Классификация остаточных элементов
Остаточные элементы в стали подразделяются на три группы в зависимости от их окислительного потенциала: полностью удерживаемые элементы, частично удерживаемые элементы и минимально удерживаемые элементы.
Полностью удерживаемые элементы — Cu, Ni, Co, As, W, Mo, Sn, Sb — имеют более низкий окислительный потенциал, чем железо. Эти элементы не участвуют в реакциях окисления при выплавке стали и почти полностью удерживаются в конечном стальном продукте.
Частично удерживаемые элементы — S, P, Mn, Cr, C, H, N — имеют окислительные потенциалы, близкие к потенциалу железа. В процессе плавки окисляется и удаляется только часть этих элементов. Степень удаления зависит от конкретных характеристик каждого элемента.
Минимально удерживаемые элементы — Pb, Zn, V, Ti, Si, Al, Zr, Mg, Ca, Nb — имеют более высокий окислительный потенциал, чем железо. Эти элементы преимущественно окисляются во время плавки и в основном попадают в шлаковую фазу, и лишь небольшое их количество остается в стали.
Источники остаточных элементов
Остаточные элементы в стали в основном происходят из железной руды и лома. Железные руды часто содержат сопутствующие элементы, такие как V, Ti, P, As, Sn, Sb и редкоземельные элементы (Re), которые вводятся в сталь во время плавки. При производстве стали коротким способом основными источниками остаточных элементов являются легированный стальной лом, сталь с покрытием или гальванопокрытием (например, оловом, никелем, медью, хромом или цинком) и различные цветные металлы.
Среди всех остаточных элементов медь присутствует в наибольшем количестве, в основном попадая в сталеплавильную печь через автомобильный лом. Сурьма (Sb) и мышьяк (As) в основном поступают из первичной железной руды. Хотя их можно разбавить добавлением чистого лома, они имеют тенденцию постепенно накапливаться в переработанной стали. Водород (H) и азот (N) в основном поглощаются из атмосферы печи во время сталеплавильного производства. Их содержание зависит как от состава стали, так и от конкретного используемого сталеплавильного процесса.
Сегрегация остаточных элементов в стали
Большинство остаточных элементов проявляют сильные тенденции к сегрегации. Элементная сегрегация может происходить как во время затвердевания, так и посредством последующих твердофазных фазовых превращений. Эти превращения требуют длительного времени диффузии. Сегрегированные элементы могут приводить к образованию включений, что приводит к образованию локализованных областей с более высокой твердостью по сравнению с остальной частью слитка. В твердом состоянии или во время термической обработки остаточные элементы могут сегрегировать на границах зерен. Это явление способствует охрупчиванию границ зерен, такому как отпускная хрупкость типа II в легированных сталях, обычно вызываемая сегрегацией P, Sn, As и Sb.
Эффекты остаточных элементов
Полезные полностью сохраненные элементы, такие как Ni, Co, W и Mo, повышают прокаливаемость стали. Медь (Cu) играет двойную роль: она может вызывать горячеломкость (хрупкость при высокотемпературной обработке), но также повышает устойчивость к атмосферной коррозии. Вредные остаточные элементы, такие как Sn, As и Sb, не только усугубляют вызванную медью хрупкость, но и способствуют отпускной хрупкости типа II. Среди них олово (Sn) особенно вредно, так как оно значительно снижает высокотемпературные механические свойства сталей и сплавов.
Среди частично удерживаемых элементов хром (Cr) улучшает стойкость к окислению, коррозионную стойкость и прокаливаемость, но также увеличивает склонность к отпускной хрупкости; азот (N) способствует измельчению зерна аустенита, но может привести к деформационному старению стали; водород (H) является вредным элементом, вызывающим внутренние дефекты, такие как белые пятна и трещины, особенно в низколегированных высокопрочных сталях.