Постоянные примеси в углеродистой стали

Примесные элементы содержатся в стали всегда. Одни из них (фосфор, сера, кислород, азот и водород) попадают в сталь из пихтовых материалов, топлива, огнеупоров, газов и присутствуют там в малом количестве, поскольку избавиться от них окончательно не удается. Другие (марганец, кремний) вводятся преднамеренно в процессе варки стали, как раскислители.

Фосфор попадает из руд. Он, растворяясь в железе в количестве до 0, 1%, резко ухудшает пластичность стали, вызывая хладноломкость, поскольку образует с железом очень хрупкий фосфид – Fe₃P. Даже при содержании всего 0, 05% в виду склонности ликвировать, образует участки высокой концентрации P, которые опасно охрупчивают сталь. При варке стали, фосфор стремятся возможно полнее отшлаковать известью, что осуществимо лишь при основной футеровке сталеплавильных печей.

Сера переходит в металл из минеральной составляющей топлива. Она почти не растворима в железе и образует с ним хрупкое химическое соединение – сульфид железа. Его частицы придают стали хладноломкость. Сульфид железа с железом способны образовать хрупкую и легкоплавкую сульфидную эвтектику (FeS+Fe) с точкой плавления 988 °C. В присутствии кислорода эвтектика становится еще более легкоплавкой. При температурах горячей обработки давлением эта эвтектика, располагающаяся по границам зерен, плавится, нарушая сплошность металла, вызывая появление трещин, что называют красноломкостью.

Серу отшлаковывают с помощью марганца. Его вводят в сталь перед разливкой в количестве, в пять раз большем предполагаемого содержания серы. По реакции замещения (FeS + Mn = Fe + MnS) марганец восстанавливает железо и образует сульфид марганца с точкой плавления 1610 °С. Его частички, обладая малым удельным весом, легко переходят в шлак. Избыток марганца при этом остается в стали в качестве постоянной примеси.

Кислород, азот и водород могут содержаться в стали в сравнительно малом количестве. Находясь в твердой стали все они могут быть растворенными в феррите, присутствовать в виде частиц окислов, нитридов и гидридов или в свободном состоянии, заполняя микронесплошности. Все это сильно охрупчивает сталь.

От кислорода избавляются раскислением стали перед разливкой ее в изложницу кремнием, который образует при этом легко переходящую в шлак окись кремния – SiO₂. А избыток кремния остается в стали, как постоянная примесь.

Содержание серы и фосфора, как вредных примесей, ухудшающих качество стали, ГОСТ оговаривает:

а) в стали обыкновенного качества S £ 0, 05%, P £ 0, 05%;

б) в качественной стали S £ 0, 04%, P £ 0, 04%;

в) в высококачественной стали S £ 0, 03%, P £ 0, 025%.