Влияние ванадия на свойства стали

Влияние ванадия на структуру и свойства стали

Влияние ванадия на структуру и свойства стали

  • Влияние ванадия на структуру и свойства стали Ванадий является сильным карбидообразующим веществом element. In сталь образует прочный и стабильный карбид с простой кубической решеткой, похожей на решетку хлорида натрия: VC 19% C и V4C3-14%C. In стали, количество карбидной фазы в присутствии ванадия значительно меньше, а в железоуглеродистой фазовой диаграмме ванадий смещается вправо от точки кодирования 5, то есть в сторону уменьшения количества перлита.

На рисунке 97 показано влияние ванадия на концентрацию углерода в перлите и температуру превращения перлита. При 0.8% V перлит будет содержать −1%C, а критическая точка A поднимется до 740°. При 1,5% V концентрация углерода в перлите возрастает до 1,1%, что соответствует точке А <750° и т. д. То есть, чем выше содержание ванадия в стали, тем больше углерода потребуется.

Чем больше его получается в структуре 100% перлита и более, тем выше температура превращения перлита. Людмила Фирмаль

Значительное увеличение содержания углерода в перлите под влиянием ванадия объясняется тем, что, во-первых, высоким содержанием углерода в карбиде ванадия, а во-вторых, карбид ванадия не участвует в эвтектоидной структуре. Таким образом, с увеличением содержания ванадия в Стали количество перлита уменьшается, а общее»кажущееся» содержание углерода увеличивает влияние ванадия на структуру и свойства стали 207.

На рисунке 98 представлена структурная схема ванадиевой стали, показывающая, что чем выше содержание ванадия в стали, тем больше углерода требуется для получения перлита structure. In низкое содержание углерода и высокое содержание ванадия (верхний левый угол рисунка), весь углерод связан с карбидом ванадия, который не образует феррит и эвтектоид mixtures. As в результате структура стали представляет собой частицы феррита с вкраплениями карбида ванадия в состоянии полного отсутствия перлита. Рисунок 97.

  • Влияние ванадия на конверсию Темера-Пуру и содержание углерода в Пальмере Рисунок 98.Структурная схема ванадиевой стали Ванадий вводят в перлитную сталь в очень малых количествах (обычно 0,15-0,25%), так как при высоком содержании ванадия он присоединяется к стабильному карбиду ванадия, который не проходит через нормальные quenching. It является аустенитной и не участвует в упрочнении, что снижает упрочняющие свойства стали.

Ванадий как очень сильный карбидообразующий элемент переходит в твердый раствор, содержащий железо, только тогда, когда в стали недостаточно углерода для образования сильного карбида ванадия. Кроме того, поскольку ванадий содержит примерно в 4 раза больше углерода, чем ванадий в карбиде, ванадий должен быть частично растворен в твердом состоянии, чтобы содержать в 4-5 раз больше углерода, чем железо. Но в силу определенных особенностей легирования перламутровой стали ванадий вводится в количестве не более 0,3%, поэтому в большинстве случаев он прекрасно сочетается с нерастворимыми карбидами. Я Р Я Пятнадцать Ага. * В 700. / Дао Падает температура.’Ц Людмила Фирмаль

In закаленные стали, под влиянием ванадия, мартенсит более мелкий в форме иглы и менее хрупкий, чем свободные от ванадия стали. Ванадиевая сталь может нагреваться до гораздо более высоких температур, чем простой углерод, не опасаясь перегрева, поскольку она действует как барьер для связывания мелких частиц с крупными частицами, то есть для замедления роста частиц. Например, сталь с C 1,0% и V 0,15% можно закалить и мелкозернисто на 860-880°.С этой точки зрения особенно полезно вводить ванадий в Марки стали, которые склонны к росту зерна и перегреву.

Ванадиевая сталь после отжига и нормализации при одинаковом содержании углерода имеет несколько меньшую твердость, чем у обычной углеродистой стали, поскольку карбид ванадия при одинаковом содержании углерода дает меньше карбидов, чем цементит. Ванадий осаждается в виде равноосных зерен, а не пластин, что уменьшает границу раздела фаз с искаженной (отвержденной) атомно-кристаллической решеткой. Критическая скорость упрочнения и глубина упрочнения ванадиевой стали сильно зависят от температуры нагрева перед упрочнением.

При закалке до температуры на 30-40°выше точки L1_3 карбид ванадия не растворяется и ванадиевая сталь обжигается на меньшую глубину, чем углеродистая сталь. При высокой температуре нагрева карбид ванадия частично переходит в твердый раствор, что снижает скорость критической закалки, а упрочняющие свойства ванадиевой стали выше, чем у углеродистой стали(рис.99). Влияние ванадия на твердость закаленной стали также сильно зависит от температуры твердения. х Чем выше температура нагрева перед закалкой стали, тем больше растворяется карбид ванадия, а твердый раствор упрочняется углеродом, что повышает твердость закаленной стали steel. At нормальная температура закалки, карбид ванадия не растворяется.

Читайте также:
Гидродвигатель своими руками

Рисунок 99. 1,0%влияния ванадия на структуру и характеристики закаленной стали из стали с эффектом ванадия 209, который зависит от температуры закалки стали Тенсит обеднен углеродом, а твердость закаленной ванадиевой стали несколько ниже, чем у обычной углеродистой стали. Под воздействием менее 0,3% ванадия температура мартенситного превращения практически не изменяется, а количество удерживаемого аустенита незначительно reduced.

It имеет большое практическое значение при отверждении высокоуглеродистой стали. При отпуске закаленной стали ванадий повышает стабильность мартенсита и предотвращает затвердевание карбидов, образующихся при разложении мартенсита. Таким образом, ванадиевая сталь обладает повышенной стойкостью к отпуску по сравнению с углеродистой steel. In кроме того, чем выше температура закалки стали, то есть чем больше она проходит через твердый раствор карбида ванадия, тем выше температура отпуска и твердость ванадиевой стали сохраняется.

При закалке от средней температуры (на 20-30°выше критической точки-Ai_3) карбид ванадия не превращается в аустенит, поэтому твердость ванадиевой стали после отпуска почти такая же, как и у углеродистой стали. Низкоуглеродистые ванадиевые стали обладают отличной свариваемостью, поскольку ванадий прочно связывает углерод и газ с сильными соединениями (карбидами, нитридами и др.).), подавляет рост зерна, снижает аустенитную стабильность, предотвращает зонное затвердевание и растрескивание.

Скорость цементации стали при цементации и глубина цементируемого слоя ванадия до 0,3% практически не затрагиваются, но сердцевина цементируемого изделия из ванадиевой стали не сильно перегревается и в цементируемом слое, как правило, отсутствует цементирующая сетка. После затвердевания цементных изделий поверхность цементной корки из ванадиевой стали становится менее хрупкой и более износостойкой. Ванадий вводят в количестве 0,2-0,3% или менее в перлитные марки сталей для получения микроструктур и улучшения механических свойств. properties.

In в больших количествах (до 4-5%) ванадий вводится только в инструментальные стали карбидного класса, жаропрочные стали и некоторые сплавы со специальными физическими свойствами. properties. In кроме того, с улучшением механических свойств при введении ванадия в жаропрочную сталь резко снижается сопротивление окалины стали (на поверхности изделий из ванадиевой стали образуется рыхлая, запаздывающая, толстая корочка окалины).

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

Влияние химических элементов на свойства стали.

Каталог
Наш Instagram

Влияние хим. элементов на свойства стали.

Условные обозначения химических элементов:

хром ( Cr ) — Х
никель ( Ni ) — Н
молибден ( Mo ) — М
титан ( Ti ) — Т
медь ( Cu ) — Д
ванадий ( V ) — Ф
вольфрам ( W ) — В
азот ( N ) — А
алюминий ( Аl ) — Ю
бериллий ( Be ) — Л
бор ( B ) — Р
висмут ( Вi ) — Ви
галлий ( Ga ) — Гл
иридий ( Ir ) — И
кадмий ( Cd ) — Кд
кобальт ( Co ) — К
кремний ( Si ) — C
магний ( Mg ) — Ш
марганец ( Mn ) — Г
свинец ( Pb ) — АС
ниобий ( Nb) — Б
селен ( Se ) — Е
углерод ( C ) — У
фосфор ( P ) — П
цирконий ( Zr ) — Ц

ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ НА СТАЛЬ И ЕЕ СВОЙСТВА

Углерод — находится в стали обычно в виде химического соединения Fe3C, называемого цементитом. С увеличением содержания углерода до 1,2% твердость, прочность и упругость стали увеличиваются, но пластичность и сопротивление удару понижаются, а обрабатываемость ухудшается, ухудшается и свариваемость.

Кремний — если он содержится в стали в небольшом количестве, особого влияния на ее свойства не оказывает.(Полезная примесь; вводят в качестве активного раскислителя и остается в стали в кол-ве 0,4%)

Марганец — как и кремний, содержится в обыкновенной углеродистой стали в небольшом количестве и особого влияния на ее свойства также не оказывает. (Полезная примесь; вводят в сталь для раскисления и остается в ней в кол-ве 0,3-0,8%. Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы.

Сера — является вредной примесью. Она находится в стали главным образом в виде FeS. Это соединение сообщает стали хрупкость при высоких температурах, например при ковке, — свойство, которое называется красноломкостью. Сера увеличивает истираемость стали, понижает сопротивление усталости и уменьшает коррозионную стойкость. В углеродистой стали допускается серы не более 0,06-0,07%. ( От красноломкости сталь предохраняет марганец, который связывает серу в сульфиды MnS).

Читайте также:
В чем заключается сущность плазменной сварки

Фосфор — также является вредной примесью. Снижает вязкость при пониженных температурах, то есть вызывает хладноломкость. Обрабатываемость стали фосфор несколько улучшает, так как способствует отделению стружки.

ЛЕГИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СВОЙСТВА СТАЛИ

Хром (Х) — наиболее дешевый и распространенный элемент. Он повышает твердость и прочность, незначительно уменьшая пластичность, увеличивает коррозионную стойкость; содержание больших количеств хрома делает сталь нержавеющей и обеспечивает устойчивость магнитных сил.

Никель (Н) — сообщает стали коррозионную стойкость, высокую прочность и пластичность, увеличивает прокаливаемость, оказывает влияние на изменение коэффициента теплового расширения. Никель – дорогой металл, его стараются заменить более дешевым.

Вольфрам (В) — образует в стали очень твердые химические соединения – карбиды, резко увеличивающие твердость и красностойкость. Вольфрам препятствует росту зерен при нагреве, способствует устранению хрупкости при отпуске. Это дорогой и дефицитный металл.

Ванадий (Ф) — повышает твердость и прочность, измельчает зерно. Увеличивает плотность стали, так как является хорошим раскислителем, он дорог и дефицитен.

Кремний (С)- в количестве свыше 1% оказывает особое влияние на свойства стали: содержание 1-1,5% Si увеличивает прочность, при этом вязкость сохраняется. При большем содержании кремния увеличивается электросопротивление и магнитопроницаемость. Кремний увеличивает также упругость, кислостойкость, окалиностойкость.

Марганец (Г) — при содержании свыше 1% увеличивает твердость, износоустойчивость, стойкость против ударных нагрузок, не уменьшая пластичности.

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

Молибден (М) — увеличивает красностойкость, упругость, предел прочности на растяжение, антикоррозионные свойства и сопротивление окислению при высоких температурах.

Титан (Т) — повышает прочность и плотность стали, способствует измельчению зерна, является хорошим раскислителем, улучшает обрабатываемость и сопротивление коррозии.

Ниобий (Б) — улучшает кислостойкость и способствует уменьшению коррозии в сварных конструкциях.

Алюминий (Ю) — повышает жаростойкость и окалиностойкость.

Медь (Д) — увеличивает антикоррозионные свойства, она вводится главным образом в строительную сталь.

Церий — повышает прочность и особенно пластичность.

Цирконий (Ц) — оказывает особое влияние на величину и рост зерна в стали, измельчает зерно и позволяет получать сталь с заранее заданной зернистостью.

Лантан, цезий, неодим — уменьшают пористость, способствуют уменьшению содержания серы в стали, улучшают качество поверхности, измельчают зерно.

Ванадий как легирующий элемент различных сталей и сплавов

В статье рассматривается применение ванадия и феррованадия в качестве легирующих элементов сплавов и сталей различного назначения.

На сегодняшний день ванадий является одним из самых востребованных легирующих элементов в сталеплавительном производстве. В чем секрет такого спроса на него? Дело в том, что даже незначительное содержание ванадия в сплавах влияет на их качество положительным образом. Они становятся более прочными и устойчивыми. Соответственно, производитель может увеличить срок службы своей продукции. При добавлении данного легирующего элемента к ферросплавам увеличивается предел их текучести. Повышается также соотношение показателей предел текучести – предел прочности.

Уникальные свойства ванадия

Почему ванадий (феррованадий) имеет такое мощное действие на сплавы? Причиной этому являются уникальные свойства данного элемента. Он способен формировать карбиды. Их выделение из твердой массы ванадиевых ферросплавов происходит перед образованием цементита – химического соединения, называемого иначе карбид железа.

Таким образом, система в данном случае выглядит так: Fe—V—С.

Образованные ванадием карбиды, а также сложные ванадийсодержащие карбиды формируются из твердого раствора в мелкодисперсном виде. Данные вещества весьма сложно растворить в аустените (твердый раствор углерода в железе) или феррите (оксидные соединения железа с другими металлами). При их добавлении происходит значительное структурное измельчение стали и чугуна. Другое характерное для данного процесса явление – замедление интенсивности роста зерна в момент нагрева. Небольшое количество ванадия, не содержащееся в карбидах, формирует твердый раствор в феррите. Благодаря этому свойству рассматриваемого вещества значительно увеличивается растворимость в нем кислорода. Такой фактор, в свою очередь, положительно влияет на процесс очищения феррита от соединений оксидного типа, негативно сказывающихся на показателях его прочности.

При измельчении зерен аустенита и замедлении темпов их роста во время нагрева, карбиды ванадия оказывают тем самым несомненную пользу закаливаемым ферросплавам. Благодаря данному процессу изделия будут отличаться высокими показателями пластичности. Наиболее актуально данное свойство ванадия для закаливания крупногабаритной продукции. Наличие легирующего элемента в железных сплавах способствует их устойчивости к высоким температурам и повреждениям. В «цементируемых» сталях с низким содержанием углерода включение даже незначительного количества легирующего элемента замедляет темпы роста зерна аустенита при цементации. В результате закаливания цементированный слой стальных изделий будет отличаться высокой прочностью, тогда как глубинные слои сохранят свою пластичность.

Читайте также:
Горн для ковки своими руками

Применение ванадия в производстве сплавов

Сегодня ванадий часто используется для типов стали, применяемых в производстве крупногабаритных конструкций. К ним относятся:

  • Хромисто-ванадиевая сталь. Легирующий элемент в ней содержится в размере 0,2% от общего объема. Данный тип сплава отличается высокой прочностью и пластичностью, особенно в сравнении с хромисто-молибденовой сталью.
  • Инструментальная сталь. Такой тип сплавов должен быть устойчивым к высоким температурам.
  • Кипящая сталь. В нее ванадий начали добавлять всего несколько лет назад. Из таких сплавов производят листовой металл, который проходит обработку способами глубокой штамповки. При добавлении в кипящую сталь 0,03-0,05 % ванадия металлическое изделие получится износостойким и долговечным.
  • Сплавы тройной системы Co—Fe—V. Для них характерно высокое магнитное качество. Они все больше и больше применяются производителями магнитов. В стали данного типа добавляют 10% ванадия. Их преимуществом перед сверхтвердыми никель-алюминиевыми сплавами, которые невозможно обрезать или согнуть, является то, что такую сталь легко ковать или обрабатывать на промышленных станках.
  • Строительные стали.
  • Стали для железнодорожного транспорта.

И это далеко не полный перечень типов сплавов, для которых используется ванадий (феррованадий) как легирующий элемент.

Рисунок 1. Инструменты из хромисто-ванадиевой стали

Ванадий вчера, сегодня и завтра

В последнее время наблюдаются интенсивные темпы производства тугоплавких металлических элементов таблицы Д.И.Менделеева. Так, титан и молибден используются без каких-либо примесей и добавок, в чистом состоянии. Они составляют основу значительного количества ферросплавов. И если в середине прошлого столетия они изготавливались лишь в пределах лабораторий, то сегодня масштабы их производства гораздо шире и представляют собой крупные потоки сталеплавительной продукции. Феррованадий как легирующий элемент высоко ценится в промышленности, а потому спрос на него производителей растет с каждым днем. Однако открытия, касающиеся его свойств, были сделаны довольно поздно. Во всяком случае, другие элементы были подробно изучены ранее феррованадия. Даже сегодня, несмотря на широкий спрос на данный продукт со стороны производителей легированной стали , специальной литературы, в которой были бы подробно описаны качества и особенности данного легирующего элемента, существует мало. Такой дефицит открытий, связанных с изучением феррованадия, связан с трудностями, возникающими при изготовлении ковкого металла.

Однако вследствие широкого применения ванадия в сталеплавительном производстве сегодня ученые вплотную заняты исследованием качественных характеристик ферросплавов с добавлением данного легирующего элемента. Тем более, что современное техническое оборудование способно преодолеть трудности, связанные с производством ковкого металла в крупных масштабах. В связи с этим можно прогнозировать, что в скором времени наступит «золотой век» в истории применения ванадия, спрос на него может возрасти в разы по сравнению с сегодняшним потреблением.

Ванадий в России и за рубежом

То, что ванадий представляет высокую ценность для производства стальных сплавов, было обнаружено еще во времена Советского Союза. Однако в то время промышленное оборудование не было настолько усовершенствованным, чтобы с его помощью стало возможным полностью изучить результаты добавления этого элемента в качестве легирующего в различные сплавы.

Больше всех полученными данными заинтересовались инженеры-конструкторы авиастроения. Их внимание привлекли такие свойства ванадиевых сплавов, как:

  • Устойчивость к высоким температурам
  • Пластичность
  • Защита от коррозии даже при неблагоприятных условиях
  • Прочность и устойчивость к механическим повреждениям
  • Низкий удельный вес

Сегодня в самолето- и ракетостроении широко применяются сплавы с добавлением ванадия. С каждым годом все больший спрос на них появляется и в машиностроении. Применяют такие сплавы в химическом и судостроительном производстве. В Германии получен патент на ванадиевотитановый сплав, содержащий 30-49% ванадия. Широко применяются титанованадиевые сплавы и в Соединенных Штатах Америки и других развитых стран мира. Естественно, такой интерес обусловлен в первую очередь сверхпрочностью, которую обеспечивает даже незначительное содержание ванадия в сплавах. Если для техники будут использоваться такие устойчивые материалы – она будет долговечной и износостойкой.

Читайте также:
Аппарат для изготовления гвоздей

телефоны:
8 (800) 200-52-75
(495) 366-00-24
(495) 504-95-54
(495) 642-41-95

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 σТ 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:

Читайте также:
Вертикальный сверлильный станок своими руками

где υ – выборочный коэффициент вариации,

tα,k – коэффициент Стьюдента,

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

k = n-1 – число степеней свободы,

ΔМ – максимальная относительная ошибка (допуск) при оценке математического ожидания в долях математического ожидания (ΔМ = γ*δМ, где γ – генеральный коэффициент вариации, δМ – 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,…, Xm) – 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 ВВОДИМОГО ВАНАДИЯ НА СВОЙСТВА СТАЛИ Текст научной статьи по специальности « Технологии материалов»

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Бекенов Данияр Касымович, Масакбаева Софья Руслановна

В данной статье авторы изучают влияние, которое может оказать ванадий , как легирующий элемент, для достижения определенных физико-химических свойств стали для трубной продукции. Микролегирование ванадием является одним из перспективных направлений повышения эксплуатационных и механических свойств , экономии дефицитных легирующих элементов, снижению энергозатрат.Цель данного исследования заключается в том, чтобы с помощью легирования стали ванадием добиться результатов термообработанных труб, без термической обработки.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Бекенов Данияр Касымович, Масакбаева Софья Руслановна

THE INFLUENCE OF ADMINISTERED VANADIUM ON THE PROPERTIES OF STEEL

In this article, the authors study the influence that vanadium can have as an alloying element, to achieve certain physical and chemical properties of steel for pipe products. Micro-alloying with vanadium is one of the promising directions for improving operational and mechanical properties , saving scarce alloying elements, and reducing energy consumption.The purpose of this study is to use vanadium alloying to achieve the results of heat-treated pipes, without heat treatment.

Текст научной работы на тему «ВЛИЯНИЕ ВВОДИМОГО ВАНАДИЯ НА СВОЙСТВА СТАЛИ»

ГРНТИ 53.31.23; 61.31.51; 53.47.29 Бекенов Данияр Касымович

магистрант, кафедра «Химия и химические технологии»,

г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан,

Масакбаева Софья Руслановна

научysq руководитель, к.х.н., профессор, кафедра «Химия и химические технологии», Торайгыров университет, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан, e-mail: sofochka184@mail.ru

ВЛИЯНИЕ ВВОДИМОГО ВАНАДИЯ НА СВОЙСТВА СТАЛИ

В данной статье авторы изучают влияние, которое может оказать ванадий, как легирующий элемент, для достижения определенных физико-химических свойств стали для трубной продукции. Микролегирование ванадием является одним из перспективных направлений повышения эксплуатационных и механических свойств, экономии дефицитных легирующих элементов, снижению энергозатрат.

Цель данного исследования заключается в том, чтобы с помощью легирования стали ванадием добиться результатов термообработанных труб, без термической обработки.

Ключевые слова: микролегирование, ванадий, сталь, химический состав, механические свойства, нормализация.

Введение в сталь в определенных количествах элементов, называемых легирующими, позволяет устранить недостатки углеродистой стали, улучшить ее механические свойства, а также получить те или иные особые физико-химические свойства, которыми углеродистая сталь не обладает.

Анализ использования ванадия для улучшения свойств стальных металлоизделий (сортового проката) показал, что его использование наиболее эффективно для улучшения свойств стали [1].

Микролегирование ванадием является одним из перспективных направлений повышения эксплуатационных и механических свойств, экономии дефицитных легирующих элементов.

Читайте также:
Виноградодавилка своими руками

На основе обобщенных данных [2] предполагается, что ванадий более сильный раскислитель, чем кремний, но более слабый, чем алюминий. Экспериментально было найдено, что ванадий по раскислительной способности приближается к кремнию [3].

Для исследования процессов структурообразования литой стали микролегированной ванадием с целью улучшения свойств трубных марок стали, должна быть выбрана сталь для исследования.

Микролегирование ванадием является одним из перспективных направлений повышения эксплуатационных и механических свойств, экономии (по расходу, примерно на два порядка) дефицитных легирующих элементов. Вследствие получения высокой прокаливаемости, прочности и пластичности в катаном и нормализованном состоянии, а также хорошей свариваемости ванадий широко применяется при производстве низколегированной стали.

Ванадий адсорбируется на поверхности образовавшихся включений и препятствует их коагуляции. Кроме того, наличие ванадия на поверхности снижает межфазное натяжение и улучшает смачиваемость включений жидким металлом. Всё это затрудняет их всплывание и приводит, в конечном счёте, к увеличению степени загрязнённости металла. Общая загрязнённость при введении ванадия увеличивается на 30-40 %. Однако более 90 % всех включений имеют размер до 10 мкм и практически не влияют на хладостойкость стали.

Инокулирующее влияние ванадия связано с образованием тугоплавких и малорастворимых частиц ванадиевой фазы (диванадиев), измельчающих литую структуру стали. Возможность повышения ударной вязкости методом микролегирования стали ванадием связана с образованием мелкодисперсной фазы нерастворимого в кислотах ванадия. Следовательно, этот эффект может наблюдаться лишь в том случае, когда присутствующий в стали азот (или его часть) не входит в соединения с другими нитроидообразующими элементами. Ванадий имеет невысокую раскислительную способность, но образует стойкие нитриды. Оптимальные содержания ванадия в стали составляют, как правило, 0,05-0,1 %. При более высоких содержаниях он образует легкоплавкую эвтектику, располагающуюся по границам зёрен, что снижает прочностные свойства стали при нагреве. Поэтому содержание ванадия в стали ограничивается [4].

Для исследования процессов структурообразования литой стали микролегированной ванадием с целью улучшения свойств трубных марок стали, выбрана сталь Т-1.

Нормируемый химический состав стали Т-1 приведен в таблице 1.

Таблица 1 – Химический состав стали, %

Хим. элементы C Si Мп Р S Сг № Мо А1

Требуемый состав min 0,34 0,15 1,25 – – 0,25 – – 0,01 –

mах 0,37 0,35 1,50 0,020 0,020 – 0,25 0,08 0,05 0,25

Ванадий добавляется в сталь в чрезвычайно малых количествах. Добавки ванадия должны ограничиваться, так как чрезмерно малые дозы могут оказаться неэффективными, а слишком большие добавки могут привести к хрупкости и красноломкости стали. При температурах жидкой стали ванадий легко связывается с кислородом и азотом, содержание которых в стали часто превосходит требуемую концентрацию ванадия.

Малые добавки ванадия могут вводиться в полностью раскисленную сталь из окислов ванадия, содержащихся в шлаке, используемом при рафинировке. При изучении равновесия между ванадием и кислородом в жидком железе было подтверждено, что этот метод осуществим.

Ванадий присаживают в сталь в конце плавки после всех добавок, хотя часто вместе с ним дополнительно вводят также алюминий и небольшие количества других элементов.

Слишком высокие содержания ванадия могут обусловить красноломкость стали и затруднить ее прокатку или ковку. Максимальное содержание ванадия, которое может быть допустимо в стали, не вызывая указанных затруднений, не имеет определенной величины, но обычно оно выше в сталях с весьма низким содержанием углерода и может изменяться в зависимости от вида, в каком ванадий присутствует в той или иной стали; возможно, что неэффективная часть ванадия, получающаяся в результате, соединения с кислородом и азотом, не является причиной красноломкости стали [6-8].

Микролегирование стали ванадием производится обычно введением в ковш феррованадия, содержащего 6-25 % V, 0,5-15 % Si, 6-12 % А1. Феррованадий с 10-24 % V, 1-4 % Si, до 3 % А1 имеет температуру плавления в пределах 1500-1550 °С и плотность от 5,4 до 6,5 г/см. При этом установлено, что температура плавления феррованадия повышается, а плотность снижается при увеличении содержания ванадия в сплаве. Усвоение ванадия при микролегировании в ковше спокойной стали после введения алюминия и титана составляет 40-70 %.

Высокое содержание в металле азота (в среднем 0,010-0,012 %) обуславливает низкую (достигающую уровня 20-40 %) долю «эффективного» ванадия в стали. Этот факт объясняет наблюдаемую в ряде случаев нестабильность свойств ванадийсодержащих сталей отечественного производства. Для ванадийсодержащих сталей такой традиционный фактор, как общее содержание легирующих элементов, отступает на второй план, уступая место другому – форме присутствия элементов в стали, без учёта которой возможна нестабильность свойств.

Читайте также:
Гидравлический листогиб своими руками

Основы качества ванадийсодержащих сталей закладываются уже на стадии выплавки, что требует точного соблюдения рациональных режимов раскисления и микролегирования стали (в противном случае её свойства могут варьироваться от ожидаемого уровня свойств ванадийсодержащей стали до свойств безванадиевой стали).

Высокая химическая активность ванадия при температурах сталеплавильных процессов в сочетании с малым количеством вводимых легирующих материалов требует использования сложных методов раскисления перед вводом в расплав ванадия, обеспечивающих эффективность его влияния на свойства металла. Азот, всегда содержащийся в металле в отсутствии других нитридообразующих элементов связывается преимущественно в нитрид ванадия, что снижает положительное влияние на прокаливаемость стали микродобавок ванадия, для предотвращения образования нитрида ванадия используют добавки других элементов, способных образовывать карбонитриды – титан, цирконий и снижать концентрацию азота в кристаллизующемся металле.

Таким образом, важным резервом повышения уровня прокаливаемости микролегированных ванадием сталей является измельчение размера зерна аустенита, что на практике достигается микролегированием сильными карбонитридообразующими элементами: Al, Ti, Zr, Nb др. Их введение в сталь с добавками ванадия обеспечивает связывание азота и углерода в стабильные мелкодисперсные карбонитриды типа Me(CxNl-x), которые способствуют торможению миграции границ и, следовательно, сохранению мелкодисперсной зёрен той структуры до достаточно высоких температур. Кроме того, имея более высокое по сравнению с ванадием сродство к азоту и кислороду, такие элементы образуют нитриды и оксиды, обеспечивая тем самым защиту ванадия, что позволяет увеличить концентрацию «эффективного» ванадия и, как следствие, повысить прокаливаемость стали.

Для эффективной защиты ванадия (обеспечения его содержания в твёрдом растворе на уровне 0,001 %) и повышения коэффициента усвоения ванадия до 50 % в традиционно применяемых в автомобилестроении ванадийсодержащих сталях как минимум необходимо иметь содержание титана до 0,025-0,030 % и алюминия до 0,050-0,060 % или снизить количество азота до 0,005-0,008 %.

При этом введение ванадия до 0,1 % значительно повышает пластичность и ударную вязкость сталей в нормализованном состоянии и немного улучшает их прочностные характеристики, что позволяет сократить технологический процесс (отсутствует стадия закалки и отпуска), и как следствие снизить энергозатраты. Так например, при содержании в стали Т-1 0,05 % ванадия ударная вязкость повышается на 45 %, относительное удлинение на 15% [5, 9-11]. При содержании в стали 0,1 % ванадия эти характеристики повышаются в среднем на 20 %. Введение 0,15 % ванадия значительно повышает пределы прочности, практически не изменяя пластичности и ударной вязкости. После литья и нормализации ванадий в исследуемых количествах намного повышает в стали Т-1 условный предел текучести при содержании до 0,1%, немного увеличивает предел прочности. Так, при содержании его 0,07 % предел прочности повышается до 780 МПа (на 14 %), условный предел текучести до 627 МПа (на 35 %).

Результаты химического состава и механических испытаний стали Т-1, в условиях ТОО «KSP Steel» после нормализации, приведены в таблицах 2 и 3. Но для получения нормируемых прочностных характеристик, требуется дальнейшая термообработка стали – закалка с последующим отпуском (таблица 4).

Таблица 2 – Химический состав стали Т-1

Марка стали C Si Мп Р S Сг Ni Мо А1 Cu

Т-1 0,35 0,23 1,35 0,012 0,010 0,06 0,09 0,02 0,02 0,15

Таблица 3 – Физико-механические показатели стали Т-1 после нормализации

Наименование показателей Нормируемые показатели группы прочности Е по ГОСТ 633-80 Нормализация Т-1

Временное сопротивление разрыву о0, МПа (не менее) 689 687,4

Предел текучести ат МПа 552-758 465,0

Относительное удлинение 65, (%) 13 20,4

Данные результатов механических свойств горячекатанных труб соответствуют группе прочности Д (норма ов минимум 655 МПа, от 379-552 МПа, 55 14,3 %), согласно ГОСТ 633-80.

Таблица 4 – Физико-механические показатели стали Т-1 после термообработки

Наименование показателей Нормируемые показатели группы прочности Е по ГОСТ 633-80 Закалка + отпуск Т-1

Временное сопротивление разрыву а0, МПа (не менее) 689 780,3

Предел текучести а, МПа 552-758 661,7

Относительное удлинение 65, (%) 13 22,1

Как видно по таблице 3 трубы, проходя термическую обработку закалка и отпуск, меняют механические свойства. То есть становятся более прочными к разрыву. Наша цель с помощью легирования стали ванадием добиться результатов термообработанных труб, без термической обработки.

Читайте также:
Аммиачный холодильник своими руками

Как показали исследования микролегирование ванадием является одним из перспективных направлений повышения эксплуатационных и механических свойств, экономии дефицитных легирующих элементов, снижению энергозатарат.

Наиболее оптимальным содержанием ванадия, с точки зрения повышения пластичности и ударной вязкости без изменения прочностных свойств стали в следует считать от 0,05 % до 0,1 %. Введение в сталь 0,15 % ванадия, хотя и вызывает увеличение прочности, резко понижает пластичность и ударную вязкость.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Насибов, А. Г. Влияние ванадия, ниобия, углерода и кремния на свойства малоперлитной стали / А. Г. Насибов, Ю. И. Матросов, А. В. Рудченко. – МиТОМ, 1973. – С. 19-24.

2 Михалев, М. С. Влияние легирующих элементов и расчет прочности низколегированных сталей / М. С. Михалев, М. И. Гольдштейн. – М. : Сталь, 1958. – С. 942-946.

3 Михалев, М. С. Влияние добавок ванадия на свойства стали. – М. : Литейное производство, 1971. – С. 20-21.

4 Гуляев, Н. М. Механические свойства железа и стали, содержащих дисперсные нитриды ванадия и ниобия / Н. М. Гуляев, В. Н. Фонштейн, Э. А. Медведев. – М. : Металловедение и терм. обраб. металлов, 1976. – С. 51-55.

5 Камаль Мохамед Сами Халиль, Влияние микролегирования ванадием и ниобием на свойства малоуглеродистой стали / Камаль Мохамед Сами Халиль, М. М. Фетисова, Э. И. Плешаков. – Львов : Вища школа. Изд-во при Львов. ун-те, 1984. С. 93-94.

6 Камаль Мохамед Сами Халиль, Влияние микродобавок ванадия и ниобия на хладноломкость стали 20 / Камаль Мохамед Сами Халиль, Э. И. Плешаков. -Львов: Вища школа. Изд-во при Львов. ун-те, 1985. – С. 60-61.

7 Фридман, Я. Б. Строение и анализ изломов металлов / Я. Б. Фридман, Т. А. Гордеева. – М. : Машгиз, 1960. – 128 с.

8 Поляк, M. С. Новые малолегированные стали с ванадием или ниобием / M. С. Поляк, С. Т. Зверев, Г. В. Петров. – Металловедение и терм. обраб. металлов, 1966. № 12, – С. 65-66.

9 Богомолов, А. В., Быков, П. О., Кулумбаев, Н. К., Батталов, Ж. Т. Определение технологических свойств низколегированных сталей //Наука и техника Казахстана. – 2012. – № 1-2. – С. 41-45.

10 Erasmus, L. A. Effect of vanadium on the transition temperature of low carbon steels. – J. of Iron and Steel Inst., 1964. V. 202, №. 8, – P. 541-546.

11 Irvine, K. J. Columbium, titanium and vanadium in high strength, low-alloy steels / K. J. Irvine, P. B. Pikering. – J. of Iron and Steel Inst., 1963. V. 200, № 7, – P. 570-575.

Материал поступил в редакцию 03.09.20.

Бекенов Данияр Касымович

магистрант, «Химия жэне химиялык технологиялар» кафедрасы,

Павлодар к., 140008, Казахстан Республикасы,

Масакбаева Софья Руслановна

х^.к., Fылыми жетекш^ профессор,

«Химия жэне химиялык технологиялар» кафедрасы,

Павлодар к., 140008, Казакстан Республикасы,

Материал баспаFа 03.09.20 тYстi.

Болат касиеттерше енпзшетш ванадийдщ acepi

Бул мацалада авторлар цубыр ernMi ушт болаттыц белгш физикалъщ-химиялъщ цасиеттерше цол жетюзу ушт легiрлеушi элемент ретшде ванадийдщ эсер етут зерттейдi. Ванадиймен микролегирлеу цолдану жэне механикалыц цасиеттердi жогарылатудыц, тапшы легiрлеушi элементтердi унемдеудщ, энергия шыгынын твмендетудщ перспективтi багыттарыныц бiрi болып табылады.

Бул зерттеудщ мацсаты ванадий болатты легирлеудщ квмегiмен термиялыц вцдеус1з термовцделген цубырлардыц нэтижелерше цол жетюзу болып табылады.

Кiлттi свздер: микролегирлеу, ванадий, болат, химиялыц цурамы, механикалыц цасиеттерi, цалыпца келтiру.

Bekenov Daniyar Kasymovich

Department of the Chemistry

Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan,

Massakbayeva Sofya Ruslanovna

scientific supervisor Candidate of Chemical Sciences, Professor,

Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan,

Material received on 03.09.20.

The influence of administered vanadium on the properties of steel

In this article, the authors study the influence that vanadium can have as an alloying element, to achieve certain physical and chemical properties of steel for pipe products. Micro-alloying with vanadium is one of the promising directions for improving operational and mechanical properties, saving scarce alloying elements, and reducing energy consumption.

The purpose of this study is to use vanadium alloying to achieve the results of heat-treated pipes, without heat treatment.

Keywords: micro-alloying, vanadium, steel, chemical composition, mechanical properties, normalization.

Влияние легирующих элементов на свойства стали

Под влиянием легирования молибденом, даже при сравнительно незначительных его количествах (примерно 0,5%), существенно возрастает кратковременная и длительная прочность конструкционной стали при повышенных температурах нагрева. Эта особенность действия молибдена проявляется не только в термически улучшенном, но и других состояниях стали. На рис. 202 показана зависимость между напряжением и температурой, при которых время загрузки в 100 тыс. часов вызывает суммарную относительную деформацию, равную 0,001 см/см, У молибденовой стали (1) и у нелегированной стали (2) с 0,4% С. Положительное действие молибдена в отношении сохранения предела текучести на высоком уровне при повышенных температурах видно из рис. 203.

Читайте также:
Аттестация специалистов сварочного производства 2 уровень

Влияние молибдена на кратковременную прочность при различных температурах иллюстрирует также рис. 204.

Заштрихованные области в соответствии с принятым обозначением

показывают возможные колебания свойств в углеродистой стали, содержащей от 0,13 до 0,43% С, а также в молибденовой стали с 0,19% С, 0,5% Мо и хромомолибденовой с 0,17% С, 0,8% Сг и 0,50% Мо. Из рис. 204 видно, что молибденовые, и особенно хромомолибденовые, стали при повышенных температурах (300—600°) имеют значительное преимущество по сравнению с нелегированной сталью. Это определяет целесообразность использования молибдена в качестве элемента для легирования сталей, работающих при повышенных температурах. Указанное влияние молибдена объясняется смещением в сторону более высоких температур района возврата и рекристаллизации стали при нагревании.

Вольфрам также повышает температуру рекристаллизации стали, однако влияние его на механические свойства при высоких температурах выражено слабее.

Ванадий. Влияние ванадия на механические свойства термически улучшенной стали можно проследить по рис. 205, на котором дано изменение механических свойств нелегированной стали в сопоставлении со свойствами стали с 0,21 и 0,37 V после отпуска при различных температурах. Присутствие ванадия в количестве порядка 0,2% и более вызывает значительное повышение устойчивости стали против отпуска. При температурах отпуска выше 400° резко замедляется падение предела прочности и твердости, а при отпуске около 550° обнаруживается эффект вторичной твердости. По эффективности действия на устойчивость стали против отпуска ванадий превосходит все другие элементы, в том числе и молибден.

Повышение прочности при введении в сталь ванадия одновременно сопровождается уменьшением пластичности (рис. 205) и вязкости. Следует, однако, за метить, что высокая устойчивость ванадиевых сталей против отпуска наблюдается только в тех случаях, когда предшествующая отпуску закалка производится с высоких температур нагрева (950° и выше), при которых достигается достаточно полное растворение ванадия в аустените.

Ванадиевые стали обнаруживают также повышенную кратковременную и длительную прочность в нагретом состоянии. Однако

этот эффект, обусловленный в основном процессами карбидообразования, наблюдается только в термически улучшенном состоянии и при условии, если рабочая температура стали не превосходит 600—650°.

Хромоникельмолибденовый комплекс. Выдающиеся свойства хромоникельмолибденовых сталей в термически улучшенном состоянии достаточно хорошо известны и вряд ли нуждаются в обстоятельных подтверждениях. На рис. 206 показаны механические свойства стали с 0,24% С; 1,25% Сг; 3,95% Ni и 0,41% Мо после закалки и последующего высокого отпуска при различных температурах. Обращает внимание хорошее сочетание показателей прочности, пластичности и вязкости. В табл. 75 по данным автора приведены механические свойства термически улучшенной хромоникельмолибденовой стали в сопоставлении со свойствами хромистой, никелевой и молибденовой сталей, имеющих примерно такое же содержание углерода и выплавленных в одинаковых условиях с хромоникельмолибденовой сталью. Нетрудно заметить (табл. 75), что после отпуска при одинаковых температурах хромоникельмолибденовые стали характеризуются значительно более высокими показателями прочности, чем хромистые, никелевые и молибденовые. Однако первые стали уступают вторым в отношении вязкости и пластичности. Последнее несколько затрудняет оценку свойств и, на первый взгляд, порождает некоторое недоумение, почему все же

хромоникельмолибденовые стали обнаруживают несомненные преимущества в жестких условиях работы (особенно при ударном нагружении) по сравнению с хромистыми, молибденовыми или хромомолибденовыми сталями при вполне удовлетворительной прокаливаемости тех и других в заданных сечениях. Это кажущееся противоречие легко разрешается, если подвергнуть хромоникельмолибденовые и другие стали, обработанные на одинаковую твердость, сравнительным испытаниям в более жестких условиях, например при отрицательных температурах на удар. В табл. 76 показано по данным автора изменение ударной вяз

кости различно легированной стали с одинаковым содержанием углерода (0,24—0,28%) в зависимости от температуры испытания после термического улучшения на твердость 235—217 Нв.

Из приведенных данных видно, что хромоникельмолибденовые стали обладают более высоким температурным запасом вязкости, чем другие стали, а следовательно, меньшей склонностью к хрупкому разрушению.

Читайте также:
Где добывают алюминий в России

Таблица свидетельствует также о том, что чем выше содержание в стали никеля, тем большим температурным запасом вязкости она обладает. В табл. 77 приведены свойства никелевой и хромоникельмолибденовой стали с одинаковым содержанием никеля в улучшенном состоянии при твердости 235—217 Нв.

Автор: Администрация

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Легирующие элементы и примеси в сталях: краткий справочник

Характеристики углеродистых сталей далеко не всегда соответствуют требованиям, которые предъявляют к материалам различные отрасли промышленности. Чтобы откорректировать их свойства, используют легирование.

Чем отличаются легирующие элементы от примесей

В углеродистых сталях, помимо основных элементов – железа и углерода, есть и другие: марганец, сера, фосфор, кремний, водород и прочие. Их считают примесями и делят на несколько групп:

  • К постоянным относят серу, фосфор, марганец и кремний. Они всегда содержатся в стали в небольших количествах, попадая в нее из чугуна или используясь в качестве раскислителей.
  • К скрытым относят водород, кислород и азот. Они тоже присутствуют в любой стали, попадая в нее при выплавке.
  • К случайным относят медь, мышьяк, свинец, цинк, олово и прочие элементы. Они попадают в сталь из шихтовых материалов и считаются особенностью руды.

Для каждой из перечисленных примесей характерно определенное процентное содержание. Так, марганца в стали, как правило, не более 0,8 %, кремния – не более 0,4 %, фосфора – не более 0,025 %, серы – не более 0,05 %. Если обычного содержания некоторых элементов недостаточно, для получения сталей с нужными свойствами в них дополнительно вносят в определенных количествах специальные примеси, которые называют легирующими добавками.

Химический состав стали, формируемый в процессе выплавки, напрямую влияет на ее механические свойства

Как примеси влияют на свойства сталей

Примеси оказывают разное влияние на характеристики сталей:

  • Углерод (С) повышает твердость, прочность и упругость сталей, но снижает их пластичность.
  • Кремний (Si) при содержании в стали до 0,4 % и марганец при содержании до 0,8 % не оказывают заметного влияния на свойства.
  • Фосфор (P) увеличивает прочность и коррозионную стойкость сталей, но снижает их пластичность и вязкость.
  • Сера (S) повышает хрупкость сталей при высоких температурах, снижает их прочность, пластичность, свариваемость и коррозионную стойкость.
  • Азот (N2) и кислород (O2) уменьшают вязкость и пластичность сталей.
  • Водород (H2) повышает хрупкость сталей.

Как легирующие элементы влияют на свойства сталей

Легирующие добавки вводят в стали для изменения их характеристик:

  • Хром (Cr) повышает твердость, прочность, ударную вязкость, коррозионную стойкость, электросопротивление сталей, одновременно уменьшая их коэффициент линейного расширения и пластичность.
  • Никель (Ni) увеличивает пластичность, вязкость, коррозионную стойкость и ударную прочность сталей.
  • Вольфрам (W) повышает твердость и прокаливаемость сталей.
  • Молибден (Mo) увеличивает упругость, коррозионную стойкость, сопротивляемость сталей растягивающим нагрузкам и улучшает их прокаливаемость.
  • Ванадий (V) повышает прочность, твердость и плотность сталей.
  • Кремний (Si) увеличивает прочность, упругость, электросопротивление, жаростойкость и твердость сталей.
  • Марганец (Mn) повышает твердость, износоустойчивость, ударную прочность и прокаливаемость сталей.
  • Кобальт (Co) увеличивает ударную прочность, жаропрочность и улучшает магнитные свойства сталей.
  • Алюминий (Al) повышает жаростойкость и стойкость сталей к образованию окалины.
  • Титан (Ti) увеличивает прочность, коррозионную стойкость и улучшает обрабатываемость сталей.
  • Ниобий (Nb) повышает коррозионную стойкость и устойчивость сталей к воздействию кислот.
  • Медь (Cu) увеличивает коррозионную стойкость и пластичность сталей.
  • Церий (Ce) повышает пластичность и прочность сталей.
  • Неодим (Nd), цезий (Cs) и лантан (La) снижают пористость сталей и улучшают качество поверхности.

Виды легированных сталей

В зависимости от содержания легирующих элементов, стали делят на три вида:

  1. Если легирующих элементов менее 2,5 %, стали относят к низколегированным.
  2. При их содержании от 2,5 до 10 % стали считаются среднелегированными.
  3. Если легирующих элементов более 10 %, стали относят к высоколегированным.

Заключение

Примеси неизбежно присутствуют в сталях, но ряд из них являются вредными (к ним относятся скрытые примеси), поэтому их содержание стараются минимизировать. Легирующие элементы добавляют в стали целенаправленно для улучшения их свойств или получения специфических характеристик.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
gmnu-nazarovo.ru
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: