Скрытые герои: как элементы формируют свойства стали

Различные марки стали производятся путем точного контроля добавления различных элементов в процессе производства стали для повышения эксплуатационных характеристик стали и удовлетворения потребностей различных промышленных применений. В этой статье будет подробно рассмотрено, как эти элементы влияют на свойства стали, и проанализировано их применение в реальном производстве.

Элементы сталеплавильного производства

Водород (H): Водород чрезвычайно вреден для стали, поскольку он может вызвать водородное охрупчивание и дефекты белых пятен. В твердой стали водород имеет очень низкую растворимость и растворяется в расплавленной стали при высоких температурах. При охлаждении он вовремя не выходит наружу, что приводит к образованию микропор под высоким давлением в материале, что значительно снижает пластичность, ударную вязкость и усталостную прочность стали. В тяжелых случаях это может даже привести к трещинам и хрупким трещинам. Водородное охрупчивание в основном наблюдается в мартенситных сталях и в меньшей степени в ферритных сталях. Обычно оно возрастает по мере увеличения твердости и содержания углерода. Несмотря на это, водород может улучшить магнитную проницаемость стали, но он также увеличивает коэрцитивную силу и потери в сердечнике.

Бор (B): Основная роль бора заключается в повышении прокаливаемости стали, тем самым экономя использование более дорогих металлов, таких как никель, хром и молибден. Содержание бора обычно регулируется в диапазоне от 0,001% до 0,005%, заменяя определенную долю никеля, хрома или молибдена. Однако бор не может полностью заменить молибден, поскольку молибден может предотвращать или уменьшать температурную хрупкость, в то время как бор может немного способствовать этой хрупкости. Добавление бора к среднеуглеродистой стали может значительно улучшить характеристики закалки толстых стальных листов, позволяя сталям 40B и 40MnB заменить сталь 40Cr, а сталь 20Mn2TiB заменить науглероженную сталь 20CrMnTi. Однако действие бора ослабевает с увеличением содержания углерода в стали.

Углерод (C): Углерод является основным компонентом наряду с железом и напрямую влияет на прочность, пластичность, ударную вязкость и свариваемость стали. По мере увеличения содержания углерода прочность и твердость стали увеличиваются, а пластичность и ударная вязкость уменьшаются. Высокое содержание углерода также может снизить свариваемость и стойкость стали к атмосферной коррозии.

Азот (N): Влияние азота на свойства стали аналогично влиянию углерода и фосфора: он повышает прочность, но снижает пластичность и ударную вязкость, ухудшает свариваемость и увеличивает хрупкость в холодном состоянии.

Кислород (O): Кислород — это вредный элемент, который естественным образом попадает в сталь в процессе производства стали и в основном присутствует в виде включений, которые снижают прочность и пластичность стали и серьезно влияют на усталостную прочность и ударную вязкость.

Магний (мг): Магний может улучшить распределение и морфологию включений в стали, а следовые количества магния могут улучшить характеристики подшипниковой стали, повышая прочность на растяжение и предел текучести.

Алюминий (Al): В качестве раскислителя или легирующего элемента алюминий может очищать зерна и фиксировать азот, улучшая ударную вязкость, уменьшая хрупкость при холоде и тенденцию к старению.

Кремний (Si): Кремний, как восстановитель и раскислитель, может повысить твердость и прочность стали, но более чем на 3% снижает пластичность и ударную вязкость. Кремний также может увеличить предел упругости и усталостную прочность стали.

Фосфор (P): Фосфор является вредным элементом, который может повысить прочность и твердость, но значительно снизить пластичность и ударную вязкость, вызывая хрупкость при холоде.

Сера (S): Сера в форме сульфида железа вызывает горячее сжатие, снижает пластичность и ударную вязкость, влияет на свариваемость и коррозионную стойкость.

Калий/натрий (K/Na): Калий/натрий в виде аможет улучшить характеристики белого чугуна и ковкого чугуна.

Кальций (Ca): Кальций может очищать зерно, улучшать коррозионную стойкость, износостойкость, высокотемпературные и низкотемпературные характеристики стали, а также повышать ударную вязкость и усталостную прочность.

Титан (Ti): Титан, прочный карбидообразующий элемент, может связывать азот и углерод, улучшать прочность и термостойкость стали и предотвращать межкристаллитную коррозию.

Ванадий (V): Ванадий может улучшить структуру и зернистость стали, повысить прокаливаемость и температурную стабильность, а также оказать вторичный эффект упрочнения.

Хром (Cr): Хром может повысить прокаливаемость, твердость и износостойкость стали и является основным легирующим элементом для нержавеющей и жаропрочной стали.

Марганец (Mn): Марганец может повысить прочность и прокаливаемость стали, улучшить характеристики горячей обработки и устранить неблагоприятное воздействие серы.

Кобальт (Co): Кобальт используется в специальных сталях и сплавах для улучшения высокотемпературной твердости и комплексных механических свойств.

Никель (Ni): Никель повышает прочность, ударную вязкость и прокаливаемость стали, снижает температуру хрупкости и повышает устойчивость к тепловой усталости и коррозии.

Медь (Cu): Медь улучшает стойкость к атмосферной коррозии обычной низколегированной стали, повышая прочность и коэффициент текучести.

Галлий (Ga): Галлий в основном влияет на механические свойства стали за счет упрочнения в твердом растворе и оказывает незначительное влияние на коррозионную стойкость.

Мышьяк (As): Мышьяк увеличивает предел текучести и прочность на растяжение, но увеличивает хрупкость и влияет на свариваемость.

Селен (Se): Селен улучшает характеристики процесса резки углеродистой стали, нержавеющей стали и меди.

Цирконий (Zr): Цирконий обладает раскислительным, очищающим и рафинирующим действием, улучшая низкотемпературные характеристики и характеристики штамповки.

Ниобий (Nb): Ниобий повышает прокаливаемость, температурную стабильность и водостойкость стали, очищает зерна и повышает прочность.

Молибден (Mo): Молибден повышает прокаливаемость, термопрочность и коррозионную стойкость стали, предотвращая температурную хрупкость.

Олово (Sn): Олово играет важную роль в производстве электротехнической стали, чугуна и свободно режущей стали, улучшая магнетизм и производительность резания.

Сурьма (Sb): Сурьма очищает зерна кремнистой стали с высокой магнитной индукцией и улучшает магнетизм.

Вольфрам (Вт): Вольфрам повышает температурную стабильность, красную твердость, термопрочность и износостойкость.

Свинец (Pb): Свинец улучшает производительность процесса резки, но его постепенно заменяют из-за проблем с загрязнением окружающей среды.

Висмут (Bi): Висмут улучшает режущие характеристики свободно режущей стали и улучшает сейсмические и растяжимые свойства.

Редкоземельные элементы (Re): Редкоземельные элементы могут раскислять, обессеривать и микролегировать, улучшая деформационную способность включений и усталостные характеристики большинства марок стали.

Заключение:

Таким образом, добавление элементов оказывает глубокое влияние на характеристики стальных материалов. Каждый элемент вносит свой уникальный вклад: от повышения прочности и твердости до повышения ударной вязкости и коррозионной стойкости. Однако применение этих элементов также требует тонкого баланса, поскольку чрезмерное или неправильное использование может привести к неблагоприятным последствиям. Производители стали должны оптимизировать эксплуатационные характеристики стали в соответствии с конкретными требованиями применения, используя научную рецептуру и строгие производственные процессы.

Стандарты и правила производства стали в разных странах означают, что элементный состав аналогичных марок, включая износостойкие пластины, высокопрочная сталь, и силиконовая сталь, также могут незначительно отличаться, что приводит к незначительным различиям в фактическом использовании. Для получения подробной информации об элементном составе и его влиянии на эксплуатационные характеристики и практическое использование конкретных марок, особенно горячекатаного проката, свяжитесь с нами, и мы предоставим консультационные услуги «один на один» с экспертами по стали.

‍