Wpływ dodatków stopowych na właściwości stali

Za domieszki zwykłe stali uważa się mangan, krzem, fosfor, siarkę oraz wodór. azot i tlen, ponieważ te pierwiastki występują zawsze w mniejszej lub większej ilości w przemysłowych gatunkach stali. Zawartość tych pierwiastków w stalach węglowych nie przekracza zwykle następujących granic: Mn do 0,8% (w niektórych gatunkach stali granica ta jest rozszerzona do 1,5%), Si do 0,5%, P do 0,05% (z wyjątkiem stali automatowych), S do 0,05% (z wyjątkiem stali automatowych).

Mangan- wprowadza się do wszystkich stali w procesie stalowniczym w celu ich odtlenienia, tj. usunięcia szkodliwego tlenku żelazawego. Dodatek manganu nie dopuszcza również do tworzenia się szkodliwego związku siarki z żelazem. Mangan rozpuszcza się zarówno w ferrycie, jak i w cementycie i wpływa wyraźnie na własności stali, zwiększając wytrzymałość stalowych wyrobów walcowanych na gorąco i zmieniając niektóre inne własności. Ponieważ jednak wszystkie stale węglowe mają zazwyczaj mniej więcej taką samą zawartość manganu, to jego wpływ na własności różnych gatunków tych stali jest jednakowy.

Krzem- również jest dodawany do stali podczas jej wytapiania w celu odtlenienia. Wpływ krzemu, który rozpuszcza się w ferrycie, jest podobny do wpływu manganu.

Fosfor- dostaje się do stali z rud żelaza, które zawierają różne jego ilości. Podczas wytapiania stali fosfor zostaje z niej usunięty w mniejszym lub większym stopniu, zależnie od rodzaju procesu stalowniczego. Fosfor rozpuszczony w ferrycie (graniczna rozpuszczalność w temperaturze pokojowej wynosi ok. 1,2%) zmniejsza bardzo znacznie jego plastyczność i podwyższa temperaturę, w której stal staje się krucha, wywołując tzw. kruchość na zimno. Ten wpływ fosforu jest bardzo wyraźny wówczas, gdy jego zawartość w stali jest większa niż 0,1%. Jednak w stalach przeznaczonych na odpowiedzialne wyroby zawartość nawet 0,05% P jest niebezpieczna i należy jej unikać, ponieważ w czasie krystalizacji stali zachodzi silna segregacja fosforu, wskutek czego w pewnych miejscach zawartość fosforu będzie dość znaczna i będzie powodować kruchość.

W zależności od przeznaczenia stali ustala się ostrzejsze wymagania dotyczące zawartości fosforu (np. max 0,025%).

Należy zaznaczyć, że w niektórych wyjątkowych przypadkach zawartość fosforu w stali może być pożyteczna. Na przykład w stalach automatowych dodatek ok. 0,1% P polepsza skrawalność, zaś do ok. 0,35% - zwiększa odporność na ścieranie. Przy jednoczesnej zawartości miedzi fosfor zwiększa odporność stali na korozję atmosferyczną.

Siarka- podobnie jak fosfor dostaje się do stali z rud żelaza, a ponadto z gazów piecowych, tzn. z produktów spalania paliwa zawierających dwutlenek siarki (SO2). Siarkę można w znacznej mierze usunąć ze stali, jeżeli stosuje się podczas wytapiana zasadowy proces martenowski lub zasadowy proces elektryczny. W stalach wysokojakościowych zawartość siarki ogranicza się zazwyczaj do 0,02-0,03%.

W stali zwykłej jakości dopuszcza się większą zawartość siarki (do 0,05%).

Siarka nie rozpuszcza się w żelazie, lecz tworzy siarczek żelazawy FeS, który jest składnikiem eutektyki Fe + FeS o temperaturze topnienia 985°C. Występowanie w stalach tej łatwo topliwej i kruchej eutektyki, rozmieszczonej przeważnie a granicach ziarn, powoduje kruchość stali nagrzanych do temperatury 800°C powyżej. Zjawisko to nosi nazwę kruchości na gorąco. Wskutek tej wady stal zawierająca większy procent siarki nie nadaje się do przeróbki plastycznej na gorąco. W stali pojawiają się naderwania i pęknięcia, m.in. dlatego że podczas nagrzewania. poczynając od temperatury 985°C, zachodzi nadtapianie otoczek z siarczku żelazawego wokół ziarn. Z tego powodu należy uważać siarkę za szkodliwą domieszkę stali.

Manga- dodany do stali zmniejsza szkodliwe działanie siarki, gdyż wówczas w ciekłej stali następuje reakcja, w wyniku której tworzy się siarczek manganawy MnS. Siarczek ten topi się w 1620°C, a więc w temperaturze o wiele wyższej niż temperatura przeróbki plastycznej na gorąco (800-1200°C). Siarczki w temperaturze przeróbki plastycznej na gorąco są plastyczne i ulegają odkształceniu, tworząc wydłużone wtrącenia. Pogarszają one wytrzymałość na zmęczenie i obciążenia dynamiczne stali. Siarka pogarsza również spawalność stali.

Natomiast siarka, podobnie jak fosfor, polepsza skrawalność stali i w ilości 0,15-0,30% jest wprowadzana celowo do stali automatowych.

Wodór, azot i tlen występują w stali w niedużych ilościach, a ich zawartość zależy w dużym stopniu od sposobu wytapiania.

W stali będącej w stanie stałym, gazy mogą występować w kilku postaciach:

w stanie wolnym, skupiając się w różnych nieciągłościach wewnątrz metalu najczęściej tworząc tzw. pęcherze);
mogą być rozpuszczone w żelazie;
mogą tworzyć związki (azotki, tlenki) występujące w stali jako tzw. wtrącenia niemetaliczne.
Wpływ wodoru na własności stali jest zdecydowanie ujemny. Rozpuszcza się on stosunkowo łatwo w żelazie i to w całym zakresie temperatury, szczególnie zaś przy przejściu fazy a w g oraz w stanie ciekłym. Zmniejsza on w znacznym stopniu własności plastyczne i technologiczne stali oraz powoduje występowanie wielu wad materiałowych, jak np. tzw. płatków śnieżnych (tj. wewnętrznych pęknięć o jasnej powierzchni), odwęglania, skłonności do tworzenia pęcherzy przy trawieniu itp.

Azot powoduje zwiększenie wytrzymałości i zmniejszenie plastyczności stali, co objawiać się może jako tzw. kruchość na niebiesko. Niekorzystne działanie azotu przejawia się także zwiększeniem skłonności stali do starzenia, powodowanym wydzielaniem się azotków z przesyconego roztworu. Zjawisko to jest szczególnie niekorzystne w stalach w stanie zgniecionym, gdyż wówczas występuje już w temperaturze otoczenia.

W niektórych stalach stopowych azot jest stosowany jako korzystny dodatek stopowy stabilizujący austenit, zastępując drogi nikiel.

Tlen występuje w stali głównie w postaci związanej, najczęściej tlenków FeO, SiO2, Al2O3 i in. Tlen powoduje pogorszenie prawie wszystkich własności mechanicznych i dlatego dąży się przez odpowiednie prowadzenie procesu metalurgicznego do obniżenia jego zawartości w stali. Odtlenianie stali przeprowadza się za pomocą stopów krzemu, manganu i aluminium. Sposób odtleniania wywiera także duży wpływ na wielkość ziarna stali węglowej. Stale odtleniane żelazomanganem wykazują skłonności do intensywnego rozrostu ziarn przy nagrzaniu już nieco powyżej temperatury A. W przeciwieństwie do tego stale odtlenione aluminium, a także żelazokrzemem. wykazują wyraźny wzrost ziarn dopiero w temperaturze 150-200°C powyżej Ac3, co praktycznie wystarczy, aby przeciwdziałać zjawisku przegrzania stali.

Bardzo skutecznym sposobem zmniejszania ilości wodoru, azotu i tlenu oraz wtrąceń niemetalicznych w stali jest wytapianie lub odlewanie jej w próżni. Można w ten sposób otrzymać stal o lepszych własnościach dzięki większej czystości i prawie zupełnemu brakowi rozpuszczonych w metalu gazów