Значение углерода в металлургии

 Определение углерода в металлах / П. Я. Яковлев, Е. Ф. Яковлева, А. И. Оржеховская. - Москва : Металлургия, 1972.

Яковлев Павел Яковлевич

Углерод является одним из важнейших компонентов чугунов, сталей и сплавов. Значение углерода в металлургическом производстве огромно. Он решающим образом влияет на качество металла при производстве стали. Так, например, в процессе выплавки стали растворенный в жидкой стали углерод, обладая большим сродством к кислороду, реагирует с ним активнее, чем железо, и поэтому в основном определяет усвоение кислорода сталью.

Важное значение углерода при производстве стали объясняется еще и тем, что он при взаимодействии с кислородом образует окись углерода, которая вызывает в жидкой стальной ванне «кипение» металла. «Кипение» металла ускоряет распределение тепла и одновременно способствует тесному соприкосновению жидкой стали с жидким шлаком, что крайне необходимо для обесфосфоривания, обессеривания, распределения марганца и протекания других процессов, а также и для успешного выгорания самого углерода. Так как окись углерода нерастворима в твердом железе в противоположность другим газам, особенно водороду, при затвердевании газообразные продукты реакции вместе с окисью углерода практически полностью удаляются из железа и почти не оказывают вредного влияния при последующей его обработке.

Углерод очень сильно влияет на физико-химические свойства стали даже при незначительном изменении его содержания. Количество, состав, форма, степень дисперсности карбидных частиц, их распределение и связь с твердым раствором определяют важнейшие физико-химические и механические свойства стали. Поэтому при малом содержании всех прочих возможных примесей основным элементом, который определяет свойства железного сплава, является углерод. С изменением содержания углерода изменяется структура стали и сплавов. Например, увеличение содержания углерода в стали до 0,8% приводит к образованию чистой перлитной стали, а при содержании 1% С и более, кроме перлита, в структуре появляется вторичный цементит. Увеличение содержания углерода в стали ведет к повышению ее прочности и понижению пластичности. Вместе с другими легирующими элементами углерод может повысить прочность железа с 20 до 100 кГ/мм2, а в сочетании с термообработкой— до 220 и даже до 500 кГ/мм2. Известно, что увеличение содержания углерода в жаропрочных сталях ускоряет процессы коагуляции карбидной фазы и процессы перераспределения легирующих элементов между твердым раствором и карбидами. Легирование стали карбидообразующими элементами регулируется содержанием углерода. Считают, что оптимальное отношение V/C в сталях, легированных Сг, Мо и V, отвечает величине 3,18, а отношение V/C>3,7 уже приводит к уменьшению прочностных характеристик стали в результате выделения более крупных частиц карбида ванадия (VC). В то же время установлено, что максимальная жаропрочность достигается в том случае, когда весь ванадий связан с углеродом в карбид типа VC, что соответствует соотношению V/C =4.

Наряду с никелем и азотом углерод является эффективным стабилизатором аустенита. В ряде сталей по возможности частично или полностью дефицитный никель заменяется углеродом в сочетании с азотом.

Авторы работы [Akadzawa Iiti. J. Iron and Steel Inst. Japan, 1962], исследуя влияние углерода на структурное твердение никельмолибденовой стали, установили, что с увеличением содержания углерода начиная с 0,2% возрастает твердость этой стали после закалки и достигается максимальная твердость при отпуске. С добавлением углерода увеличивается прочность на разрыв после дисперсного твердения и уменьшается хрупкость. Высокая твердость при отпуске данной стали обусловлена выделением карбида типа Мо2С. Следовательно, особо важная роль углерода в металлургии как легирующего элемента проявляется на структурных, механических, прочностных и других свойствах чугунов, различных сталей, сплавов и чистых металлов. В ряде случаев углерод может являться одной из наиболее вредных примесей, ухудшающей механические свойства чистых металлов. Так, например, небольшому увеличению содержания углерода (в пределах до 0,5%) в металлическом титане соответствует весьма существенное изменение сопротивления на разрыв титана.

Однако роль углерода в сталях и сплавах до конца еще не раскрыта и новые данные о его поведении в металлах помогут металлургам решить проблему углерода, а следовательно, повысить качество металла.

Большое значение в этой проблеме отводится аналитической химии углерода. Отдельные вопросы этой проблемы касаются исследования основных методов определения углерода и тех путей, которые будут способствовать их дальнейшему усовершенствованию, а также разработке новых, более точных методов его определения. Известно, что производство чугуна и стали намного превосходит производство всех других металлов, вместе взятых, причем их разнообразие по маркам, в том числе по содержанию углерода, достаточно велико. Содержание углерода в указанных материалах находится в пределах от нескольких процентов (чугуны, углеродистый ферромарганец и феррохром) до десятых и сотых долей процента. Необходимость точного определения углерода возрастает и для сплавов на основе других металлов хрома, никеля, молибдена, титана и т. д., а также для различных чистых и высокочистых металлов, в которых содержание углерода не превышает тысячных и менее долей процента.

Учитывая, что углерод зачастую определяет весьма важные свойства металла, точный химико-аналитический контроль его содержания приобретает особо важное значение как по ходу плавки, так и в готовом металле.

Углерод является одной из составных частей карбидов, особенно переходных металлов, которые обладают ценными свойствами (высокая температура плавления, твердость и химическая стойкость, большие электропроводность и теплопроводность). Характерной для таких карбидов является их способность переходить в сверхпроводящее состояние при высоких температурах. Карбиды переходных металлов используются в качестве компонентов твердых сплавов, в ядерной энергетике, в материалах авиационной, ракетной техники и радиотехнического назначения. В связи с этим разработка новых методов определения различных видов углерода в карбидах и в металлах является также одним из важных и еще не решенных вопросов.

426006, Россия, Удмуртская Республика, город Ижевск
ул. Телегина, д.30, телефон/факс +7 (3412) 655-020
бухгалтерия: +7(3412)655-111(+180)
e-mail: office@eksan.ru

© 2019 eksan.ru All rights reserved

При копировании материалов - обязательна активная ссылка на сайт eksan.ru
Статьи