидком железе, но плохо растворяется в твердом железе, особенно в аустените. При кристаллизации и дальнейшем охлаждении стали избыточное количество фосфора выделяется из пересыщенного раствора в виде фосфидов, температура плавления которых ниже температуры кристаллизации металла. Фосфидные включения хорошо смачивают металл и располагаются преимущественно по границам зерен литой стали. Это приводит к уменьшению пластичности металла, особенно ударной вязкости при низких температурах (хладноломкость стали). По этой причине особенно строгие требования к содержанию фосфора предъявляются в сталях, предназначенных для работы в условиях крайнего Севера.

При повышенном содержании фосфора ухудшается свариваемость стали. Это приводит к плохому завариванию пустот в слитках и заготовках при обработке давлением, увеличению головной обрези слитков и расслоению металла в готовом прокате.

Фосфор, совместно с серой и кислородом, повышает анизотропию прочностных свойств проката. Низкая прочность металла в поперечном направлении в сравнении с прочностью в продольном нежелательна для сталей, предназначенных для изготовления сосудов высокого давления, трубопроводов и др.

Сталь с высоким содержанием фосфора обладает также так называемой синеломкостью, т.е. хрупкостью при температурах 500 – 600оС.

Повышенное содержание фосфора характерно для некоторых конструк-ционных сталей, предназначенных для обработки резанием на станках-автоматах (автоматные стали). Обычно они применяются для изготовления болтов, гаек и других деталей не ответственного назначения. Примером может служить сталь А12 состава, % мас.: 0,08 – 0,16 C; 0,6 – 0,9 Mn; 0,15 – 0,35 Si; 0,08 – 0,2 S; до 0,15 P. При обработке резанием такие стали не образуют стружки в виде длинных спиралей, а обрабатываемая поверхность получается более чистой.

При производстве тонких листов методом горячей пакетной прокатки в стали также предусматривается повышенное содержание фосфора (до 0,045 – 0,050%). Это уменьшает свариваемость листов при прокатке и увеличивает выход годной продукции.

15.1 Роль фосфора в сталеплавильных процессах

Влияние серы на свойства сталей

Содержание серы (S) в высококачественных сталях не превышает 0,02-0,03 %. В сталях общего назначения допустимое содержание серы выше – 0,03-0,04 %. Специальной обработкой жидкой стали содержание серы в стали доводят до 0,005 %.

Сера не растворяется в железе, поэтому любое ее количество образует с железом сульфид железа FeS. Этот сульфид входит в состав эвтектики, которая образуется при 988 °С.

Повышенное содержание серы в сталях приводит к их красноломкости из-за низкоплавких сульфидных эвтектик, которые возникают по границам зерен. Явление красно

ломкости происходит при температуре 800 °С, то есть при температуре
красного
каления стали.

Сера оказывает вредное влияние на пластичность, ударную вязкость, свариваемость и качество поверхности сталей (особенно в сталях с низким содержанием углерода и марганца).

Сера имеет очень сильную склонность к сегрегации по границам зерен. Это приводит к снижению пластичности сталей в горячем состоянии. Однако серу в количестве от 0,08 до 0,33 % намеренно добавляют в стали для автоматической механической обработки. Известно, что присутствие серы повышает усталостную прочность подшипниковых сталей.

Присутствие в стали марганца уменьшает вредное влияние серы. В жидкой стали протекает реакция образования сульфида марганца. Этот сульфид плавится при 1620 °С – при температурах значительно более высоких, чем температура горячей обработки сталей. Сульфиды марганца пластичны при температурах горячей обработки сталей (800-1200°С) и поэтому легко деформируются.

( 2 оценки, среднее 5 из 5 )