Роль легирующих элементов в стали (два)

(9) Кобальт

Кобальт в основном используется в специальных сталях и сплавах.Быстрорежущая сталь, содержащая кобальт, обладает высокой твердостью при высоких температурах, а молибден может быть добавлен в мартенситную стареющую сталь одновременно для получения сверхвысокой твердости и хороших комплексных механических свойств.Кроме того, кобальт является важным легирующим элементом в жаропрочных сталях и магнитных материалах.

Кобальт снижает прокаливаемость стали, поэтому добавление только углеродистой стали снизит общие механические свойства закаленной стали.Кобальт может упрочнять феррит, а при добавлении в углеродистую сталь он может улучшить твердость, предел текучести и прочность на растяжение стали в отожженном или нормализованном состоянии, а также оказывает неблагоприятное влияние на удлинение и усадку сечения.Ударная вязкость снижается с увеличением содержания кобальта.Кобальт используется в жаропрочных сталях и сплавах из-за его стойкости к окислению.Газовые турбины из сплава на основе кобальта показывают свою уникальную роль.

(10) Кремний (Si)

Кремний можно растворить в феррите и аустените для повышения твердости и прочности стали, его роль уступает только фосфору и прочнее марганца, никеля, хрома, вольфрама, молибдена, ванадия и других элементов.Однако, когда содержание кремния превышает 3%, пластичность и ударная вязкость стали значительно снижаются.Кремний может улучшить предел упругости, предел текучести и коэффициент текучести (σs/σb), а также усталостную прочность и коэффициент усталости (σ-1/σb) стали.По этой причине в качестве пружинной стали можно использовать кремнистую или кремниймарганцовистую сталь.

Кремний может уменьшить плотность, теплопроводность и электропроводность стали.Может способствовать укрупнению зерна феррита, снижению коэрцитивной силы.Он имеет тенденцию уменьшать анизотропию кристалла, так что намагничивание упрощается, сопротивление уменьшается, и его можно использовать для производства электротехнической стали, поэтому потери магнитного блока листа кремнистой стали низки.Кремний может улучшить магнитную проводимость феррита, так что стальной лист имеет более высокую магнитную чувствительность в слабом магнитном поле.Однако кремний снижает магнитную чувствительность стали в сильном магнитном поле.Кремний обладает сильным раскислением, что снижает эффект магнитного старения железа.

Когда сталь, содержащая кремний, нагревается в окислительной атмосфере, на поверхности образуется слой пленки SiO2, что повышает стойкость стали к окислению при высокой температуре.

Кремний может способствовать росту столбчатых кристаллов и снижать пластичность литой стали.Если кремнистая сталь при нагревании остывает быстрее, разница температур внутри и снаружи стали велика из-за низкой теплопроводности и, следовательно, разрушения.

Кремний может снизить свариваемость стали.Поскольку кремний прочнее железа в сочетании с кислородом, при сварке легко образуется силикат с низкой температурой плавления, который увеличивает текучесть расплавленного шлака и расплавленного металла, вызывая явление разбрызгивания и влияя на качество сварки.Кремний является хорошим раскислителем.При использовании раскисления алюминия добавляется определенное количество кремния, что позволяет значительно повысить скорость раскисления.В стали содержится определенное количество кремния, который вводится в качестве сырья в процессе производства чугуна и стали.В кипящей стали содержание кремния ограничивается <0,07%, когда предполагается добавление, в сталеплавильном производстве добавляют сплав ферросилиция.

(11) Марганец (Mn)

Марганец является хорошим раскислителем и десульфуризатором.Сталь обычно содержит определенное количество марганца, который может устранить или ослабить горячую хрупкость стали, вызванную серой, чтобы улучшить характеристики стали при горячей обработке.

Твердый раствор, образованный марганцем и железом, повышает твердость и прочность феррита и аустенита в стали.В то же время он является элементом, образованным карбидами, и входит в состав цементита, замещая часть атомов железа.Марганец играет роль в рафинировании перлита и косвенном улучшении прочности перлитной стали за счет снижения критической температуры перехода в стали.Марганец уступает только никелю по способности стабилизировать аустенитные структуры, а также сильно повышает прокаливаемость стали.Было изготовлено множество легированных сталей с содержанием марганца менее 2% и других элементов.

Марганец обладает характеристиками богатых ресурсов и разнообразной эффективности и широко используется, например, в углеродистой конструкционной стали с высоким содержанием марганца, пружинной стали.

В высокоуглеродистой и высокомарганцовистой износостойкой стали содержание марганца может достигать 10-14%.После обработки твердым раствором он имеет хорошую ударную вязкость.При ударной деформации поверхностный слой упрочняется за счет деформации и обладает высокой износостойкостью.

Марганец и сера образуют MnS с более высокой температурой плавления, что может предотвратить явление горячеломкости, вызванное FeS.Марганец имеет тенденцию увеличивать укрупнение зерна и чувствительность стали к отпускной хрупкости.Если охлаждение после плавки и ковки неправильное, легко получить белые пятна.

(12) Алюминий (Al)

Алюминий в основном используется для раскисления и рафинирования зерна.Способствует образованию твердого коррозионно-стойкого азотированного слоя в азотируемой стали.Алюминий может препятствовать старению низкоуглеродистой стали и повышать ударную вязкость стали при низких температурах.Когда содержание высокое, стойкость к окислению и коррозионная стойкость в окисляющей кислоте и газе H2S стали могут быть улучшены, а электрические и магнитные свойства стали могут быть улучшены.Алюминий играет большую роль в упрочнении стали раствором, улучшая износостойкость, усталостную прочность и механические свойства сердцевины науглероженной стали.

В тугоплавких сплавах алюминий и никель образуют соединения для повышения прочности плавки.Алюминиевый сплав Fe-Cr, содержащий алюминий, обладает характеристиками почти постоянного сопротивления и отличной стойкостью к окислению при высоких температурах, что подходит для использования в качестве материалов электрометаллургического сплава и проволоки сопротивления хром-алюминия.

Когда некоторые стали раскислены, если количество алюминия слишком много, это приведет к аномальной микроструктуре и будет способствовать склонности стали к графитизации.В ферритных и перлитных сталях высокое содержание алюминия снизит жаропрочность и ударную вязкость, а также создаст некоторые трудности при плавке, разливке и других аспектах.

(13) Медь (Cu)

Выдающаяся роль меди в стали заключается в повышении стойкости к атмосферной коррозии обычной низколегированной стали, особенно при использовании с фосфором, добавление меди также может улучшить прочность и коэффициент текучести стали, но не оказывает отрицательного влияния на сварку. производительность.Коррозионная стойкость рельсовой стали (U-Cu), содержащей 0,20–0,50% меди, в 2-5 раз выше, чем у обычного углеродистого рельса в дополнение к износостойкости.

Когда содержание меди превышает 0,75%, это может привести к усилению старения после обработки раствором и старения.При малом содержании его действие аналогично никелю, но слабее.Когда содержание выше, это неблагоприятно для обработки горячей деформации и приводит к хрупкости меди во время обработки горячей деформации.2-3% меди в аустенитной нержавеющей стали может противостоять коррозии серной кислоты, фосфорной кислоты и соляной кислоты, а также устойчивость к коррозии под напряжением.

(14) Бор (Б)

Основная функция бора в стали состоит в том, чтобы повысить прокаливаемость стали, экономя тем самым другие более редкие металлы, а также никель, хром, молибден и т. д. Для этой цели его содержание обычно указывается в диапазоне от 0,001% до 0,005%.Он может заменить 1,6% никеля, 0,3% хрома или 0,2% молибдена.Следует отметить, что молибден может предотвращать или уменьшать отпускную хрупкость, в то время как бор незначительно способствует склонности к отпускной хрупкости, поэтому его нельзя полностью заменить бором.

Среднеуглеродистая углеродистая сталь с бором, благодаря улучшению прокаливаемости, может сделать толщину стали более 20 мм после отпуска, характеристики которой значительно улучшаются, поэтому вместо 40Cr можно использовать сталь 40B и 40MnB, вместо стали 20Mn2TiB. Науглероженная сталь 20CrMnTi.Но поскольку роль бора с увеличением содержания углерода в стали и ослаблением или даже исчезновением при выборе борированной углеродистой стали необходимо учитывать на деталях после науглероживания, прокаливаемость науглероживающего слоя будет ниже, чем у сердцевины прокаливаемость этой особенности.

Пружинная сталь, как правило, должна быть полностью закалена, обычно площадь пружины невелика, использование борсодержащей стали выгодно.Влияние бора на высококремнистую пружинную сталь сильно колеблется, поэтому его неудобно использовать.

Бор имеет сильное сродство с азотом и кислородом.Добавление 0,007% бора в кипящую сталь может устранить явление старения стали.

(15) Редкоземельные (Re)

Вообще говоря, редкоземельные элементы относятся к периодической таблице элементов с атомными номерами от 57 до 71 (15 лантаноидов) плюс 21 скандий и 39 иттрий, всего 17 элементов.Они близки по своей природе и не могут быть легко разделены.Неразделенные, называемые смешанными редкоземельными элементами, дешевле и могут улучшить пластичность и ударную вязкость кованого проката, особенно литой стали.Это может улучшить сопротивление ползучести жаропрочных стальных электротермических сплавов и жаропрочных сплавов.

Редкоземельные элементы также могут улучшить стойкость к окислению и коррозионную стойкость стали.Антиоксидантный эффект больше, чем у кремния, алюминия, титана и других элементов.Это может улучшить текучесть стали, уменьшить неметаллические включения и сделать структуру стали компактной и чистой.

Обычная низколегированная сталь с соответствующими редкоземельными элементами обладает хорошим эффектом раскисления и удаления серы, улучшает ударную вязкость (особенно низкотемпературную вязкость) и улучшает свойства анизотропии.

Редкоземельные элементы в алюминиевом сплаве Fe-Cr увеличивают антиоксидантную способность сплава, сохраняют мелкое зерно стали при высокой температуре, улучшают жаропрочность, так что срок службы электронагревательного сплава значительно увеличивается.

(16) Азот (N)

Энергия азота частично используется в железе, что имеет эффект упрочнения твердого раствора и улучшения прокаливаемости, но это незначительно.За счет осаждения нитридов на границах зерен можно повысить жаропрочность границ зерен и повысить сопротивление ползучести стали.В сочетании с другими элементами в стали эффект дисперсионного твердения.Коррозионная стойкость стали незначительна, но поверхностное азотирование стали не только повышает твердость и износостойкость, но и значительно улучшает коррозионную стойкость.Остаточный азот в низкоуглеродистой стали может привести к хрупкости при старении.

(17) Сера (S)

Обрабатываемость стали можно улучшить за счет увеличения содержания серы и марганца.В легко обрабатываемую сталь в качестве полезного элемента добавляется сера.Сера сильно выделяется в стали.Ухудшение качества стали, при высоких температурах снижает пластичность стали, является вредным элементом, который существует в виде FeS с более низкой температурой плавления.Один только FeS имеет температуру плавления всего 1190 ℃, в то время как эвтектическая температура эвтектического кристалла, образованного железом в стали, еще ниже, всего 988 ℃.Когда сталь затвердевает, сульфид железа сливается на первичной границе зерна.Когда сталь прокатывается при 1100 ~ 1200 ℃, FeS на границе зерен плавится, что значительно ослабляет силу связи между зернами и приводит к горячему охрупчиванию стали, поэтому содержание серы следует строго контролировать.Как правило, он регулируется в пределах от 0,020% до 0,050%.Чтобы предотвратить хрупкость, вызванную серой, следует добавить достаточное количество марганца для образования MnS с более высокой температурой плавления.Если сталь имеет высокую скорость течения, сварка из-за образования SO2 приведет к образованию пор и рыхлости в свариваемом металле.

(18) Фосфор (P)

Фосфор оказывает сильное влияние на твердорастворное упрочнение и холодное твердение стали.Добавление низколегированной конструкционной стали в качестве легирующего элемента может повысить ее прочность и стойкость к атмосферной коррозии, но снизить характеристики холодной штамповки.Фосфор в сочетании с серой и марганцем может повысить производительность резания стали, повысить качество поверхности заготовки, облегчить резку стали, поэтому легкорежущая сталь также имеет относительно высокое содержание фосфора.Фосфор, используемый в феррите, хотя и может улучшить прочность и твердость стали, самый большой вред заключается в том, что сегрегация серьезна, увеличивает отпускную хрупкость, значительно увеличивает пластичность и ударную вязкость стали, в результате чего сталь при холодной обработке легко растрескивается. , а именно так называемое явление «хладноломкости».Фосфор также отрицательно влияет на свариваемость.Фосфор является вредным элементом, его следует строго контролировать, общее содержание не более 0,03% ~ 0,04%.