Кремний на поверхности металла

Как самостоятельный химический элемент кремний стал известен человечеству всего лишь в 1825 году. Что, конечно, не мешало применять соединения кремния в таком количестве сфер, что проще перечислить те, где элемент не используется. Данная статья прольет свет на физические, механические и полезные химические свойства кремния и его соединений, области применения, также мы расскажем о том, как влияет кремний на свойства стали и иных металлов.

Для начала давайте остановимся на общей характеристике кремния. От 27,6 до 29,5% массы земной коры составляет кремний. В морской воде концентрация элемента тоже изрядная – до 3 мг/л.

По распространенности в литосфере кремний занимает второе почетное место после кислорода. Однако наиболее известная его форма – кремнезем, является диоксидом, и именно его свойства и стали основой для столь широкого применения.

О том, что такое кремний, расскажет этот видеосюжет:

Кремний – неметалл, однако при разных условиях может проявлять и кислотные, и основные свойства. Является типичным полупроводником и чрезвычайно широко используется в электротехнике. Физические и химические его свойства во многом определяются аллотропным состоянием. Чаще всего дело имеют с кристаллической формой, поскольку ее качества более востребованы в народном хозяйстве.

• Кремний – один из базовых макроэлементов в человеческом теле. Его нехватка губительно сказывается на состоянии костной ткани, волос, кожи, ногтей. Кроме того, кремний оказывает влияние на работоспособность иммунной системы.
• В медицине элемент, вернее говоря, его соединения нашли свое первое применение именно в этом качестве. Вода из колодцев, выложенных кремнием, отличались не только чистотой, но и положительно сказывалась на стойкости к инфекционным болезням. Сегодня соединение с кремнием служат основой для препаратов против туберкулеза, атеросклероза, артрита.
• В целом неметалл малоактивен, однако и в чистом виде встретить его сложно. Связано это с тем, что на воздухе он быстро пассивируется слоем диоксида и перестает реагировать. При нагревании химическая активность увеличивается. В результате человечество гораздо ближе знакомо с соединениями вещества, а не с ним самим.

Так, кремний образует сплавы практически со всеми металлами – силициды. Все они отличаются тугоплавкостью и твердостью и применяются на соответствующих участках: газовые турбины, нагреватели печей.

Размещается неметалл в таблице Д. И. Менделеева в 6 группе вместе с углеродом, германием, оловом, что указывает на определенную общность с этими веществами. Так, с углеродом его «роднит» способность к образованию соединений по типу органических. При этом кремний, как и германий может проявить свойства металла в некоторых химических реакциях, что используется в синтезе.

Плюсы и минусы

Как и всякое другое вещество с точки зрения применения в народном хозяйстве, кремний обладает определенными полезными или не слишком качествами. Важны они именно для определения области использования.

• Немалым достоинством вещества является его доступность. В природе он, правда, находится не в свободном виде, но все же, технология получения кремния не так уж и сложна, хотя и энергозатратна.
• Второе важнейшее достоинство – образование множества соединений с необыкновенно полезными свойствами. Это и силаны, и силициды, и диоксид, и, конечно, разнообразнейшие силикаты. Способность кремния и его соединений образовывать сложные твердые растворы практически бесконечна, что позволяет бесконечно же получать самые разные вариации стекла, камня и керамики.
• Полупроводниковые свойства неметалла обеспечивает ему место базового материала в электро- и радиотехнике.
• Неметалл является нетоксичным, что допускает применение в любой отрасли промышленности, и при этом не превращает технологический процесс в потенциально опасный.

К недостаткам материала можно отнести лишь относительную хрупкость при хорошей твердости. Кремний не используется для несущих конструкций, но зато это сочетание позволяет обрабатывать должным образом поверхность кристаллов, что важно для приборостроения.

Давайте теперь поговорим про основные свойства кремния.

Свойства и характеристики

• температура плавления – 1417 С;
• температура кипения – 2600 С;
• плотность составляет 2,33 г/куб. см, что свидетельствует о хрупкости;
• теплоемкость, как и теплопроводность не постоянны даже на самых чистых пробах: 800 Дж/(кг·К), или 0,191 кал/(г·град) и 84-126 вт/(м·К), или 0,20-0,30 кал/(см·сек·град) соответственно;
• прозрачен для длинноволнового ИК-излучения, что используется в инфракрасной оптике;
• диэлектрическая проницаемость – 1,17;
• твердость по шкале Мооса – 7.

Электрические свойства неметалла сильно зависят от примесей. В промышленности эту особенность используют, модулируя нужный тип полупроводника. При нормальной температуре кремний хрупок, но при нагревании выше 800 С возможна пластическая деформация.

Свойства аморфного кремния разительно отличаются: он сильно гигроскопичен, намного активнее вступает в реакцию даже при нормальной температуре.

• Структура и химический состав, а также свойства кремния рассмотрены в видеоролике ниже:
• Кремний существует в двух аллотропных формах, одинаково устойчивых при нормальной температуре.

• Кристаллический имеет вид темно-серого порошка. Вещество, хотя и имеет алмазоподобную кристаллическую решетку, является хрупким – из-за чересчур длинной связи между атомами. Интерес представляют его свойства полупроводника.
• При очень высоких давлениях можно получить гексагональную модификацию с плотностью 2,55 г/куб. см. Однако эта фаза практического значения пока не нашла.
• Аморфный – буро-коричневый порошок. В отличие от кристаллической формы намного активнее вступает в реакцию. Связано это не столько с инертностью первой формы, сколько с тем, что на воздухе вещество покрывается слоем диоксида.

Кроме того, необходимо учитывать и еще один тип классификации, связанный с величиной кристалла кремния, которые в совокупности образуют вещество. Кристаллическая решетка, как известно, предполагают упорядоченность не только атомов, но и структур, которые эти атомы образуют – так называемый дальний порядок. Чем он больше, тем более однородным по свойствам будет вещество.

• Монокристаллический – образец представляет собой один кристалл. Структура его максимально упорядочена, свойства однородны и хорошо предсказуемы. Именно такой материал наиболее востребован в электротехнике. Однако он же относится к самому дорогому виду, поскольку процесс его получения сложен, а скорость роста низка.
• Мультикристаллический – образец составляет некоторое количество крупных кристаллических зерен. Границы между ними формируют дополнительные дефектные уровни, что снижает производительность образца, как полупроводника и приводит к более быстрому износу. Технология выращивания мультикристалла проще, потому и материал дешевле.
• Поликристаллический – состоит из большого количества зерен, расположенных хаотически относительно друг друга. Это наиболее чистая разновидность промышленного кремния, применяется в микроэлектронике и солнечной энергетике. Довольно часто используется в качестве сырья для выращивания мульти- и монокристаллов.
• Аморфный кремний и в этой классификации занимает отдельную позицию. Здесь порядок расположения атомов удерживается только на самых коротких дистанциях. Однако в электротехнике он все же используется в виде тонких пленок.

Далее мы расскажем вам про сырье для производства кремния, вредность добычи, технологию его изготовления в мировых масштабах и в России.

Производство неметалла

Получить чистый кремний не так уж и просто, учитывая инертность его соединений и высокую температуру плавления большинства из них. В промышленности чаще всего прибегают к восстановлению углеродом из диоксида. Проводят реакцию в дуговых печах при температуре 1800 С. Таким образом получают неметалл чистотой в 99,9%, что для его применения недостаточно.

Полученный материал хлорируют с тем, чтобы получить хлориды и гидрохлориды. Затем соединения очищают всеми возможными методами от примесей и восстанавливают водородом.

Очистить вещество можно и за счет получения силицида магния. Силицид подвергают действию соляной или уксусной кислоты. Получают силан, а последний очищают различными способами – сорбционным, ректификацией и так далее. Затем силан разлагают на водород и кремний при температуре в 1000 С. В этом случае получают вещество с долей примеси 10-8–10-6%.

Для промышленности наибольший интерес представляют электрофизические характеристики неметалла. Его монокристаллическая форма является непрямозонным полупроводником. Свойства его определяются примесями, что позволяет получать кристаллы кремния с заданными свойствами. Так, добавка бора, алюминия, индия дает возможность вырастить кристалл с дырочной проводимостью, а введение фосфора или мышьяка – кристалл с электронной проводимостью.

• Кремний в буквальном смысле слова служит основой современной электротехники. Из него изготавливают транзисторы, фотоэлементы, интегральные схемы, диоды и так далее. Причем функциональность прибора определяет практически всегда только приповерхностный слой кристалла, что обуславливает весьма специфические требования именно к обработке поверхности.
• В металлургии технический кремний применяют и как модификатор сплавов – придает большую прочность, и как компонент – в бронзах, например, и как раскислитель – при производстве чугуна.
• Сверхчистый и очищенный металлургический составляют основу солнечной энергетики.
• Диоксид неметалла встречается в природе в очень разных формах. Его кристаллические разновидности – опал, агат, сердолик, аметист, горный хрусталь, нашли свое место в ювелирном деле. Не столь привлекательные внешне модификации – кремень, песок, кварц, используются и в металлургии, и в строительстве, и в радиоэлектротехнике.
• Соединение неметалла с углеродом – карбид, применяется и в металлургии, и в приборостроении, и в химической промышленности. Он является широкозональным полупроводником, отличается высокой твердостью – 7 по шкале Мооса, и прочностью, что и позволяет применять его в качестве абразивного материала.
• Силикаты – то есть, соли кремниевой кислоты. Неустойчивы, легко разлагаются под действием температуры. Примечательность их в том, что они образуют многочисленные и разнообразные соли. А вот последние являются основой при производстве стекла, керамики, фаянса, хрусталя, цемента и бетона. Можно смело сказать, что современное строительство зиждется на разнообразных силикатах.
• Стекло представляет здесь наиболее интересный случай. Основой его служат алюмосиликаты, но ничтожные примеси других веществ – обычно оксидов, придают материалу массу разных свойств, в том числе и цвет. Керамика – клинкер, фаянс, фарфор, по сути, имеет ту же формулу, хотя и с другим соотношением компонентов, и ее разнообразие тоже поразительно.
• Неметалл обладает еще одной способностью: образует соединения по типу углеродных, в виде длинной цепочки из атомов кремния. Такие соединения носят название кремнийорганических. Сфера их применения не менее известна – это силиконы, герметики, смазки и так далее.

Кремний – очень распространенный элемент и имеет необыкновенно большое значение в очень многих сферах народного хозяйства. Причем активно используется не только само вещество, но все его разнообразные и многочисленные соединения.

Данное видео расскажет о свойствах и применении кремния:

ПОИСК

    Влияние защитной оксидной пленки на внутренней поверхности труб. Особое значение для предотвращения науглероживания жаростойких сталей имеет защитная оксидная пленка, образующаяся на поверхности труб в результате химической реакции на границе раздела фаз газ — металл. К защитным пленкам относят тугоплавкие оксиды металлов.

Оксиды железа, например, имеют низкую температуру спекания, характеризуются высокой способностью к самодиффузии и диффузии элементов через них поэтому такие оксиды плохо защищают металл от разрушения.

Оксиды же хрома и кремния, наоборот, обладают очень высокими температурами плавления и спекания, а также малой диффузионной способностью, вследствие чего хорошо защищают металл. [c.170]     За рубежом жаростойкие стали для печных труб, содержащие хром и кремний, успешно применяют в течение нескольких лет при жестких режимах эксплуатации. [c.

171]

    При низком легировании хромом, кобальтом, кремнием и алюминием (рис. 75), которые повышают температуру появления в окалине вюстита, возрастает жаростойкость стали. Ниже приведены [c.115]

    К этим элементам в первую очередь относятся хром, кремний и алюминий. Хром в жаростойкие стали входит в большом . ..

количестве (12—30%), но широко применяется ив теплоустойчивых сталях, например, хромомолибденовых (1—6%), так как сильно повышает окалиностойкость стали.

Кремний (до 3%) и алюминий (до 7,5%) обычно применяют в сложных сталях для повышения их жароупорности. [c.349]

    Кремний оказывает благоприятное влияние на коррозионную стойкость жаростойких сталей в атмосфере сероводорода. [c.19]

    Для изготовления аппаратуры, подвергающейся действию коррозионноактивных газов, применяют жаростойкие сплавы. Для придания жаростойкости стали и чугуну в их состав вводят хром, кремний, алюминий применяются также сплавы на основе никеля или кобальта.

Защита от газовой коррозии осуществляется, кроме того, насыщением в горячем состоянии поверхпости изделия некоторыми металлами, обладающими защитным действием. К, таким металлам принадлежат алюминий и хром. Защитное действие этих металлов обусловлено образование.

м на их поверхносги [c.554]

    Кремний повышает кислотостойкость и жаростойкость стали, однако присадка кремния в количестве более 0,4% ухудшает свариваемость стали и понижает прочность сварного шва. [c.23]

    Для повышения жаростойкости сталей их легируют хромом, алюминием и кремнием (см. рис. 6). [c.29]

    Наиболее широкое применение в качестве жаростойких сталей нашли хромистые стали. Защитные свойства хрома по отношению к газовой коррозии при температуре 1000°, как это видно из рис.

66, заметно появляются при содержании в сплаве не менее 15% Сг прй 18% Сг сплав практически устойчив при этой температуре. При более высоком содержании хрома (до 25%) хромистые стали устойчивы до 1100°.

Предельные рабочие температуры для хромистых сталей в значительной степени изменяются в зависимости от содержании кремния и алюминия и в меньшей степени от содержания углерода. [c.126]

    Добавка алюминия или кремния в сталь, не содержащую других легирующих компонентов, значительно повышает жаростойкость этого сплава, однако, механические качества его [c.26]

    Добавки кремния к простой углеродистой стали (в пределах растворимости кремния в железе в твердом состоянии) повышают жаростойкость стали (до 800—850°), а также коррозионную стойкость в ряде кислот (азотной, соляной). [c.159]

    Для изготовления аппаратуры, подвергающейся действию коррозионноактивных газов, применяют жаростойкие сплавы. Для придания жаростойкости стали и чугуну в их состав вводят хром, кремний, алюминий применяются также сплавы на основе никеля или кобальта. Защита от газовой коррозии осуществляется, кроме того, насыщением в горячем состоянии поверхности изделия некоторыми металлами, обладающими защитным действием.

К таким металлам принадлежат алюминий и хром. Защитное действие этих металлов обусловлено образованием на их поверхности весьма тонкой, но прочной оксидной пленки, препятствующей взаимодействию металла с окружающей средой. В случае алюминия этот метод носит название алитирования, в случае хрома—термохромирования. [c.548]

    Повышение жаростойкости стали достигается в основном введением в сталь хрома, алюминия и кремния. [c.14]

    Обычно в состав жаростойких сталей вводятся такие легирующие элементы, как кремний, алюминий, хром и др. в состав жаропрочных сталей вводятся молибден, вольфрам, ванадий, кобальт, никель, хром и др. [c.80]

    Жаростойкие стали и сплавы характеризуются образованием на их поверхности защитных пленок окислов, которые защищают металл от разрушения.

Сопротивление окислению при высоких температурах зависит от химического состава сталей и сплавов, стойкости защитных пленок окислов и характера среды, в которой происходит окисление. Установлено, что хром сообщает стали высокую сопротивляемость окислению.

При наличии в стали до 12% хрома она обладает жаростойкостью до температуры 700—750°. При содержании хрома до 17% жаростойкость возрастает до 850—900°, а при содержании хрома до 25% —до 1100°.

Помимо хрома, на увеличение жаростойкости стали влияют кремний, алюминий и бериллий, поэтому в состав жаростойких сталей и сплавов вводятся хром, кремний, алюминий и другие элементы в определенных количествах, определяющих, их жаростойкость. [c.225]

    Жаростойкие стали — хромо-никелевые и хромо-никель-кремни-стые — наряду с высокой жароупорностью обладают также хорошей кислотостойкостью. [c.57]

    Влияние кремния на жаростойкость стали 18-8 [c.691]

    На повышение жаростойкости стали оказывают влияние кремний, алюминий и другие элементы, добавляемые к стали в определенных количествах. [c.199]

    Кремний оказывает благоприятное влияние на коррозионную стойкость жаростойких сталей в атмосфере сероводорода. Наилучшей стойкостью при 1000° С обладают ферритные стали, содержащие 25—30% Сг с добавкой 3—5% 81. [c.155]

    На рис. 154 было показано влияние кремния на жаростойкость стали с 6% Сг при 800— [c.237]

    Жаростойкость стали в окислительной газовой атмосфере значительно повышается при введении главным образом хрома, алюминия и кремния. [c.215]

    Особая роль защитных свойств, которыми обладают оксидные пленки, образуемые крбмнием, подчеркивается во многих исследованиях. Экспериментально найдено пороговое значение степени легирования стали кремнием.

Стали, содержащие 1,7% Кремния и более, дают стойкие нленки, которые существенно повышают сопротивляемость металла науглероживанию. Так, для жаростойкой стали 20Х25Н20С2 оптимальная степень легирования кремнием составляет 2,4—2,65% 51.

Трубы из такой стали с чистотой обработки поверхности VI—8 классов показали очень высокую стойкость к воздействию углерода. [c.171]

    Основными способами защиты от газовой коррозии являются легирование металлов, создание защитных покрытий и замена агрессивной газовой среды. Для изготовления аппаратуры, подвергающейся действию коррозионно-активных газов, применяют жаростойкие сплавы.

Для придания жаростойкости стали и чугуну в их состав вводят хром, кремний, алюминий применяются также сплавы на основе никеля или кобальта. Защита от газовой коррозии осуществляется, кроме того, насыщением в горячем состоянии поверхности изделия некоторыми металлами, обладающими защитным действием.

К таким металлам принадлежат алюминий и хром. Защитное действие этих металлов обусловлено образованием на их поверхности весьма тонкой, но прочной оксидной пленки, препятствующей взаимодействию металла с окружающей средой. В случае алюминия этот метод носит название алитирования, в случае хрома — термохромирования.

Для защиты используют и неметаллические покрытия, изготовленные из керамических и керамико-металлических (керметы) материалов. [c.687]

    ЖАРОСТОЙКАЯ СТАЛЬ — сталь, отличаюЕцаяся жаростойкостью. Стойка против интенсивного окисления на воздухе или в других газовых средах при т-ре выше 550° С. Используется с конца 19 в. Жаростойкость обусловлена наличием на поверхности Ж. с. плотной и тонкой пленки окислов, достаточно прочно сцепленной с осн. металлом.

Пленка состоит преим. из окислов легирующих элементов — хрома, кремния и алюминия, термодинамически более стойких, чем окислы железа. Содержание этих элементов определяет класс Ж. с. (табл. 1). Хром, являясь осн. легирующим элементом Ж. с., повышает жаростойкость пропорционально увеличению его содержания (рис.).

Никель способствует образованию аустенитной структуры (см. Аустенит). Стали с такой структурой легче обрабатывать, они отличаются хорошими мех. св-вами. Добавки кремния (более 2%) и алюминия (более 0,5%) ухудшают мех. св-ва стали.

Титан, ниобий и тантал связывают углерод в карбиды, предотвращая выделение карбидов хрома, которое обедняет близлежащую металлическую основу хромом и приводит к уменьшению жаростойкости. Молибден и вольфрам (в небольших количествах) незначительно повышают жаростойкость, но уменьшают склонность стали к ползучести при высокой т-ре.

Если молибдена содержится более 3—4%, жаростойкость стали резко ухудшается из-за образования нестойких и рыхлых его окислов. Церий и бе- [c.420]

    Понижение механических свойств при высоких температурах )бъясняется структурными и фазовыми превращениями, происходящими в металле, в связи с чем для работы аппаратов при высоких температурах требуются специально жаропрочные сорта стали с достаточно высокой механической прочностью при повышенных температурах, в частности с высоким сопротивлением ползучести. Наряду с жаропрочностью металлы, работающие при высоких температурах, должны обладать жаростойкостью —способностью сопротивления химическому разрушению поверхности под действием горячих газов или воздуха. Обычно в состав жаростойких сталей вводят легирующие элементы — кремний, алюминий, хром и др.,в состав жаропрочных сталей — молибден, вольфрам, ванадий, хром, никель, кобальт и др. [c.10]

    Жаростойкие стали применяются в оборудовании по переработке нефти (печи для нагрева сырой нефти, промежуточных продуктов каталитического дегидрирования или установки изомеризации, обессеривания и получения водорода, в нефтехимии) и для высокотемпературных химических производств.

Получение этилена из насыщенных низших углеводородов требует температур от 650° до 800° С, а для производства его из тяжелых углеводородов путем разложения их перегретым паром (930° С) необходима температура 670° С.

Получение водорода из насыщенных углеводородов или из природного газа путем каталитического разложения водяным паром протекает при температуре между 750° и 980° С. Для этих температур применяются хромоникелевые стали 25-12, а для еще более высоких (до 1000° С)—стали 25-20. Иногда наблюдаются повреждения от выделений о-фазы, происходящих в пределах 600°—780° С.

Так как образование этой фазы устраняется благодаря добавкам никеля, марганца, азота и углерода, то литейные сплавы (например 25—20) с повышенным содержанием углерода менее подвержены коррозии. Прокатные стали с содержанием никеля 25% нечувствительны также и в области температуры обра-зования о-фазы.

Присутствие кремния (2,5%) в хромоникелевой стали 25-20 (AISI 314) благоприятствует образованию о-фазы (по сравнению со сталью AISI310, не содержащей кремния), и в области ускоренного ее образования (700—780° С) ведет к повреждениям, которые не наблюдаются при высоких рабочих температурах [470]. [c.172]

    Газовым путем возможно осуществить диффузионное покрытие стали одновременно хромом и алюминием (хромоалитирование), а также хромом и кремнием (хромосилицирование). Жаростойкость стали повышается до 1000°. На рис. 102 изображена схема установки для газового хромоалитирования. [c.160]

    Жаростойкость (окалиностойкость) — свойство металлического материала противостоять коррозионному воздействию горячего газа или воздуха при высокой температуре (600—1200°).

Жаростойкие стали и чугуны характерны тем, что они содержат легируюш,ие элементы хром, кремний, алюминий, которые способствуют созданию при высоких температурах на поверхности изделий плотной, прочно прилегающей к металлу пленки окислов. [c.76]

    Жаропрочные и жаростойкие стали — сложнолегированные стали, обладающие значительным сопротивлением пластич. деформации и разрушению нри высоких темп-рах (ж а р о п р о ч-11 о с т ь) и стойкие против газовой коррозии в этих условиях (жаростойкость).

В большинстве случаев к этим сталям, работающим при высоких темп-рах, предъявляются одновременно требования жаропрочности и жаростойкости.

Для создания жаростойкости необходимо легировать сталь такими элементами, к-рые нри высоких темп-рах окисляются энергичнее, чем железо, и образуют при этом плотные защитные пленки окислов. Такими элементами являются хром, кремний, алюминий и никель.

Количество хрома в жаростойкой стали в значительной мере определяет максимальную темп-ру, при к-рой она может работать без интенсивного окисления. Так, напр., сталь, содержащая 1% Si и 15% Сг, жаростойка [c.16]

    В горячем воздухе и в печных газах благоприятное влияние кремния в указанных выше пределах в присутствии хрома примерно в семь раз сильнее влияния хрома. Иначе говоря, если содержание кремния в 5 /о хромистой стали равно 17о то жаростойкость ее будет подобна жаростойкости стали с 127о Сг. [c.696]

    Типичными жаростойкими сталями, в пределах температур 1000—1100°С ярляются высокохромистые кислотоупорные стали марок Х25 и Х28. Сталь марки Х25 с содержанием 0,20% углерода, 1,0% кремния, и 23,0—27% хрома применяется для изгстовл ния аппаратуры, работающей в условиях воздействия фосфорной кислоты с концентрацией до 70%, в горячей уксусной кислоте, органических кислотах и др.

Арматура из стали марки Х28 с содержанием хрома до 30% может работать в уело иях воздействия фосфорной кислоты с концентрацией до 75%, горячей уксусной кислоты с концентрацией до 50% и растворсв гипохлорита натрия. Ввиду высокого содержа) ия хрома стали марск Х25 и Х28 обладают большой хрупкостью и должны быть использованы в условиях отсутствия ударной нагрузки. [c.

199]

    Кремний, как и алюминий, повышает окалиностой-кость стали и ухудшает ее механические свойства. В небольших количествах кремний вводят в железохромистые и хромоникелевые стали для повышения их жаростойкости и жаропрочности.

Хромистые жаростойкие стали некоторых марок одновре- дни/мм менно содержат небольшие количества алюминия и кремния. Легирование кремнием обычно производят в количестве не больше 3,5%, так как сталь с высоким содержанием кремния трудно обрабатывается.

 [c.216]

Легирование стали: влияние углерода, марганца и кремния

Углерод является главным упрочняющим элементом во всех сталях, кроме аустенитных нержавеющих сталей и некоторых других высоколегированных сталей. Упрочняющий эффект углерода состоит из упрочнения твердым раствором и упрочнения за счет дисперсного выделения карбидов. С увеличением содержания углерода в стали ее прочность увеличивается, но пластичность и свариваемость снижается.

Углерод имеет умеренную тенденцию к макросегрегации в ходе кристаллизации. Макросегрегация углерода обычно проявляется более значительно, чем у всех других легирующих элементов. Углерод имеет сильную тенденцию сегрегировать на дефектах в сталях, таких как границы зерен и дислокации. Карбидообразующие элементы могут взаимодействовать с углеродом и образовывать «легированные» карбиды.

Влияние марганца на свойства сталей

Марганец присутствует практически во всех сталях в количестве от 0,30 % и более. Марганец применяют для удаления из стали кислорода и серы. Он имеет меньшую тенденцию к сегрегации, чем любой другой легирующий элемент.

Марганец благоприятно влияет на качество поверхности во всем диапазоне содержания углерода, за исключением сталей с очень низким содержанием углерода, а также снижает риск красноломкости.

Марганец благоприятно влияет на ковкость и свариваемость сталей.

Марганец не образует своего карбида, а только растворяется в цементите и образует в сталях легированный цементит. Марганец способствует образованию аустенита и поэтому расширяет аустенитную область диаграммы состояния.

Большое содержание марганца (более 2 %) приводит к возрастанию тенденции к растрескиванию и короблению при закалке.

Присутствие в сталях марганца поощряет такие примеси как фосфор, олово, сурьма и мышьяк сегрегировать к границам зерен с возникновением отпускной хрупкости.

Вредные примеси в стали, которые ухудшают ее свойства

Давайте разберемся, какие вредные примеси содержатся в стали. Основными являются фосфор и сера.

  Сталь 20ЮЧ – расшифровка, свойства, состав

Сера (S) содержится в сталях высокого качества в количестве не более 0,02–0,03 %. Для металла общего назначения этот показатель повышается до 0,03–0,04 %. С помощью спецобработки количество серы уменьшается до 0,005 %.

Растворения серы в железе не происходит, а образуется FeS (сульфид железа). Он входит в эвтектику, образующуюся при температуре +988 °С.

При высоком содержании серы сталь становится красноломкой. Это происходит из-за появления на границах зерен сульфидных эвтектик, имеющих низкую способность к плавке. Красноломкость появляется при температуре красного каления стали – +800 °С.

Плохое влияние сера оказывает на свариваемость, пластичность, ударную вязкость, а также поверхность металла. Это особенно заметно, если марганец и углерод содержатся лишь в небольших количествах.

Склонность к сегрегации на границах зерен у серы значительна. По этой причине в ходе нагрева пластичность стали падает. Если металл предназначен для дальнейшей обработки автоматическим механическим способом, то в состав обязательно добавляют серу в количестве от 0,08 % до 0,33 %, так как она способствует возрастанию у подшипниковых сталей усталостной прочности.

Марганец же снижает вредное воздействие серы на сталь. При жидком состоянии сплава он вступает в реакцию с образованием сульфида марганца, температура плавления которого составляет +1620 °С. Она значительно превышает температуру горячей обработки металла (от +800 °С до +1200 °С). При таком нагреве сульфиды марганца достаточно пластичны и просто деформируются.

Сегрегация фосфора (Р) в значительно меньшей, чем серы и углерода, степени происходит в ходе затвердевания сталей. Идет его растворение в феррите, из-за чего прочность металла увеличивается. Чем больший процент фосфора содержит сталь, тем выше ее хладноломкость и ниже ударная вязкость, пластичность.

Высокая температура среды позволяет достичь растворимости фосфора в пределах 1,2 %. Чем ниже становится температура, тем меньше растворимость фосфора. Она постепенно опускается до 0,02–0,03 %. Именно такое содержание данного химического элемента наблюдается в сталях. Это может говорить о том, что он, как правило, полностью растворяется в альфа-железе.

Отпускная хрупкость хромистых, хромоникелевых и хромомарганцевых, марганцевых и магниево-кремниевых легированных сталей во многом зависит от сегрегации фосфора по границам зерен. Элемент способствует замедлению распада мартенсита и повышает упрочняемость.

С целью улучшения механической (автоматической) обработки в низколегированные стали добавляют большое содержание фосфора.

При наличии углерода в количестве 0,1 % в конструкционной низколегированной стали фосфор должен увеличивать антикоррозийные свойства, а также прочность металла.

Наличие фосфора в хромоникелевых аустеничных сталях приводит к увеличению предела текучести. При попадании аустеничной нержавеющей стали в среду сильного окислителя присутствие в ее составе фосфора вызывает коррозию на границах зерен. Такое поведение предопределено сегрегацией фосфора на этих границах.

Влияние кремния на свойства сталей

Кремний является одним из основных раскислителей, которые применяют при выплавке сталей. Поэтому содержание кремния задает тип произведенной стали. Спокойные углеродистые стали могут содержать кремния до максимум 0,60 %. Полуспокойные стали могут содержать умеренные количества кремния, например, 0,10 %.

Кремний полностью растворяется в феррите при содержании кремния до 0,30 %. Он увеличивает прочность феррита, почти не снижая его пластичности. При содержании кремния выше 0,40 % в углеродистой стали общего назначения происходит существенное снижение пластичности.

В комбинации с марганцем или молибденом кремний обеспечивает более высокую закаливаемость стали. Добавление кремния в хромоникелевые аустенитные стали повышает их стойкость к коррозии под напряжением.

В термически упрочняемых сталях кремний является важным легирующим элементом, повышает способность сталей к термическому упрочнению и их износостойкость, увеличивает предел упругости и предел текучести. Кремний не образует карбидов и не содержит цементита или других карбидов.

Он растворяется в мартенсите и замедляет распад легированного мартенсита до 300 °С.

Источник: Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies, ed. G. E. Totten, 2006

Как влияют примеси (марганец, кремний, сера, фосфор) на свойства стали?

Стали являются наиболее распространенными материалами. Обладают хорошими технологическими свойствами. Изделия получают в результате обработки давлением и резанием.

Достоинством является возможность, получать нужный комплекс свойств, изменяя состав и вид обработки. Стали, подразделяют на углеродистые и легированные.

Влияние углерода и примесей на свойства сталей

Углеродистые стали являются основными. Их свойства определяются количеством углерода и содержанием примесей, которые взаимодействуют с железом и углеродом.

Влияние углерода.

С ростом содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита, при одновременном снижении доли феррита. Изменение соотношения между составляющими приводит к уменьшению пластичности, а также к повышению прочности и твердости. Прочность повышается до содержания углерода около 1%,

а затем она уменьшается, так как образуется грубая сетка цементита вторичного.

Углерод влияет на вязкие свойства. Увеличение содержания углерода повышает порог хладоломкости и снижает ударную вязкость.

Повышаются электросопротивление и коэрцитивная сила, снижаются магнитная проницаемость и плотность магнитной индукции.

Углерод оказывает влияние и на технологические свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (используются стали с содержанием углерода до 0,4 %), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Следует учитывать, что стали с низким содержанием углерода также плохо обрабатываются резанием.

  Ткацкий станок с бердом ТКАЧЕСТВО (Код: )

Влияние примесей.

В сталях всегда присутствуют примеси, которые делятся на четыре группы. 1.Постоянные примеси

• : кремний, марганец, сера, фосфор.
• Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями.
• Содержание марганца не превышает 0,5…0,8 %.
• Марганец повышает прочность, не снижая пластичности, и резко снижает красноломкость стали, вызванную влиянием серы. Он способствует уменьшению содержания сульфида железаFeS , так как образует с серой соединение сульфид марганца
• MnS

. Частицы сульфида марганца располагаются в виде отдельных включений, которые деформируются и оказываются вытянутыми вдоль направления прокатки.

Содержание кремния не превышает 0,35…0,4 %.

Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний растворяется в феррите и повышает прочность стали, особенно повышается предел текучести, . Но наблюдается некоторое снижение пластичности, что снижает способность стали к вытяжке

1. Содержание фосфора в стали 0,025…0,045 %.
2. Фосфор, растворяясь в феррите, искажает кристаллическую решетку и увеличивает предел прочности и предел текучести , но снижает пластичность и вязкость.
3. Располагаясь вблизи зерен, увел
4. ичивает температуру перехода в хрупкое состояние, вызывает хладоломкость, уменьшает работу распространения трещин, Повышение содержания фосфора на каждую 0,01 %

повышает порог хладоломкости на20…25oС. Фосфор обладает склонностью к ликвации, поэтому в центре слитка отдельные участки имеют резко пониженную вязкость.

• Для некоторых сталей возможно увеличение содержания фосфора до 0,10…0,15 %,
• для улучшения обрабатываемости резанием.
• S

– уменьшается пластичность, свариваемость и коррозионная стойкость. Р–искажает кристаллическую решетку.

1. Содержание серы в сталях составляет 0,025…0,06 %.
2. Сера – вредная примесь, попадает в сталь из чугуна. При взаимодействии с железом образует химическое соединение – сульфид серыFeS , которое, в свою очередь, образует с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления
3. 988oС.
4. красноломкости
5. Красноломкость –
6. повышение хрупкости при высоких температурах

При нагреве под прокатку или ковку эвтектика плавится, нарушаются связи между зернами. При деформации в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины, заготовка разрушается – явление .

Сера снижает механические свойства, особенно ударную вязкость а и пластичность ( и ), а так же предел выносливости. Она ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость.

• 2. Скрытые примеси
• — газы (азот, кислород, водород) – попадают в сталь при выплавке.
• Азот и кислород находятся в стали в виде хрупких неметаллических включений: окислов (FeO, SiO2, Al2O3
• ) нитридов (Fe 2N ), в виде твердого раствора или в свободном состоянии, располагаясь в дефектах (раковинах, трещинах).
• Примеси внедрения (азот N

, кислородО ) повышают порог хладоломкости и снижают сопротивление хрупкому разрушению. Неметаллические включения (окислы, нитриды), являясь концентраторами напряжений, могут значительно понизить предел выносливости и вязкость.

Очень вредным является растворенный в стали водород, который значительно охрупчивает сталь. Он приводит к образованию в катанных заготовках и поковках флокенов.

1. Флокены
2. – тонкие трещины овальной или округлой формы, имеющие в изломе вид пятен – хлопьев серебристого цвета.
3. Металл с флокенами нельзя использовать в промышленности, при сварке образуются холодные трещины в наплавленном и основном металле.
4. Если водород находится в поверхностном слое, то он удаляется в результате нагрева при 150…180

, лучше в вакууме мм рт. ст.

Для удаления скрытых примесей используют вакуумирование.

3. Специальные примеси

– специально вводятся в сталь для получения заданных свойств. Примеси называются легирующими элементами, а стали — легированные сталями.

2. Что называется улучшением стали? Почему этот вид термической обработки широко применяетс

я для ответственных высоконагруженных деталей? Опишите структуру и свойства стали после улучшения.

Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при температурах 550-680 °С. Сталь при этом приобретает структуру сорбита (сорбит отпуска). Твердость закаленной стали снижается до 250-350 НВ, прочность уменьшается в 1,5-2 раза, пластичность и вязкость увеличиваются в несколько раз, внутренние напряжения полностью снимаются. Закалка с высоким отпуском называется улучшением.

Улучшенная сталь по сравнению с отожженной или нормализованной имеет более высокие показатели прочности, пластичности и вязкости. Улучшению подвергают изделия из конструкционных сталей марок 40, 45, 40Х, 40ХНМ, 40ХМФ и др. (полуоси, коленчатые валы, шатуны, поворотные кулаки, рычаги, балки передних осей грузовых автомобилей, а также болты, гайки, винты и др.

), испытывающие большие нагрузки.

В зависимости от температуры отпуска различают низко- (низкий), средне- (средний) и высокотемпературный (высокий) виды отпуска.

Закалка на мартенсит с последующим высоким отпуском называется улучшением сталей.

Улучшение обеспечивает хороший комплекс свойств (прочность, ударная вязкость, твердость) и применяется для ответственных изделий из среднеуглеродистых сталей (коленчатые валы, шатуны и другие детали).

Улучшаемые стали.

Стали, подвергаемые термическому улучшению, широко применяют для изготовления различных деталей, работающих в сложных напряженных условиях ( при действии разнообразных нагрузок, в том числе переменных и динамических). Стали приобретают структуру сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки. Важное значение имеет сопротивление хрупкому разрушению.

Улучшению подвергаются среднеуглеродистые стали с содержанием углерода 0,30…0,50 %.

Улучшаемые углеродистые стали

35, 40, 45 дешевы, из них изготавливают детали, испытывающие небольшие напряжения (сталь 35), и детали, требующие повышенной прочности (стали 40, 45). Но термическое улучшение этих сталей обеспечивает высокий комплекс механических свойств только в деталях небольшого сечения, так как стали обладают низкой прокаливаемостью. Стали этой группы можно использовать и в нормализованном состоянии.

Детали, требующие высокой поверхностной твердости при вязкой сердцевине (зубчатые колеса, валы, оси, втулки), подвергаются поверхностной закалке токами высокой частоты. Для снятия напряжений проводят низкий отпуск.

1

( 2 оценки, среднее 4.5 из 5 )