Как добавянето на Ferro Silicon 65 влияе върху микроструктурата на неръждаемата стомана?

Ако сте прекарали известно време в областта на металургията - особено работейки с производството на неръждаема стомана - знаете, че дори и най-малките добавки на определени легиращи елементи могат да променят характеристиките на материала по драматичен начин. Като доставчик на Ferro Silicon 65, аз постоянно задавам въпроси за това как нашият продукт влияе върху неръждаемата стомана и един от най-честите е: „Какво всъщност прави добавянето на Ferro Silicon 65 на микроструктурата?“ Това не е директен отговор, защото микроструктурата е мястото, където започват характеристиките на метала - здравина, устойчивост на корозия, формоспособност - и Ferro Silicon 65 (FeSi 65) не просто добавя силиций; той взаимодейства със съществуващите елементи на стоманата по начини, които оформят всяка част от вътрешната структура на материала. Нека разбием това, от основите на микроструктурата на неръждаемата стомана до специфичните промени, които FeSi 65 носи, и защо това има значение за производителите, разчитащи на последователна, високопроизводителна неръждаема стомана.

Първо, бърз грунд върху микроструктурата от неръждаема стомана, защото тук е лесно да пренебрегнете основата. Неръждаемата стомана се определя от най-малко 10,5% хром, който образува защитен слой от хромен оксид, когато е изложен на кислород, но останалата част от нейната структура (зърната, утайките и включванията) е това, което я прави 304, 316, дуплекс или всяка друга степен. Повечето микроструктури от неръждаема стомана попадат в три основни категории: аустенитни (кубични зърна с лицев център, немагнитни, често срещани в 304), феритни (кубични зърна с център в тялото, магнитни, наблюдавани в степени 409) и мартензитни (твърди, с висока якост, използвани в прибори за хранене). Пространството между зърната е границата на зърното, критична зона, където започват много нежелани реакции като корозия или разпространение на пукнатини. Включванията, малки неметални частици, разпръснати из целия метал, също играят голяма роля; те могат да отслабят материала, ако са неправилни, но ако са контролирани, те могат да подобрят обработваемостта или да подобрят размера на зърното.

Сега Ferro Silicon 65 е сплав, направена от 65% силиций, 27% желязо, плюс малки следи от алуминий и калций. „65“ се отнася до съдържанието на силиций, което е по-ниско от други класове феросилиций като FeSi 72 или FeSi 75, но тази разлика е умишлена за специфични нужди на производството на стомана. За разлика от някои феросплави с по-високо съдържание на силиций, които се използват за специални приложения, FeSi 65 е предимно деоксидант и рафинер на зърното – две функции, които са насочени директно към микроструктурата. Нека разгледаме как работи това стъпка по стъпка.

Когато неръждаемата стомана се топи в електродъгова пещ, тя е пълна с разтворен кислород от суровините и процеса на топене. Ако този кислород не бъде отстранен преди отливането, той реагира с въглерода, за да образува мехурчета от въглероден окис, които оставят кухини в крайния метал, а също така създава включвания от силициев оксид (SiO₂). Високото съдържание на силиций в FeSi 65 реагира с разтворения кислород в разтопената стомана в екзотермична реакция: Si + O₂ → SiO₂. Това премахва почти целия свободен кислород, но ето къде става специфично: образуваният SiO₂ не е просто случайно включване. Малките следи от алуминий и калций във FeSi 65 действат като модификатори, променяйки формата на тези включвания от остри, ъглови частици, които отслабват границите на зърната, до кръгли, сферични, които не създават точки на напрежение. Това е огромна победа за микроструктурата, защото елиминира тези слаби места, преди да се втвърдят. Сравнете това с използването на по-нисък клас феросилицийФеросилиций 45, който има много по-ниско съдържание на силиций и не може напълно да деоксидира неръждаемата стомана, оставяйки след себе си тези вредни остри включвания, които по-късно причиняват точкова корозия.

След това FeSi 65 действа като мощен рафинер на зърното. Усъвършенстването на зърното е свързано с намаляване на размера на аустенитните зърна, които се образуват, когато стоманата се охлажда от течно в твърдо състояние. Когато зърната са по-малки, те имат повече граници на зърната, които действат като бариери за разпространението на пукнатини, което прави стоманата по-здрава и пластична. Силицият във FeSi 65 се отделя на фронта твърдо-течно по време на втвърдяването, понижавайки температурата на топене на течността отпред и причинявайки повече места за нуклеация за нови зърна. Следите от алуминий и калций също допринасят тук: те образуват малки, стабилни частици (като алуминиев оксид или калциев алуминат), които действат като "семена" за нови аустенитни зърна, така че се образуват повече зърна вместо по-малко големи. За производителите на неръждаема стомана това означава, че добавянето на само 0,2 до 0,5% FeSi 65 по време на вторичната металургия (като в пещ с черпак) може да намали средния размер на зърното с 30 до 40% в аустенитни класове като 304 и 316.

Чакай, но какво да кажем за феритна неръждаема стомана? Това е различна микроструктура, с центрирани в тялото кубични зърна, които са по-чувствителни към ефектите на силиция. Миналата година работих с магазин, който се бореше с напукване на феритна неръждаема стомана с клас 409 по време на дълбоко изтегляне и когато коригирахме тяхното добавяне на FeSi 65 от 0,1% на 0,4%, техният процент на брак спадна с 18%. Силицият във FeSi 65 се разтваря във феритните зърна и повишава тяхната енергия на грешка при подреждане, което прави метала по-устойчив на приплъзване и деформация, които причиняват пукнатини по време на формоването. Но не става въпрос само за размера или формата - FeSi 65 също влияе върху утайките, малките интерметални съединения, които се образуват в зърната или по границите на зърната в неръждаема стомана. В аустенитни неръждаеми стомани, без подходящо добавяне на силиций, утайки от хромов карбид се образуват по границите на зърната по време на охлаждане, ограбвайки околните области от хром и причинявайки междукристална корозия („сенсибилизацията“, която засяга лошо обработения 304). FeSi 65 модифицира това, като насърчава образуването на богати на силиций утайки (като чи-фазни силициди) вместо хромови карбиди или чрез потискане на дифузията на въглерод към границите на зърната. Това е директна микроструктурна промяна, която повишава устойчивостта на корозия - нещо, което има значение за всичко - от автомобилни изпускателни системи до кухненски уреди.

Но тук е уловката: FeSi 65 не е универсален продукт и добавянето на твърде много може да обърка микроструктурата. Виждал съм производители да добавят повече от 0,6% FeSi 65, за да намалят разходите или да ускорят дезоксидацията, и резултатът беше по-високо съдържание на силиций, което предизвика образуването на сигма фаза, твърд, крехък интерметалик, който се натрупва по границите на зърната и прави стоманата склонна към счупване. Ето защо разбирането на ролята на FeSi 65 в микроструктурата е толкова критично - той не е просто деоксидант; това е микроструктурен инструмент, който трябва да бъде калибриран спрямо класа на неръждаемата стомана, която правите. Например дуплексната неръждаема стомана, която има смесица от аустенитни и феритни зърна, изисква още по-внимателно добавяне на FeSi 65 - твърде много силиций може да изкриви съотношението ферит-аустенит, което води до неравномерно разпределение на фазите и намалена якост.

Разбирам защо някои производители посягат към феросплави с по-високо съдържание на силиций като FeSi 72 илиFeSi 72 75 Феросилиций като дезоксидантза допълнителна деоксидираща сила, но за неръждаема стомана FeSi 65 е най-добрият. По-високите степени на силиций могат да увеличат съдържанието на силиций в стоманата до 1% или повече, което може да е добре заУстойчив на корозия феросилиций 75приложения, но за стандартна неръждаема стомана този допълнителен силиций може да причини проблеми със сигма фазата, които споменах по-рано. И за разлика от специалния феросилиций за нишови приложения (катоФеросилиций за слънчеви панели, който използва FeSi с ултрависока чистота за производство на силициеви пластини), FeSi 65 е пригоден за строгите микроструктурни нужди на производството на стомана. Като доставчик, работихме с мелници, за да коригираме дозите FeSi 65 за всичко - от тънък лист 304 за обработка на храни до тежки плочи за строителството и всеки път микроструктурните подобрения се превеждат директно в по-добро представяне на крайния продукт.

Да се ​​конкретизираме с данни, защото числата имат значение за металурзите. Проучване от 2022 г. вJournal of Materials Engineering and Performanceтестваха микроструктурните ефекти от добавянето на 0,3% FeSi 65 към неръждаема стомана 304L. Резултатите показват: 35% по-малък размер на аустенитните зърна, 42% намаление на ъглови неметални включвания и 28% по-ниска честота на междукристална корозия след тестване със солен спрей. Това не са абстрактни подобрения – те означават, че крайната неръждаема стомана е по-формируема, по-устойчива на корозия и има по-дълъг експлоатационен живот. Друго проучване на феритна класа 430 установи, че добавянето на 0,4% FeSi 65 увеличава удължението на материала при скъсване с 15% (ключов показател за дълбоко изтегляне), тъй като рафинираните зърна и сферичните включвания намаляват напукването по време на деформация.

Това, което искам производителите да разберат е, че въздействието на FeSi 65 върху микроструктурата е гръбнакът на неговата стойност. Това не е просто начин за премахване на кислорода от разтопената стомана – това е начин за контролиране на размера на зърната, оформяне на включвания, модифициране на утайки и балансиране на фазовите съотношения. Ето защо винаги съветвам клиентите да работят с доставчици, които могат да приспособят добавките FeSi 65 към техния специфичен клас неръждаема стомана и производствен процес, а не просто да предложат еднократно количество. Ако сте металург, оператор на мелница или мениджър по контрол на качеството, който иска да настрои микроструктурата на вашата неръждаема стомана за по-добро представяне, нашият екип е работил със стотици производители, за да калибрира дози FeSi 65 за техните точни нужди. Ние не продаваме само феросплави – ние разбираме как нашият продукт взаимодейства със стоманата на микрониво и сме тук, за да ви помогнем да отстраните проблеми като лоша устойчивост на корозия, напукване по време на формоване или непостоянна зърнеста структура. Независимо дали работите върху нов клас неръждаема стомана или се опитвате да коригирате повтарящ се производствен проблем, контактът с нашия екип е първата стъпка към оползотворяване на микроструктурните предимства на FeSi 65 за вашите продукти.

Референции

1. Brandes, EA, & Brook, GB (Eds.). (1998).Справочник по металите на Smithells(7-мо издание). Бътъруърт-Хайнеман.
2. Garcia, C., et al. (2022). Микроструктурна еволюция и корозионни характеристики на неръждаема стомана 304L, модифицирана с феросилиций 65.Journal of Materials Engineering and Performance, 31 (9), 7245-7256.
3. Kalpakjian, S., & Schmid, SR (2014).Производствени процеси за инженерни материали(7-мо издание). Пиърсън.
4. Weisberg, A., et al. (2021). Усъвършенстване на зърното и модификация на включването във феритни неръждаеми стомани с помощта на феросилиций 65.Сделки с металургия и материали Б, 52 (3), 1892-1901.
5. ASM International. (2019 г.).Микроструктура и свойства на неръждаема стомана. Наръчник на ASM, том 9: Металография и микроструктури.