Чугун и сталь состоят не только из железа и углерода. В их составе присутствуют и другие химические элементы, часть которых попадает в металл вместе с рудой, топливом и флюсами, а часть вводится специально для получения нужных характеристик. Поэтому примеси в стали и чугуне могут как улучшать свойства материала, так и ухудшать их.
На практике важно учитывать не сам факт присутствия элемента, а его содержание и сочетание с другими компонентами. Один и тот же элемент в допустимой концентрации может быть полезен, а при избытке – негативно влиять на прочность, пластичность, свариваемость или стойкость металла.
К наиболее распространённым элементам относятся кремний, марганец, сера и фосфор. Кроме них, в составе могут присутствовать хром, никель, молибден, медь, ванадий и другие компоненты.
Условно примеси можно разделить на несколько групп:
Именно поэтому нельзя однозначно сказать, что все дополнительные элементы вредны. Некоторые из них необходимы для получения заданных характеристик металла.
Полезными примесями при производстве чугуна являются прежде всего кремний и марганец, если их содержание находится в пределах, предусмотренных технологией.
Кремний влияет на процесс образования графита в чугуне и может повышать его литейные свойства. Благодаря этому расплав лучше заполняет форму, а материал получает характеристики, необходимые для изготовления отливок.
Марганец связывает часть серы и снижает её отрицательное влияние. Кроме того, он способен повышать твёрдость и износостойкость материала.
Однако содержание этих элементов должно контролироваться. Избыток кремния или марганца способен изменить структуру чугуна и привести к характеристикам, которые будут нежелательны для конкретного изделия.
Вредными примесями при производстве стали и чугуна являются в первую очередь сера и фосфор. Их содержание стараются уменьшать ещё на стадии выплавки.
Сера ухудшает пластичность металла при высоких температурах и может вызывать склонность к образованию трещин во время горячей обработки. Это особенно важно при прокатке, ковке и других операциях, связанных с нагревом.
Фосфор повышает твёрдость и прочность, но одновременно может увеличивать хрупкость, особенно при низких температурах. Поэтому его избыток нежелателен для изделий, которые должны выдерживать ударные и переменные нагрузки.
Именно сера и фосфор чаще всего рассматриваются как основные вредные примеси в чугуне и углеродистых сталях.
Влияние примесей на свойства стали проявляется сразу по нескольким направлениям. Они могут менять прочность, пластичность, твёрдость, свариваемость и устойчивость к коррозии.
Например, марганец обычно способствует повышению прочности и снижает негативное действие серы. Кремний может увеличивать прочность и упругость, но при повышенном содержании способен снижать пластичность. Сера ухудшает технологические свойства, а фосфор увеличивает склонность к хрупкому разрушению.
Важную роль играет и углерод. Хотя его обычно не относят к случайным примесям, именно содержание углерода во многом определяет различие между низкоуглеродистыми, среднеуглеродистыми и высокоуглеродистыми сталями. С увеличением его доли обычно растут твёрдость и прочность, но снижается пластичность и может ухудшаться свариваемость.
В металлургии важно различать нежелательные примеси и легирующие элементы. Хром, никель, молибден, ванадий и некоторые другие компоненты вводятся в состав стали специально.
Хром может повышать твёрдость, износостойкость и устойчивость к коррозии. Никель способствует прочности и вязкости, в том числе при пониженных температурах. Молибден повышает жаропрочность и сопротивление некоторым видам разрушения.
Таким образом, примеси в стали нельзя оценивать только как «полезные» или «вредные» без учёта марки и назначения металла. Для одной стали определённый элемент может быть необходим, а для другой – его содержание строго ограничивается.
Состав стали влияет не только на свойства готового изделия, но и на то, как материал ведёт себя при резке, сварке, гибке и нагреве.
Например, повышенная твёрдость может усложнять механическую обработку, а особенности теплопроводности и легирования влияют на выбор режима термической резки. Поэтому при подготовке заготовок важно учитывать не только толщину листа, но и марку материала.
Подробнее о выборе технологий можно прочитать в статье «Виды резки металла: основные методы и их отличия». На практике профессиональная резка металла подбирается с учётом состава стали, её толщины и требований к качеству кромки.
Полностью исключить все нежелательные элементы из промышленного металла практически невозможно и обычно не требуется. Задача металлургического производства – снизить их содержание до значений, допустимых для конкретной марки.
Для этого применяют подготовку сырья, рафинирование расплава, продувку, введение раскислителей и другие технологические операции. После выплавки химический состав контролируют, чтобы готовый металл соответствовал установленным требованиям.
Допустимое количество серы, фосфора и других компонентов зависит от назначения стали. Требования к конструкционному материалу общего назначения и к специальной легированной стали могут существенно различаться.
Вредные примеси стали и чугуна способны заметно менять эксплуатационные характеристики материала. Наиболее нежелательными обычно считаются сера и фосфор: их избыток может ухудшать пластичность и повышать хрупкость.
Кремний и марганец при контролируемом содержании выполняют полезные функции, а легирующие элементы вводятся специально для получения заданных свойств. Поэтому качество стали определяется не только количеством железа и углерода, а всем химическим составом и точностью его регулирования.
Понимание роли примесей помогает объяснить, почему разные марки стали по-разному ведут себя при нагрузке и обработке и почему для изготовления конкретной детали важно учитывать не только форму и толщину заготовки, но и свойства самого материала.
