Влияние меди на свойства стали

Справочник химика 21

Химия и химическая технология

Нержавеющая сталь, влияние присутствия меди

Гальванические эффекты. При наличии электрического контакта титана с такими обычными металлами, как сталь или алюминий, может происходить локальная коррозия анодного элемента этой гальванической пары. Разрущение наблюдается непосредственно в месте соединения или около него и протекает в периоды, когда на поверхности металла присутствует влажная солевая пленка. Соединение титана с медью несколько усиливает коррозию меди. В гальванической паре с нержавеющей сталью влияние титана минимально. Данные о коррозии гальванопар представлены в табл. 46. [c.117]

Сильное влияние на коррозионную активность и свойства резин оказывает природа подложки и присутствие ингибиторов коррозии металлов. По увеличению влияния на скорость и количество выделяющегося галогенводорода из резин на основе СКФ-32 различные подложки можно расположить в ряд по НР — стекло, нержавеющая сталь, алюминиевые сплавы, хромированная сталь, обычная сталь по НС1 — алюминиевые сплавы, нержавеющая сталь, стекло, хромированная сталь, обычная сталь [206]. При контакте с резиной на основе СКФ-26 (240 ч при 250°С) быстрее всего корродируют титан, медь, латунь и бронза, примерно в 2—3 раза медленнее, чем медь и латунь корродируют стали различных марок (быстрее — угле- [c.198]

Стойкость некоторых металлов во фторе объясняется образованием защитной пленки фторида, имеющей хорошую адгезию к основному металлу. На коррозионное действие фтора большое влияние оказывают примеси (кислород и фтористый водород), в присутствии влаги разрушение фтором усиливается. В жидком фторе устойчивы нержавеющие стали (Х18Н9Т, 1X13), алюминий АД-1, никель Н1, медь М-1, латунь, бронза БрАМЖ [12,90]. [c.60]

Однако растворение анода не всегда благоприятно. Отрицательное влияние этого процесса на титрование перманганата, бихромата и ванадата солью Мора описано в работе [31] изучение зависимости налагаемой э. д. с. и тока от природы материала одного из электродов (второй электрод во всех случаях — платина) показало, что анодное растворение электродов из вольфрама, молибдена, меди, серебра, нихрома и нержавеющей стали происходит при менее положительных потенциалах, чем анодное окисление Ре , вследствие чего кривая титрования смазывается . Примб1нять эти же металлы в качестве катода не только можно, но даже желательно, так как соответственно подобранный материал катода позволяет налагать меньшее напряжение и тем самым уменьшать влияние могущих присутствовать в растворе примесей, Способных к электродной реакции [31]. Дело в том, что соответственно подобранная пара расширяет возможности метода за счет различия в перенапряжении выделения водорода, ионизации кислорода и других электродных реакций на том или ином материале за счет электропроводности металла или его окислов, могущих отлагаться на электроде, и т. д. Примером служит исследование титрования молибдена (VI) на различных электродах (платина — платина, вольфрам — вольфрам и вольфрам— платина), показавшее, что применение пары вольфрам — платина позволяет вдвое снизить напряжение, налагаемое на электроды, по сравнению с двумя платиновыми электродами [24]. [c.79]

Молибден и медь в модифицированных ими сталях оказывают только незначительное улучшающее влияние на склонность к межкристаллитной коррозии, причем при содержании более 3%. Влияние углерода сходно с его влиянием у классических нержавеющих сталей с той разницей, что для достижения полной стойкости необходимо существенное уменьшение его содержания (рис. 30). Большое значение имеют также присадки карбидобразующих элементов в количествах, достаточных для связывания всего углерода в стали (Т1 С 11 -н 14 при 0,03—0,04% С в зависимости от агрессивности среды и условий термообработки). Они значительно ограничивают склонность к межкристаллитной коррозии, однако полностью ее не устраняют. В некоторых очень агрессивных средах (например П3РО4, особенно в присутствии НГ) одной высокой степени стабилизации недостаточно и необходимо выбирать стали с пониженным содержанием никеля (26%) и углерода ( 0,015%) и достаточно стабилизированные [53]. [c.157]

Интеркристаллитная коррозия нержавеющих сталей после несоответствующей термической обработки. Если углерод нельзя рассматривать как опасный элемент (с точки зрения коррозии) в обыкновенном железе и стали, его присутствие в нержавеющей стали требует строгого контроля. Стойкость 13%-ной хромовой стали к коррозии уменьшается с содержанием углерода, хотя следует считать, что разница в механических свойствах между нержавеющей сталью и нержавеющим железом так велика, что они ни в коем случае не могут рассматриваться как конкурирующие материалы. В аустенитной хромоникелевой стали влияние углерода особенно серьезно и это зависит от того, что хром имеет сродство к углероду. Если предварительная обработка этой стали была надлежащей (нагрев до 1000—1200° с последующим быстрым охлаждением), весь углерод оказывается в твердом растворе, и микрошлиф показывает, что сталь состоит из полигональных зерен только одной фазы. Если такую сталь снова нагреть в пределах 500—900°, карбиды хрома выпадают из раствора по границам зерен, создавая области, обедненные хромом и чувствительные к коррозии. Карбид хрома нельзя обнаружить на обычных микрофотографиях, но Бейн используя большие увеличения, успешно сфотографировал выпадение карбидов по границам зерен и нашел, что интенсивность выпадения увеличивается с содержанием углерода. После такой обработки (около 650°) сталь становится весьма чувствительной к коррозии у обедненных хромом мест вдоль границ зерен, и коррозия, будучи по характеру интеркристаллитной, может лишить металл прочности, хотя бы общее количество разрушенного металла и было незначительно. Если поместить металл в кислый раствор сульфата меди — реагент, введенный Гадфилдом 2 для обнаружения склонности к интеркристаллитной коррозии, материал после нагрева в опасном те.мпера-турном интервале может буквально распасться в порошок, причем каждое зерно этого порошка представляет действительно зерно материала. Начальные стадии интеркристаллитной коррозии (получаемые при действии менее сильных реагентов) можно измерить по уменьшению после коррозии электро- [c.563]

Эта формула не является бесспорной. Ляфорг-Кант-цер [44] при спектрографическом исследовании самого прианодного слоя инфракрасными лучами обнаружил присутствие свободных и связанных гидроксил-ионов и на основании химических (ацидиметрических) анализов высказал предположение, что растворенные соли имеют формулу типа Р04(0Н)СиНг. Наиболее странным пз приведенных в табл. 1 данных является заметное влияние ионов меди на вязкость фосфорнокислого раствора при незначительном изменении плотности. То же можно сказать о влиянии медной соли на электропроводность. Подобные результаты были получены Дейлом [45] в двух промышленных электролитах для полирования нержавеющей стали 18 8. Его цифры также указывают на заметное увеличение вязкости (табл. 2). [c.27]

Смотреть страницы где упоминается термин Нержавеющая сталь, влияние присутствия меди: [c.188] [c.607] Коррозия пассивность и защита металлов (1941) — [ c.204 , c.472 , c.489 , c.500 ]

Влияние меди на свойства стали

Многие марки меди отличаются друг от друга содержанием примесей в сотых долях процента. Это говорит о заметном влиянии малых содержаний примесей на основные физико-механические свойства меди.

В силу особенностей производства медь всегда содержит ряд примесей, основными из которых являются висмут, сурьма, свинец, сера, кислород.

По характеру взаимодействия с медью все примеси можно укрупненно разделить на три группы.

К первой группе относят примеси, растворимые в твердой меди (алюминий, железо, никель, цинк, серебро и др.). При небольшом содержании, характерном для металла технической чистоты, эти элементы слабо влияют на свойства меди, хотя в некоторой степени они снижают электропроводность и теплопроводность.

Во вторую группу входят элементы, которые практически нерастворимы в меди и образуют с ней легкоплавкие эвтектики. К таким примесям относят висмут, свинец, сурьму. Нерастворимые примеси отрицательно влияют на физико-механические и технологические свойства меди, причем эффект проявляется уже при весьма малых содержаниях указанных элементов. Висмут при содержании более 0,001% мас. выделяется в виде хрупких прослоек по границам зерен. При горячей обработке давлением такие прослойки плавятся, медь становится горячеломкой, и деформирующаяся заготовка разрушается по границам зерен. При низких температурах хрупкие прослойки провоцируют хладноломкость.

Сурьма в большей степени растворяется в меди по сравнению с висмутом, и при этом резко уменьшаются тепло- и электропроводность меди. Свинец также образует легкоплавкие выделения по границам зерен, и из-за низкой температуры плавления это приводит к сильной горячеломкости меди при горячей обработке давлением.

Третью группу составляют преимущественно неметаллические элементы, которые образуют с медью химические соединения (кислород, сера, фосфор, мышьяк, селен и т.д.). Растворимость кислорода в меди мала, весь содержащийся в меди кислород находится в виде обособленных твердых и хрупких частиц Cu₂O, образующийся оксид меди формирует эвтектику (Cu+Cu₂O), зернограничные выделения которой снижают пластичность и деформируемость металла. Частицы Cu₂O склонны к образованию скоплений, которые приводят к разрушению меди при обработке давлением как в горячем, так и в холодном состоянии.

Для образования эвтектики (Cu₂S+Cu) достаточно минимального количества серы, а при ее выделении ухудшаются пластичность при горячей обработке давлением и коррозионная стойкость меди.

Водород является крайне вредным элементом, его повышенное содержание вызывает т.н. «водородную болезнь». Водород реагирует с оксидами, содержащимися в меди, с образованием водяного пара (Cu₂O+H₂=H₂O+2Cu). Под давлением паров воды внутри металла возникают микротрещины, а на поверхности — пузыри от вздутия металла. На медь, раскисленную фосфором, водород влияет слабо.

Таким образом, все примеси в той или иной степени ухудшают свойства меди. Даже те примеси, которые не ухудшают технологическую пластичность и прочность меди, заметно снижают показатели физических свойств. Большинство примесей ухудшают весь комплекс свойств и в первую очередь характеристики электро- и теплопроводности.

Кроме того, большинство указанных примесей вступают в химические реакции между собой и взаимно усиливают свое отрицательное влияние. Водород особенно ухудшает свойства меди, содержащей повышенное количество кислорода. При совместном наличии кислорода, сурьмы и мышьяка резко падает электропроводность.

Таким образом, задача металлургов заключается в максимальном снижении содержания примесей в меди, в первую очередь вредных, поскольку полностью удалить их из металла технически невозможно. Постоянное повышение требований к качеству металла приводит к законодательному (на уровне стандартов) ограничению содержания примесей в меди, которая применяется в основных областях промышленности.

Можно сравнить основные свойства меди марок МОб и М1, отличающиеся содержанием указанных примесей (табл. 1.15).

Таблица 1.15. Содержание примесей в исследованных образцах меди

Для проведения сравнительных испытаний исходным материалом служили прутки диаметром 8 мм, полученные горячей прокаткой при температурах 850…900 o С, которые затем подвергали холодной пластической деформации со степенями 95…99,99 %. Полученную проволоку отжигали при различной температуре (от 100 до 800 o С) в течение 1 ч в вакууме.

В горячекатаном состоянии размер зерна в прутках меди МОб был заметно большим (35 мкм) по сравнению с зерном меди М1 (15 мкм). Содержание примесей сложным образом влияло на изменение свойств деформированного и отожженного металла.

В случае деформации при комнатной температуре после предварительного отжига при различных температурах прочностные характеристики прутков слабо зависят от содержания примесей (рис. 1.11) и уровень свойств определяется, в основном, режимом отжига.

В наибольшей степени состав меди влияет на относительное сужение. Если для высокочистой меди МОб сужение под влиянием отжига слабо повышается, то для меди марки М1 отжиг существенно повышает относительное сужение. Различие в уровнях относительного сужения приводит к различной деформируемости меди и обрывности при холодном волочении.

Рисунок 1.11. Влияние температуры отжига на свойства меди марок М1 и МОб

На рис. 1.12 приведена зависимость удельного электросопротивления меди после холодной деформации со степенью 95% и часового отжига при указанных на рисунке температурах.

Рисунок 1.12. Зависимость удельного электросопротивления меди марок М1 и МОб от температуры часового отжига после холодной деформации

Как видно из рис.1.12, в интервале температур 400…600 o С происходит падение электросопротивления, которое свидетельствует о выделении примесей из твердого раствора. Испытания на растяжение при повышенных температурах также показали известный для меди провал пластичности, но для меди МОб он появлялся при температуре около 300…400 o С (сужение снизилось с 90 до 70 %), а у меди М1 провал пластичности был при температурах 400…600 o С и привел к снижению от 80 до 40 %. Это поведение меди связывают с влиянием водорода и кислорода, содержание которых в меди МОб и М1 заметно отличается.

Таким образом, различия в содержании примесей приводят к различиям в кинетике процессов растворения и выделения их из твердого раствора, что влияет на механические и технологические свойства металла.

К состоянию твердого раствора очень чувствительно, например, электросопротивление. Одновременное присутствие кислорода и мышьяка или сурьмы не сказывается на механических свойствах меди, но весьма существенно снижает ее электропроводность (рис. 1.13).

Рисунок 1.13. Влияние кислорода и сурьмы на электропроводность меди после отжига 700 o С 30 мин

Влияние алюминия на свойства стали. Часть 2

В предыдущей публикации мы рассмотрели влияние некоторых химических элементов на свойства стали, а именно влияние углерода, кремния, марганца, серы, фосфора.

В данной статье мы рассмотрим такой элемент, как алюминий, и то, как его наличие отражается на свойствах стали.

Алюминий (Al) — серебристо-белый активный металл. Температура плавления 657 °С, температура кипения 1800 °С, плотность — 2,6989 г/см3.

Основные свойства

Устойчивость к коррозии

При соприкосновении с кислородом «чистый» алюминий становится пассивным и образует на своей поверхности тонкую пленку (оксид алюминия), благодаря которой предотвращается образование коррозии, даже в агрессивной среде. Устойчивость Al к коррозии присутствует и при взаимодействии с паром и водой (пресной). Для эксплуатации в соленой воде в алюминий добавляют магний и кремний.

Он растворяется в едких щелочах, соляной и серной кислотах.

Алюминий обладает высокой теплопроводностью и электропроводностью. Благодаря таким свойствам его применяются для изготовления электрических проводов и кабеля.

Раскисление алюминием

Раскисление — снижение содержания кислорода в металле или связывание его в прочные соединения.

Алюминий является сильным раскислителем. Он широко применяется при производстве спокойной стали, да бы избежать образования пористой структуры слитка.

Раскисление производится на этапе выплавки стали, методом введения в металл алюминиевой проволоки, слитков или гранул.

При высоких температурах он хорошо сплавляется с металлами, образуя тем самым прочные, но легкие сплавы.

Алюминий используют с целью удаления кислорода и азота из стали после продувки, что способствует уменьшению старения.

Он способствует удалению кислорода из стали, что так же увеличивает текучесть и ударную вязкость стали.

Наличие Al влияет на размер зерен (они становятся меньше), и придает повышенную жаростойкость. Благодаря этим свойствам его широко применяют при изготовлении азотированной стали, как добавку в ферритную жароустойчивую сталь. Получение стали с мелким зерном, за счет использования алюминия — обеспечивает допустимые показатели пластичности и вязкости.

Стоит отметить, что Al обладает способностью сильно повышать значение напряженности магнитного поля, которое влияет на характеристики размагничивания ферромагнитного и ферримагнитного веществ, поэтому его применяют в качестве легирующего элемента в магнитотвердых сплавах железа, никеля, кобальта, алюминия.

Негативные свойства

Негативными факторами влияния алюминия на сталь считается:

• снижение показателей текучести стали и вероятность (на машинах непрерывной разливки стали) затягивания сталевыпускного отверстия.
• образование сложных неметаллических включений, при соединении алюминия с кислородом, Al2O3 -типа корунд, который является концентратором напряжений при последующей переработке в метизном производстве.

Т.е. существует вероятность образования оксидов алюминия, которые имеют остроугольную форму и могут быть причиной надрывов (например, при волочении катанки).

Данные факторы могут частично нейтрализоваться добавлением кальциевой проволоки (FeCa).

В заключении

В отличии от углерода, серы, фосфора, алюминий не оказывает такого явного влияния на механические характеристики стали, однако содержание алюминия менее определенного уровня ведет к повышению физических и механических свойств, и в тоже время, если алюминия менее 0,002 % — свойства ухудшаются. При содержании в легированной алюминием стали 0,02-0,7% — подавляется процесс старения стали.

Подведя итоги всего сказанного, отметим, что главные свойства Al:

• хорошее раскисление стали;
• нейтрализация вредного влияния фосфора;
• повышение ударной вязкости стали.

Содержание алюминия менее определенного уровня ведет к повышению физических и механических свойств, и в тоже время, если алюминия менее 0,002 % — свойства ухудшаются.

Легирование сталей

При некоторых условиях эксплуатации стальных изделий и конструкций обычные физико-механические характеристики материал не удовлетворяют поставленным требованиям. В таких случаях стали легируют – добавляют при выплавке к исходному составу другие химические элементы (в основном – тоже металлы, хотя как будет показано далее, есть и исключения). В результате сталь становится прочнее, твёрже, устойчивее к внешним неблагоприятным факторам, хотя и теряет в своей пластичности, что в большинстве ситуаций ухудшает её обрабатываемость.

Технические требования к легированным сталям регламентированы ГОСТ 4543 (применительно к тонколистовому стальному прокату действует ещё ГОСТ 1542). В то же время ряд комплексно и сложнолегированных сталей производится согласно ТУ металлургических предприятий.

Легирование и примеси – есть ли разница?

С формальной точки зрения, некоторые химические элементы, содержащиеся в обычных сталях, как конструкционных, так и обычного качества, тоже можно называть легирующими. К таким можно отнести, например, медь (до 0,2%), кремний (до 0,37%) и т.д.

Причина заключается в том, что любая примесь является следствием либо чистоты исходной руды (марганец), либо специфики металлургических процессов плавки (сера, фосфор). Теоретически выплавленная без меди, фосфора и серы сталь обладала бы такими же механическими свойствами. Легирование же имеет своей конечной целью именно повышение определённых технических характеристик стали. При этом фосфор и сера однозначно относятся к вредным, но неизбежным примесям. Наличие меди увеличивает пластичность, зато способствует налипанию поверхности металла, имеющего избыточную (более 0,3%) концентрацию меди на поверхность смежной детали. При работе конструкции в условиях интенсивного трения это является крупным недостатком.

Наличие химического элемента с концентрацией более 1% даёт основание вводить его условное обозначение в марку стали. Кроме вышеупомянутой стали 65Г, подобной чести удостаивается также и алюминий (присутствующий, в частности, в стали О8Ю). В данном случае алюминий вводится в обычную конструкционную сталь О8 с целью её раскисления, а то, что при этом несколько повышаются показатели её пластичности, является лишь удачным сопутствующим обстоятельством. Борирование стали обеспечивает ей повышенную последующую деформируемость, поэтому даже микродобавки бора в химический состав стали отмечаются соответственно изменённой её маркировкой (например, в стали 20Р присутствует всего 0,001…0,005 % бора).

В целом принято, что:

• Стали, содержащие только один, намеренно вводимый в состав элемент;
• Стали, в составе которых имеются иные, кроме углерода и марганца, химические элементы в количестве не более 1%

— легированными не считаются. С другой стороны, если в составе выплавляемого сплава процентное содержание железа не превышает 55%, то такой материал уже не может называться легированной сталью.

Общая классификация легирующих элементов в сталях

Наличие легирующих элементов оказывает преобладающее влияние на вид диаграммы состояния системы «железо-углерод», и на наличие/отсутствие химических соединений в конечном продукте (нитридов, карбидов и более сложных по формуле компонентов). Последние, в свою очередь существенно видоизменяют микроструктуру стали.

В связи с этим, легирующие сталь металлы подразделяются на две группы:

1. Металлы, которые увеличивают область твёрдых растворов на основе γ-железа (аустенитная область на диаграмме состояния), что приводит к повышению разнообразия конечной микроструктуры легированной стали после её упрочняющей термообработки). К таким элементам относятся никель, марганец, кобальт, медь, а также азот.
2. Металлы и химические элементы, наличие которых сужает γ-область, зато повышает прочность стали. К ним относят хром, вольфрам. ванадий, молибден, титан.

В процессе получения легированных сталей изменяются следующие закономерности в её свойствах.

Как известно, разные элементы обладают различной кристаллической структурой (для металлов это – гранецентрированная и объёмноцентрированная). Само же железо имеет объёмноцентрированную решётку.

Именно по этой причине такой металл как цинк вводят в качестве легирующей добавки только в цветные металлы и сплавы. Ограниченное применение для целей легирования стали находят также химические элементы, которые неспособны образовывать при выплавке устойчивые химические соединения с углеродом, железом и азотом.

Зависимость характеристик стали от насыщения её определёнными химическими элементами окончательно ещё не изучено. Это объясняется тем, что при комплексном легировании каждый компонент может взаимодействовать по разному с другими, причём такие изменения закономерному объяснению часто не поддаются. Поэтому вопросы целесообразности применения того либо иного легирующего элемента разрешаются экспериментальным путём.

Доказанными считаются следующие положения:

• Эффективность процесса повышается при увеличении растворимости азота и углерода в легирующей добавке, и в основном железе;
• Стабильность окончательных свойств стали повышается при увеличении размеров аустенитной зоны;
• Качество стали, легированной металлами и элементами с меньшим, чем у железа порядковым номером (в таблице химических элементов Д. Менделеева) хуже, чем в противоположном случае;
• Более тугоплавкие, по сравнению с железом, металлы повышают прочность стали при любых вариантах её дальнейшей термообработки.

Впрочем, вторичные взаимодействия, сильно зависящие от способа выплавки стали, могут существенно корректировать эти положения. Поэтому на данном этапе с уверенностью можно говорить лишь о влиянии конкретных легирующих элементов на свойства стали.

Влияние хрома

Хром – металл, особенно часто применяемый для целей легирования. Его добавляют как в конструкционные стали (например, 20Х, 40Х), так и в инструментальные (9ХС, Х12М). При этом конечные свойства легированной хромом стали сильно зависят от его содержания в ней. При низких (менее 0,5…0,7%) концентрациях структура стали становится боле грубой, и чувствительной к направлению её последующей обработки, особенно при прокатке и гибке в холодном состоянии. Ухудшается также равномерность распределения основных составляющих микроструктуры.

Как уже было отмечено выше, одной из главных целей легирования является формирование в стали карбидов металлов, прочность и твёрдость которых заметно выше, чем основного металла. Хром образует два вида карбидов: гексагональный Cr₇C₃ и кубический Cr₂₃С₆, причём в обоих случаях прочность и хладостойкость стали возрастают. Особенностью карбидов хрома является присутствие в их структуре также и других элементов – железа и ванадия. В результате температура эффективного растворения снижается, что, в свою очередь, приводит к таким положительным особенностям сталей, легированных хромом, как прокаливаемость, возможность вторичного дисперсионного твердения и теплостойкость. Поэтому стали, легированные хромом, имеют увеличенную эксплуатационную стойкость при тяжёлых условиях своей эксплуатации.

Однако увеличение содержания хрома в стали приводит и к отрицательным последствиям. При его концентрации более 5…10% резко ухудшается карбидная однородность материала, что сопровождается нежелательными явлениями при её механической обработке: даже при нагреве пластичность стали невысока, поэтому при ковке с большими степенями деформации высокохромистые стали подвержены растрескиванию.

При чрезмерном карбидообразовании увеличивается также количество концентраторов напряжений, что негативно влияет на стойкость таких сталей к динамическим нагрузкам. Учитывая это, содержание хрома в сталях не должно превышать 5..6%.

Влияние вольфрама и молибдена

Действие этих легирующих добавок в сталях примерно одинаково, поэтому их рассматривают совместно. Вольфрам и молибден улучшают дисперсионное твердение сталей, что увеличивает их теплостойкость, особенно при длительной работе с повышенными температурами. Мартенситостареющие стали обладают уникальным комплексом свойств: они сочетают достаточную пластичность и вязкость с высокой поверхностной прочностью, а потому находят широкое применение в качестве инструментальных сталей, предназначенных для холодной объёмной штамповки с высокими степенями деформации. Причиной этому – формирование интерметаллидных соединений Fe₂W и Fe₂Mo₃, которые способствуют последующему появлению специальных карбидов (чаще – хрома и ванадия). Поэтому часто, совместно с вольфрамом и молибденом стали легируют также и этими металлами. Примером служат инструментальные стали типа Х4В2М1Ф1, конструкционные 40ХВМФА и т.п.

Наиболее эффективно такое легирование для сталей, содержащих сравнительно большое количество углерода. Именно этим объясняется преимущественное применение сталей, содержащих вольфрам и молибден, для производства ответственных шестерён, валов и других деталей машин, работающих при сложных, резко циклических нагрузках. Наличие рассматриваемых легирующих компонентов улучшает закаливаемость сталей и способствует более устойчивым конечным характеристикам изделий, изготовленных из них.

Имеются и отрицательные стороны избыточного легирования данными металлами. Например, повышение концентрации молибдена более 3% способствует обезуглероживанию стали при нагреве, становится причиной хрупкого разрушения (особенно, если в составе такой стали присутствует в увеличенном — более 2% — количестве кремний). Предельное содержание вольфрама в стали – 10…12% — связано, главным образом, с резким повышением стоимости готового продукта.

Влияние ванадия

Ванадий чаще применяется как компонент сложного легирования. Его наличие придаёт легированным сталям более равномерную и благоприятную структуру, которая мало изменяется даже с термообработкой. Кроме того, ванадий стабилизирует γ-фазу, что увеличивает стойкость стали к напряжениям сдвига (как известно, именно при сдвиговых деформациях металлы имеют наименьшую прочность).

На твёрдость стали ванадий практически не влияет, это особенно заметно для конструкционных сталей, содержащих меньше углерода, чем инструментальные. В комплекснолегированных сталях ванадий увеличивает теплостойкость, что повышает их устойчивость от хрупкого разрушения. В этом смысле влияние ванадия противоположно влиянию молибдена. Особенностью термообработки легированных сталей, содержащих ванадий, считается невозможность выполнения высокого отпуска после закалки, поскольку последующая пластичность стали снижается. Поэтому в сталях, предназначенных для изготовления крупных деталей или поковок, процентное содержание ванадия ограничивается 3..4%.

Влияние кремния, марганца и кобальта

Кремний – единственный из неметаллов, «допущенный» к процессам легирования. Объясняется это двумя факторами – дешевизной элемента и однозначной зависимостью твёрдости от процентного содержания кремния в стали. Именно поэтому кремний часто применяется при выплавке недорогих низколегированных строительных сталей, а также сталей, для эксплуатационной долговечности которых важно оптимальное сочетание прочности и упругости. Чаще всего совместно с кремнием используется и марганец – примерами могут быть стали 09Г2С, 10ГС, 60С2 и т.д.

В инструментальных сталях кремний как легирующий компонент используется редко, и притом только в сочетании с другими металлами, которые нейтрализуют его отрицательные свойства – малую эксплуатационную пластичность и вязкость. Из таких сталей – в частности, 9ХС, 6Х3С и т.п. — изготавливают режущий и штамповый инструмент, для которого требуется сочетание высокой твёрдости и стойкости при резких нагрузках.

Как и кремний, кобальт при внедрении в структуру стали не образует собственных карбидов, зато в сложнолегированных сталях интенсифицирует их образование при отпуске. Поэтому кобальт применяется не самостоятельно, а в сочетании с такими металлами, как ванадий, хром, вольфрам, при этом, ввиду дефицитности кобальта его содержание обычно не превышает 2,5…3%.

Влияние никеля

Никель – единственный из легирующих компонентов сталей, который повышает её пластичность и снижает твёрдость. Поэтому одним никелем стали не легируют. Зато в сочетании с марганцем никель приводит к заметному повышению прокаливаемости стали, что очень важно при изготовлении крупных деталей машин, для которых важна высокая эксплуатационная долговечность. При этом наличие никеля снижает требования к точности соблюдения температурных интервалов термообработки.

Легирование никелем имеет и ряд особенностей. В частности, никель, не образуя собственных карбидов, способствует увеличению скоплений «чужих» карбидов по границам зёрен, в результате снижается теплостойкость, и повышается хрупкость в диапазоне 20…400 0 С. Поэтому процентное содержание никеля в легированных сталях строго увязывается с наличием в них марганца и хрома: при их наличии предельная концентрация никеля составляет 2%, а при их отсутствии – не более 0,5…1%.

Легированные стали для специальных областей использования содержат в себе и ряд других металлов (например, титан, алюминий и др.). Выбор вида стали диктуется эксплуатационными и финансовыми соображениями.

Особенности сварки меди. Влияние примесей на её свариваемость

Температура плавления меди составляет. По разным данным, 1063-1083°С, плотность 8900 кг/м3. Сварка меди сильно затрудняется в связи с её высокой теплопроводностью (в 6 раз выше, чем теплопроводность стали). Медь обладает высокой жидкотекучестью и сильно окисляется в нагретом и, особенно, расплавленном состоянии. На её свариваемость сильно влияют примеси, присутствующие в её составе (кислород, фосфор, мышьяк, сурьма, сера, свинец, висмут), об этом подробно рассказано ниже по тексту.

Медь в жидком состоянии активно поглощает водород. При остывании, металл сварочной ванны быстро кристаллизуется из-за его высокой теплопроводности. При этом растворимость водорода резко уменьшается и находящийся в металле атомарный водород не успевает его покинуть, что приводит к образованию трещин и пор в металле шва.

В околошовной зоне водород взаимодействует с оксидом меди Cu₂O, который располагается по границам зёрен. В результате образуются пары воды по реакции:

Образующиеся пары воды не растворяются в меди и не могут из неё выйти. Это приводит напряжениям в металле, которые становятся причиной появления большого количества микротрещин. Это явление получило название «водородной болезни меди». Чтобы её предупредить, следует снизить количество водорода в зоне сварки. Для этого перед сваркой электроды и флюсы прокаливают, используют сварку в среде защитных газов.

Марки меди для сварки, их химический состав и механические свойства

Наиболее применяемые марки меди представлены в ГОСТ 859. Их обозначение, и примерный химический состав, (в %), приведены в таблице:

Согласно ГОСТ 495, толщина изготавливаемых медных листов находится в пределах 0,4-25мм, но, по согласованию с заказчиком, возможно изготовление листов большей толщины. Предел прочности листовой меди может составлять 242,5 МПа, а относительное удлинение — около 40%.

Для примера, листовая медь марки М3 имеет предел прочности порядка 217,5 МПа и относительное удлинение 32,6%. В наклёпанном состоянии возможно увеличение её предела прочности до 490 МПа.

Вообще, у меди относительной большой предел прочности, при комнатной температуре достигающий 245-265 МПа. Однако, при нагревании её прочность резко снижается. Так, при нагревании до 400°C, её прочность составляет менее 10МПа, при температурах свыше 500°C медь становится очень хрупкой, а при нагревании до 700-800°C её хрупкость увеличивается настолько, что даже лёгкие удары молотком приводят к трещинам. Плавиться медь при температуре 1083°C.

Поэтому, при сварке меди, необходимо защищать медь от разрушения. Чистая медь, при почти полном отсутствии примесей, обладит плохой жидкотекучестью и хорошо растворяет газы. Эти её свойства усложняют получение бездефектного сварного шва при сварке плавлением.

Влияние химического состава на процесс сварки меди

На свариваемость меди влияет толщина свариваемых деталей. При увеличении толщины, сварка меди усложняется и обусловлено это её физико-химическими свойствами. Кроме толщины, на качество сварки оказывают влияние ещё ряд факторов, например, чистота меди. Влияние легирующих элементов на свариваемость меди достаточно сильное, а также, воздействие примесей. Особенно сильное влияние оказывают кислород, водород и другие газы, об этом мы поговорим чуть ниже.

В большой степени, свариваемость медных изделий определяется содержанием в них различных примесей, таких как свинец, висмут, сурьма, мышьяк. Медь в расплавленном состоянии достаточно легко взаимодействует с кислородом, образуя оксид меди (I) — Cu₂O и хорошо растворяет водород и угарный газ. При охлаждении металла, в нём образуются капельки воды и углекислый газ, которые не растворяются в металле. Водяные пары и углекислый газ создают большое давление на остывающий металл и становятся причиной образования мелких холодных трещин.

Такой механизм развития трещин, при сварке медных изделий, часто называют водородной болезнью меди. Медь сваривают в нижнем положении или при небольших углах наклона от нижнего положения.

Влияние кислорода на свариваемость меди

Присутствие кислорода в составе меди в виде соединения Cu₂O, может стать причиной образования дефектов сварных швов из-за повышенной хрупкости металла. Такими дефектами могут стать холодные и горячие трещины при сварке, которые проявляются как в металле сварного шва, так и в зоне термического влияния.

Оксид меди (I) Cu₂O образует с медью структуру Cu₂O — Cu, которая плавится при более низкой температуре (1064°C), чем медь (1083°C). Эта эвтектика концентрируется вокруг зёрен меди, ослабляя связи между ними.

По результатам исследования Градусова П.И., присутствие кислорода в составе меди увеличивает её прочность, снижая, при этом, пластичность. Влияние кислорода на прочность и пластичность меди показано в таблице: