Чистота стали является важным фактором ее качества. Поэтому потребность в более чистых сталях растет с каждым годом. Так называемые чистые стали – это обычно стали, в которых содержание примесей, таких как, фосфор, сера, кислород, азот, водород – иногда и углерод, а также неметаллических включения очень низкое.
Чистота стали — теория и практика
Повышение чистоты стали становится поэтому все более и более важной целью для ученых-металлургов, а также важной задачей для производителей чугуна и стали. Потребность в сталях с повышенными механическими свойствами вынуждает производителей стали повышать чистоту их конечной продукции. Чтобы достичь удовлетворительной чистоты стали необходимо контролировать и совершенствовать весь комплекс технологических операций в ходе всего процесса производства стали, такие как раскисление, легирование, вторичные металлургические обработки, разливка.
Что такое «чистая сталь»
Поскольку термин «чистая сталь» весьма расплывчатый, некоторые авторы вводят более точные формулировки такой стали:
- «высокочистая сталь» – сталь с низким уровнем растворимых примесей;
- «сталь с низким содержанием примесей» — примесей, которые возникают при переплавке стального лома;
- «чистая сталь» — сталь с низким уровнем дефектов, которые связаны с присутствием оксидов.
Польза от чистоты стали
Хорошо известно, что индивидуальное и совместное воздействие углерода, фосфора, серы, азота, водорода и общего содержания кислорода в стали могут оказывать заметное влияние на свойства стали, такие как:
- прочность при растяжении;
- способность к формовке – значительному пластическому деформированию без образования трещин;
- вязкость;
- свариваемость;
- сопротивление растрескиванию;
- сопротивление коррозии;
- усталостная прочность и так далее.
Кроме того, чистая сталь требует контроля за неметаллическими оксидными включениями – их размеров, распределения, морфологии и химического состава.
Контроль примесных элементов, которые были выше перечислены, может быть различным для различных типов и марок стали. Дело в том, что влияние обычных примесей в стали на их механические свойства в одних случаях может весьма значительным и вредным, а в других – незначительным и даже полезным.
Влияние серы и кислорода
Кислород и сера образуют оксидные и сульфидные включения.
Эти включения неблагоприятно влияют на:
- пластические свойства (удлинение, сужение и способность к гибке);
- способность к холодной ковке и волочению;
- уровень низкотемпературной вязкости;
- усталостную прочность.
Влияние углерода и азота
Углерод и азот:
- повышают закаливаемость стали, но снижают ее пластические и вязкие свойства;
- способствуют формированию перлита и цементита со снижением пластичности и вязкости;
- способствуют охрупчиванию стали через выделение карбидов и нитридов по границам зерен.
Влияние фосфора
Фосфор образует с железом твердый раствор:
- повышает закаливаемость;
- способствует отпускной хрупкости;
- повышает склонность к охрупчиванию.
Примеси и включения в различных сталях
Как уже упоминалось, чистота стали зависит от количества, морфологии и размерного распределения неметаллических включений. Включения генерируют большинство дефектов в сталях. Поэтому для многих изделий ограничивают максимальный размер включений, однако общее количество включения и их распределение по размерам тоже является важными факторами чистоты стали.
Например, максимальное содержание углерода в автомобильных листовых сталях и сталях глубокой высадки не должно превышать 30 ppm и азота – 50 ppm, размер неметаллических включений не должен превышать 100 мкм.
В листовых сталях для штамповки консервных банок содержание углерода не должно быть более 30 ppm, азота – 40 ppm, а общее содержание кислорода – 20 ppm.
В легированных сталях для изготовления сосудов высокого давления содержание фосфора не превышает 70 ppm.
Трубные стали имеют ограничение по сере – 30 ppm, азоту – 50 ppm, кислороду – 30 ppm, а также по максимальному размеру неметаллических включений — 100 мкм.
В свариваемых стальных плитах содержание водорода не должно превышать 1,5 ppm.
Подшипниковая сталь содержит кислорода не более 10 ppm, а неметаллические включения — не больше 10 мкм.
Кордовая сталь для автомобильных покрышек может содержать не более: 2 ppm водорода, 40 ppm азота, 15 ppm кислорода, а также неметаллические включения не более 10 мкм.
Стали для производства толстых листов: водорода – не более 2 ppm, азота – не более 30-40 ppm, общего кислорода – не более 20 ppm, а также одиночные неметаллические включения – не более 13 мкм, кластеры включений – не более 200 мкм.
Стальная проволока: азота – не более 60 ppm, общее содержание кислорода – не более 30 ppm, неметаллические включения – не более 20 мкм.
Технологический контроль чистоты стали
Чистота стали контролируется в ходе всех технологических операций производства стали. Этот контроль включает:
- время и место для раскисления стали;
- время и место для легирования стали;
- длительность и последовательность печных и внепечных обработок стали;
- перемешивание стали;
- передача жидкой стали от агрегата к агрегату;
- конструкция сталелитейных ковшей и методы работы с ними;
- особенности различных металлургических флюсов и их применение;
- способы разливки стали.
