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 985C. Występowanie w stalach tej łatwo topliwej i kruchej eutektyki, rozmieszczonej przeważnie a granicach ziarn, powoduje kruchość stali nagrzanych do temperatury 800C 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 985C, 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 1620C, a więc w temperaturze o wiele wyższej niż temperatura przeróbki plastycznej na gorąco (800-1200C). 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 150-200C 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