Сульфиды в стали

Главной причиной присутствия марганца во всех сталях является контроль проблем с серой.

Сера присутствует как примесь во всех сталях. Она обладает двумя уникальными свойствами, которые приводят к охрупчиванию стали даже, если содержание серы в железе очень мало:
1) Растворимость серы как в аустенитном железе, и в ферритном железе чрезвычайно мала – практически нулевая.
2) Сера образует химическое соединение с железом – сульфид железа (FeS), которое плавится при температуре 1190 °С.

Сульфид железа – причина горячеломкости стали

Как эти два свойства в комбинации приводят к проблеме охрупчивания стали?Рассмотрим сталь с содержанием серы как примеси в количестве всего лишь 0,04 % по весу. Поскольку растворимость серы в зернах железа – и аустенита, и феррита – равна практически нулю, вся сера будет присутствовать в виде сульфида железа при любой температуре. Поскольку температура горячей прокатки и ковки стали часто выше 1190 °С, то сульфид железа будет присутствовать при этих температурах как жидкость. Поскольку содержание серы в стали очень мало – всего 0,04 %, то, казалось бы, такое малое количество жидкости не будет оказывать никакого влияния на горячую обработку стали.

Жидкий сульфид железа

Однако есть одно физическое явление, которое меняет всю картину – смачиваемость. Представим себе маленький шарик жидкого сульфида железа, который лежит на границе зерна в стали при температуре ее горячей обработки. В капле жидкого сульфида железа при контакте ее с твердой поверхностью границы зерен возникает сила поверхностного натяжения. Эта сила заставляет расплавленный сульфид железа смачивать границы аустенитных зерен. Сульфид железа буквально затягивается в «щели» между зернами – границы зерен – в виде тонкой жидкой пленки. Это сводит прочность стали по границам зерен на нет.

Поскольку толщина этой жидкой пленки очень мала, то даже очень малого количества сульфида железа хватает, чтобы поразить большую часть границ зерен стали. Это приводит к тому, что сталь хрупко разрушается по этим границам зерен при горячей прокатке или ковке. Такое охрупчивание, которое происходит при деформировании стли при высоких температурах называется горячеломкостью. Еще одна примесь стали – фосфор – также может приводить к охрупчиванию, но, в отличие от серы, только при большом его содержании в стали.

Сульфид марганца вместо сульфида железа

Роль марганца в борьбе с горячеломкостью сталей заключается в следующем. Подобно железу, марганец образует с серой химическое соединение – сульфид марганца. Он имеет химическую формулу MnS и плавится при температуре на много выше, чем сульфид железа – при 1655 °С. В реальных сталях, в которых обязательно присутствуют и железо, и марганец, этот сульфид имеет формулу (MnFe)S. Его температура плавления ниже, чем у сульфида марганца, но все-таки выше, чем температуры горячей прокатки и ковки сталей. Благодаря этому, проблема горячеломкости в сталях снимается. Эти сульфиды обычно называют сульфидами марганца, хотя часто они содержат значительное количество железа.

Сульфидные включения в стали

Хотя добавки марганца снимают проблему горячеломкости, присутствие этих частиц, которые называют включениями, часто могут приводить к проблеме охрупчивания при обработке стали при комнатной температуре. Поскольку сульфидные включения при температуре горячей обработки часто являются вполне пластичными, то в результате такой обработки они удлиняются в строчки, как это показано на рисунке 1.

sulfidy-staliРисунок 1 – Строчки сульфидов в стали (исходное увеличение 230х).
Темные ромбики – следы измерения твердости.

Такие сульфиды приводят к различной степени охрупчивания стали в листах и прутках в зависимости от направления прилагаемой нагрузки.

Этот тип охрупчивания часто приводит к проблемам с разрушением изделий из стальных листов. На рисунке 2 показаны сульфидные включения, удлиненные в направлении прокатки стального листа. Показаны также различные ориентации образцов Шарпи для определения ударной вязкости.

stalnoy-list-sulfidyРисунок 2 – Ориентация продольных и поперечных образцов Шарпи
в стальном листе со строчечными сульфидными включениями.

Понятно, что включения будут намного сильнее способствовать образованию трещин в поперечных образцах, в которых они лежат вдоль всего V-образного надреза, чем в продольных образцах, в которых включения пересекают надрез только в одной точке. Различие в величине ударной энергии при разрушении образцов стали в различных направлениях может различаться значительно: например, 60 Дж в продольном направлении и 20 Дж – в поперечном.

Источник: John D. Verhoeven, Steel Metallurgy for Non-Metallurgists, 2007