Влияние общих элементов на литую сталь

Добавление C в процесс разливки стали - это распространенный способ литья. Когда содержание С меньше 2%, мы называем его литой сталью; когда оно больше 2%, мы называем его С-сталью. Однако сам по себе C не обладает прочностью и твердостью. Однако, как Fe(3)C, карбид железа в твердом растворе, C является основным контролирующим элементом для прочности и твердости.

В главной роли С:

При литье нержавеющей стали с увеличением содержания С повышается прочность, твердость и прокаливаемость стали. Однако при этом снижается пластичность, вязкость, а также магнитные и электрические свойства. Сочетание C и некоторых легирующих элементов в стали образует различные карбиды, которые по-разному влияют на свойства стали.
Содержание C в некоторых диапазонах стального литья: C сталь 0,03 ~ 1,04%, быстрорежущая инструментальная сталь 0,75 ~ 1,60%, инструментальная сталь для горячей обработки 0,22 ~ 0,70%, инструментальная сталь для холодной обработки 0,45 ~ 2,85%.

Мы видим Mn в расплавленной стали в процессе раскисления и обессоливания, но на этом этапе он остается в стали в количестве, меньшем, чем 1%. Когда количество Mn в стали превышает 1%, Mn является намеренно добавленным легирующим элементом.

Основная роль Mn:

Для улучшения прочности на растяжение, прокаливаемости, высокой вязкости и технологических свойств стального литья. В сталях, содержащих S, Mn минимизирует горячее и холодное охрупчивание, вызванное S. Сталь с высоким содержанием Mn обладает высокой износостойкостью после тяжелой работы или удара. Однако существует тенденция к росту зерна стали и увеличению второго типа отпускной хрупкости. Элемент Mn используется в конструкционной, арматурной и пружинной стали.
Mn в некоторых стальных отливках в диапазоне содержания: C сталь 0,25 ~ 0,65%, Mn сталь 1,6 ~ 1,9%, холодная инструментальная сталь 0,30 ~ 2,50%, аутентичная Cr - Ni нержавеющая сталь 2,00 ~ 15,5%.

Si является ферритообразующим элементом. Он повышает температуры A(1) и A(3). Поскольку Si обладает графитообразующим действием, его обычно сочетают с Mn в стали в качестве стабилизатора карбидов. Он является широко используемым раскислителем.

Главная роль Си:

В листовых электротехнических сталях Si увеличивает проницаемость и удельное сопротивление и обеспечивает малые гистерезисные потери. Si делает некоторые высокотемпературные стали устойчивыми к окислению. А литьевая сталь улучшает прокаливаемость, прочность и ударную вязкость благодаря сочетанию Si и Mn. Особенно после закалки и отпуска, это может улучшить предел текучести и предел упругости стали. При высоком содержании Si в стальном литье значительно повышаются его магнитные свойства и стойкость. Однако Si, как правило, способствует графитизации, а когда сталь содержит большое количество C, эффект еще больше усиливается.
Содержание Si в обычной стали колеблется от 0,17 до 0,37%.

Главная роль Кр:

Литье из нержавеющей стали содержит достаточно C, когда Cr повышает твердость стали. Как правило, стали с низким содержанием Cr, содержащие 1% C, очень твердые. Добавление Cr в сталь с низким содержанием C может повысить прочность, но снизить пластичность. Cr улучшает высокотемпературную прочность и прокаливаемость стали; в стали с высоким содержанием C - износостойкость.

При добавлении в больших количествах, вплоть до 25%, Cr улучшает коррозионную стойкость за счет образования защитного оксидного слоя на поверхности стали. В сочетании с такими элементами, как Ni, он повышает стойкость к окислению и термическую прочность стали и еще больше улучшает коррозионную стойкость. Cr способствует росту зерен, что приводит к повышению хрупкости стали. Cr широко используется в конструкционных, инструментальных, подшипниковых, нержавеющих и жаропрочных сталях.

W - твердый карбидообразующий элемент. Он образует очень твердые и стабильные карбиды W(2)C, WC и сложный карбид Fe(4)W(2)C. Эти карбиды растворяются очень медленно и только при очень высоких температурах. W является важным компонентом инструментальных сталей, особенно быстрорежущих. В этих сталях W значительно повышает твердость после вторичной закалки. Как ферритообразующий элемент, W понижает температуру А(4) и повышает температуру А(3).

В главной роли У:

W препятствует росту зерен и, следовательно, оказывает рафинирующее действие. W уменьшает обезуглероживание при горячей обработке и термообработке. Он повышает высокотемпературную твердость закаленных и отпущенных сталей. В некоторых высокотемпературных сплавах W повышает прочность при ползучести. Литье из нержавеющей стали, содержащее W, нагревается до 600~700℃, карбид не выпадает в осадок, что позволяет избежать размягчения стали. Это один из элементов, который чаще используется в высокоскоростной инструментальной стали и легированной инструментальной стали. Однако он не подходит для сопротивления окислению литой стали.
W в некоторых диапазонах содержания стали: W-Cr сталь 1.75%, быстрорежущая инструментальная сталь 1.15 ~ 21.0%, инструментальная сталь для горячей обработки 0 ~ 19.0%, инструментальная сталь для холодной обработки 0 ~ 2.0%, ударопрочная сталь 0 ~ 3.0%.

Мо - прочный карбидообразующий элемент. Он образует жесткий и стабильный карбид Mo(2)C, а также другие сложные карбиды, такие как Fe(4)Mo(2)C и Fe(21)MoC(6).

В главной роли Мо:

Небольшое количество может эффективно снизить скорость превращения и улучшить высокотемпературную прочность и сопротивление ползучести литой стали. Он также может повысить коррозионную стойкость нержавеющей стали, особенно в растворах соляной кислоты. W играет аналогичную роль в быстрорежущей инструментальной стали, но часто вместо W используется Mo. Это уменьшает образование карбидов в сталях, содержащих W, и улучшает механические свойства. Мо является одним из основных компонентов в молибденовых сталях, которые обладают высокой прочностью на растяжение и хорошей пластичностью. В Cr-стали Мо добавляется для улучшения обрабатываемости и механических свойств. В Ni-Mo-сталях Мо повышает поверхностную твердость литой нержавеющей стали.
Mo в некоторых диапазонах содержания стали: Mo сталь 0.15 ~ 0.60%, быстрорежущая инструментальная сталь 0 ~ 10.0%, инструментальная сталь для горячей обработки 0 ~ 5.5%, инструментальная сталь для холодной обработки 0 ~ 1.8%, аутентичная Cr - Ni нержавеющая сталь 0.~ 4.0%, мартенситная Cr сталь 0 ~ 1.25%, феррохромная сталь 0 ~ 1.25%.

V - твердый элемент, образующий карбиды. Он образует карбиды VC. V присутствует в литой стали в виде мелкозернистых и диффузных карбидов и нитридов. Они не разлагаются при средних температурах термообработки и могут препятствовать росту зерна. Достаточное количество углерода и растворимого V при повышенных температурах вызывает наиболее значительный эффект вторичного упрочнения.

В главной роли В:

V является важным элементом для измельчения зерна. Он препятствует росту аустенита, и всего лишь 0,1% V будет эффективно препятствовать росту зерна во время закалки. Однако рост зерна начинается сразу же после нагрева литой стали до температуры, при которой рост зерна препятствует растворению карбидных и нитридных частиц.
Соотношение содержания железа и углерода более 5,7 может предотвратить или уменьшить воздействие среды на межкристаллитную коррозию нержавеющей стали. И значительно улучшить литой нержавеющей стали устойчивость к высокой температуре, высокому давлению и водородной коррозии способности. Может уточнить зерно и замедлить скорость передачи легирующих элементов, но высокотемпературное сопротивление окислению чугунной стали не является хорошим.
V в некоторых сталях и сплавах: хром - V сталь 0.10 ~ 0.20%, быстрорежущая инструментальная сталь 0.90 ~ 5.25%, горячая инструментальная сталь 0 ~ 2.20%, холодная инструментальная сталь 0 ~ 5.15%

Со - карбидообразующий элемент. Он обладает несколько большей склонностью к образованию карбидов, чем железо. Он улучшает высокотемпературные свойства стали и ее устойчивость к окислению и коррозии. Co является важнейшим компонентом некоторых сверхтвердых быстрорежущих инструментальных сталей, некоторых сплавов для постоянных магнитов и высокотемпературных сплавов.

В главной роли Ко:

Со значительно повышает прочность и вязкость, способствуя процессу закалки осаждением. Co растворяется в феррите или аустините и препятствует размягчению при повышении температуры.
Диапазон содержания Co в некоторых сталях и сплавах: 0~13,0% для быстрорежущих инструментальных сталей, 0~4,5% для инструментальных сталей для горячей обработки.

Ti - твердый карбидообразующий элемент. В состоянии твердого раствора надежный эффект упрочнения раствора чрезвычайно силен, но одновременно снижает вязкость твердого раствора.

В главной роли Ти:

В среднехромистых сталях Ti оттягивает углерод из твердого раствора и снижает мартенситную твердость и прокаливаемость. В высокохромистых сталях Ti препятствует образованию аустенита. В аустенитных нержавеющих сталях Ti оттягивает углерод из твердого раствора при высоких температурах, тем самым предотвращая образование карбидов хрома на границах зерен. В аустенитных высокотемпературных сплавах Ti способствует закалке осадка. В осадочных высокопрочных низколегированных сталях Ti повышает вязкость стали. Ti может рафинировать зерно и фиксировать углерод, что улучшает свариваемость чугунной стали.
Содержание Ti в высокопрочной низколегированной стали колеблется в пределах 0~0,10%

Свинец обладает ограниченной растворимостью в расплавленной стали. Поскольку его плотность гораздо выше, чем у стали, он тонет в расплавленной стали и отделяется от нее. Он присутствует в стали в виде включений. Эти включения мягкие и действуют как межзерновая смазка. Его содержание около 0,20% и наличие очень мелких частиц может улучшить обрабатываемость стали без существенного влияния на другие свойства.

Ni не образует карбидов. Присутствие Ni в чугунной стали дестабилизирует карбиды железа и, следовательно, способствует графитизации. Ni действует на укрепление феррита путем образования простых твердых растворов замещения. Как аустенитообразующий элемент, Ni стабилизирует аустенит, повышая температуру A(4) и понижая температуру A(3). Если чистое железо содержит более 25% Ni, полученный сплав является чистым аустенитом, даже если он медленно охлаждается до комнатной температуры.

В главной роли Ни:

В легированных сталях, содержащих до 5% Ni, Ni повышает прочность и вязкость. Ni способствует образованию аустенита при высоком содержании хрома, что позволяет получать аустенитные хромоникелевые нержавеющие стали. Он широко используется, особенно в нержавеющей и жаропрочной стали. Стали с высоким содержанием Ni, содержащие небольшое количество углерода, значительно увеличивают термический гистерезис изотропного гетерокристаллического превращения. Это приводит к сохранению мартенсита в мартенситно-стареющих сталях при нагреве до 600°C. Ni снижает коэффициент теплового расширения, а в сплавах с высоким содержанием Ni увеличивает проницаемость. При высоком содержании Ni в литой стали его сочетание с хромом может значительно повысить коррозионную и жаропрочную стойкость стали.

Nb повышает прочность за счет закалки осадком и дальнейшего измельчения ферритного зерна.

Основная роль Nb:

Небольшое количество Nb (около 0,02%) может эффективно увеличить предел прочности и текучести углеродистой стали. Nb является важным компонентом некоторых высокопрочных низколегированных сталей.
Когда содержание углерода в ней превышает 8-кратное значение, она может зафиксировать почти весь углерод в литой стали. Аутентичные стали предотвращают межкристаллитную коррозию литой стали под воздействием окислительных сред. Благодаря фиксации углерода в стали и эффекту закалки осадком, она может улучшить высокотемпературные свойства горячекатаных сталей, такие как прочность при ползучести.

Медь является аустинитообразующим элементом. Поскольку медь склонна к графитизации, ее добавляют только в низкоуглеродистую сталь и в количестве не более 1,5%.
Основная роль меди заключается в улучшении коррозионной стойкости и повышении прочности сплава на растяжение за счет закалки осадком. Медь может немного повысить предел текучести в тех сталях, где не происходит закалка осадком. Однако при этом снижается пластичность и вязкость отливок из нержавеющей стали. Углеродистая сталь повышает прокаливаемость и снижает пластичность. Если содержание меди превышает 0,4%-0,5%, то на поверхности стальных деталей легко образуются трещины при горячей обработке.

Al обладает меньшей способностью к образованию карбидов, чем железо. Al способствует графитизации при литье нержавеющей стали.

Главную роль сыграл Эл:

Al и азота или O для получения эффективной тонкой дисперсии, препятствующей росту зерна. Он создает эффективный поверхностный упрочняющий слой за счет низкотемпературной диффузии азота (азотирование). Al делает сталь устойчивой к коррозии, создавая твердый слой оксида Al на поверхности чугунной стали. Al рафинирует зерна литой нержавеющей стали, тем самым повышая ее прочность и вязкость.
Содержание Al в некоторых сталях и сплавах колеблется от 0,01 до 0,03% в обычной стали, от 0 до 0,30% в ферритной нержавеющей стали и от 0 до 1,5% в нержавеющей стали, подвергающейся закалке осаждением.

B - очень твердое вещество, которое плавится при температуре 2300°C.

В главной роли Б:

Добавление незначительного количества B (от 0,0005 до 0,005%) в полностью раскисленную литую нержавеющую сталь может значительно повысить ее прокаливаемость. Это связано с уменьшением скорости фазового перехода при охлаждении, но при увеличении содержания углерода закаливаемость снижается. Поэтому добавление B в низко- или среднеуглеродистую сталь с содержанием углерода <0,6% дает значительный эффект. Если вы добавите небольшое количество B, уменьшите количество других более дорогих легирующих элементов вдвое, все равно при разливке стали сохранится та же скорость превращения. B улучшает пластичность и механические свойства литой нержавеющей стали.

S - элемент, наиболее вредный для литой стали. Он оказывает наиболее вредное воздействие на сталь, образуя хрупкий сульфид FeS. Сульфид присутствует в стали в количестве до 0,01%, а также может вызывать осаждение сульфида по границам зерен.

Главная роль S:

При добавлении достаточного количества марганца в литую сталь S образует MnS, который является пластичным при горячих рабочих температурах. S может увеличить количество неметаллических включений в стали, так что прочность стали снижается, и значительно ухудшает сварочные свойства стали. В горячем состоянии сталь легко становится хрупкой (горячая хрупкость), но немного большее содержание S может улучшить обрабатываемость низкоуглеродистой стали.
Содержание S в обычной стали составляет ≤ 0,045%.

S - элемент, наиболее вредный для литой стали. S оказывает наиболее вредное воздействие на сталь, образуя хрупкий сульфид FeS. Сульфид присутствует в стали в количестве до 0,01%, а также может вызывать осаждение сульфида по границам зерен.

Главная роль S:

При добавлении достаточного количества марганца в литую сталь S образует MnS, который является пластичным при горячих рабочих температурах. S может увеличить количество неметаллических включений в стали, так что прочность стали снижается, и значительно ухудшает сварочные свойства стали. В горячем состоянии сталь легко становится хрупкой (горячая хрупкость), но немного большее содержание S может улучшить обрабатываемость низкоуглеродистой стали.
Содержание S в обычной стали составляет ≤ 0,045%.

N в стали может как образовывать нитриды, так и растворяться в промежутках после затвердевания. В обоих случаях N охрупчивает сталь и делает ее непригодной для холодной обработки. Поэтому для получения мягких сталей с высокой пластичностью содержание N должно быть не более 0,002%. Снижение содержания N также уменьшает закалочное старение. В горячекатаных или кованых сталях фосфор образует так называемые "аномальные зоны", которые становятся слабыми местами в стали.

Водород может диффундировать из стали при комнатной температуре. Эта диффузия более эффективна при медленном повышении температуры. Содержание водорода более 0,0005% приводит к снижению пластичности стали. Содержание водорода выше 0,0005% может привести к внутреннему разрыву стали. Обычно это происходит во время охлаждения металла после прокатки или ковки.
Это делает сталь восприимчивой к недопустимым дефектам, таким как белые пятна, которые могут привести к водородному охрупчиванию, а также является существенным фактором, приводящим к холодному растрескиванию (замедленному растрескиванию) в зоне термического влияния сварного шва.

В процессе продувки при выплавке стали в расплав вдувается большое количество О. К концу процесса продувки сталь содержит избыток О. Если его не раскислить, он повлияет на последующую операцию разливки. А в процессе затвердевания стали O в больших количествах выпадает в виде оксидных осадков. В литой нержавеющей стали также образуются оксидные неметаллические включения, которые снижают пластичность и ударную вязкость стали, делая ее хрупкой.

Поскольку содержание не превышает 0,20%, общие механические свойства литой нержавеющей стали изменяются незначительно, но повышается чувствительность к отпускной хрупкости.

Небольшое количество Zr дегазирует, очищает и уточняет роль зерна. Это благоприятно сказывается на низкотемпературной вязкости стали. Он также может устранить явление старения и улучшить штамповочные свойства стали.