Rollen af grundstoffer i støbninger og rækkefølgen for deres tilsætning

I støbningsproduktionsprocessen tilføjer vi legeringselementer for at justere de kemiske elementer til det krævede område. Mængden af hvert element, der tilføjes støbningen, samt tidspunktet og rækkefølgen for tilsætningen påvirker støbningens kvalitet. Vi forsøger at analysere flere almindeligt anvendte elementer:

I. Hver enkelt elements rolle og principperne for tilsætning

(1) Kulstof (C)

Funktion:

Matrixforstærkning: C er det centrale fastopløsningsforstærkende element i stål og danner cementit (Fe₃C) med jern for at forbedre hårdhed og styrke.

Stivningskontrol: Et højt C-indhold nedsætter smeltens flydighed og øger krympningstendensen.

Tilføjelsesprincippet: Indholdet skal justeres i henhold til den ønskede ydelse (generelt styret ved 0,15 %–0,3 % i lavlegeret stål).

For højt risiko: Når C > 0,5 %, falder materiallets slagsejhed betydeligt, og svejseegenskaberne forringes.

(2) Silicium (Si)

Funktion:

Afbrændingsmiddel: Reagerer foretrukket med O for at danne SiO₂ og rense smeltet stål.

Fastopløsningsstyrkeforøgelse: Løser sig i ferrit og øger styrken (trækstyrken stiger ca. 4 MPa pr. 0,1 % Si-stigning).

Tilføjelsesprincippet: Tilføjes i den senere fase af smeltningen (reduktionsperioden), for at undgå oxidationstab (f.eks. ferrosiliciumlegering).

Risiko ved for højt indhold: Indholdet styres ved 0,2 %–0,5 %; for højt indhold nedsætter det slagsejhed.

(3) Mangan (Mn)

Funktion:

Afbrænding og desulfurering: Danner MnO (afbrænding) med O og MnS (desulfurering) med S.

Forbedrer hærdbarhed: Udsætter perlittransformationen og forbedrer martensithærdbarheden.

Additionsprincippet: tilsæt i portioner under oxidationstiden (deoxidation + desulfurering) og tilsæt under reduktionstiden (hvis det brændes).

Risiko ved for højt indhold: Indholdet styres til 0,8 %–1,5 %; for højt indhold kan nemt føre til temperembrittlighed.

(4) Fosfor (P)

Funktion:

Skadelige elementer: opløses fast i ferrit og reducerer plasticiteten og slagstyrken (koldembrittlighedstendens).

Fastopløsningsstyrkeforøgelse: Spor mængder af P kan forbedre styrken, men mængden skal strengt kontrolleres. Det anbefales ikke at tilsætte det ved fremstilling i mediumfrekvensovne.

Kontrolprincip: Vælg helst råmaterialer med lavt fosforindhold (f.eks. skrotstål) og undgå yderligere tilsætning under smeltningen.

Risiko ved for højt indhold: Indholdet skal være mindre end 0,035 % (højtkvalitetsstål kræver mindre end 0,025 %).

(5) Svovl (S)

Funktion:

Skadelige elementer: danner FeS sammen med Fe og forårsager varmembrittlighed (revner under bearbejdning ved høj temperatur).

Inklusionskontrol: skal kombineres med Mn for at danne MnS (reducere skade).

Kontrolprincip: desulfurering ved tilsætning af Mn (anbefalet Mn:S-forhold 2:1~3:1).

Risiko ved overdreven mængde: indholdet skal være mindre end 0,035 % (speciel stål <0,02 %).

(6) Chrom (Cr)

Funktion:

Forbedrer hærdbarhed: udsætter austenitnedbrydning og øger martensithardheden.

Korrosionsbestandighed: danner en tæt Cr₂O₃-oxidfilm (f.eks. rustfrit stål).

Finerer korn: hæmmer austenitkornvækst.

Tilsætningsprincip: tilsættes under smeltetiden (høj smeltepunkt, kræver opløsning ved høj temperatur). Indholdet er typisk 0,5 %~2,0 % (justeres efter krav til korrosionsbestandighed eller slid bestandighed).

(7) Molybdæn (Mo)

Funktion:

Forfine korn: hæm austenitkornets grovere og forbedr tolkraft.

Højtemperaturstabilitet: forbedr rødhærhed og krybfasthed.

Fastopløsningsforstærkning: øger matrixstyrken.

Tilsætningsprincip: tilsæt under smeltetiden (ligesom Cr) for at undgå højtemperaturfordampning. Indholdet er typisk 0,1 %–0,3 % (højere ved stål med højt molybdænindhold).

ⅱ. Interaktion mellem elementer

(1) Synergetisk effekt af C og Si/Mn

Deoxidationsbalance: Si deoxiderer først, mens Mn understøtter desulfureringen; dog vil for meget Si hæmme Mn’s desulfurerende virkning.

Fasetransformationsvirkning: Når kulstofindholdet er højt, kan Mn forsinke perlittransformationen, hvilket resulterer i en stigning i resterende austenit.

(2) Komplementær effekt af Cr og Mo

Hærdeevneoverlejring: Cr og Mo forbedrer fælles hærdeevne og er derfor velegnede til højstyrkestål (f.eks. HSLA).

Synergi i korrosionsbestandighed: Cr danner en passiveringsfilm, og Mo forbedrer modstanden mod spaltkorrosion (f.eks. Cr-Mo-kombinationen i rustfrit stål).

(3) Synergistisk skadevirkning af P og S

Koldskrøbelighed ved lav temperatur: P forværrer koldskrøbelighed, og S forårsager varmeskrøbelighed. Risikoen skal reduceres gennem Mn-tilsætning og proceskontrol.

ⅲ. Egnethed af smelteproces i mediumfrekvensovn

(1) Optimering af tilsætningsrækkefølgen

Smeltetid: Tilsæt højsmeltende elementer såsom Cr og Mo for at sikre fuldstændig opløsning.

Oxidationstid: Tilsæt Mn i portioner (deoxidation + desulfurering). Produkter med høje krav kan anvende iltblæsnings-teknik, men mængden af ilten skal kontrolleres for at undgå overdriven oxidation.

Reduktionstid: Tilsæt Si (endelig deoxidation) og suppler med Mn (hvis det er brændt op).