Magnesium Mg (magnesium) i stål – egenskaber, effekt på stål og metallurgiske anvendelser

Magnez (Mg) er et let, meget reaktivt metallisk element, der spiller en helt anden rolle i stålmetallurgi end typiske legeringsadditiver som f.eks. krom, nikkel, molybdæn czy vanadiumPå grund af dens meget høje affinitet for ilt i svovl magnesium bruges primært som et element, der modificerer ikke-metalliske indeslutninger, understøtter deoxidation og afsvovling og forbedrer stålets metallurgiske renhed.
Magnesium indarbejdes typisk ikke i stål i store mængder som et klassisk legeringselement. Dets virkninger er primært forbundet med små, kontrollerede tilsætninger, der anvendes under sekundær metallurgi og raffinering af flydende stål.
Korrekt udført magnesiumbehandling kan ændre type, størrelse, form og fordeling af ikke-metalliske indeslutninger, hvilket kan påvirke stålets slagstyrke, udmattelsesmodstand, tværgående egenskaber, bearbejdelighed og opførsel under videre bearbejdning.

Magnesium (Magnesium) – grundlæggende information

Magnesiums rolle i stål

I klassiske konstruktionsstål er magnesiumindholdet normalt ikke en af ​​de primære parametre, der definerer stålkvaliteten. Dets betydning er primært relateret til den metallurgiske proces.
De vigtigste funktioner af Mg inkluderer:

• deoxidation af flydende stål,
• afsvovling,
• modifikation af sulfider,
• modifikation af oxider og komplekse ikke-metalliske indeslutninger,
• begrænsning af forekomsten af ​​store og aflange indeslutninger,
• forbedring af stålets metallurgiske renhed,
• indflydelse på kimdannelse og mikrostrukturudvikling i specifikke teknologier.

Effekten af ​​magnesiumtilsætning afhænger af mængden, tilførselsmetode, ilt- og svovlindhold , stålets tidligere deoxidation og tilstedeværelsen af ​​andre elementer, især aluminium , mangan og calcium.

Hvorfor er magnesium et vanskeligt metallurgisk additiv?

Magnesium har et kogepunkt, der er meget lavere end flydende ståls.
Ved temperaturen af ​​flydende stål har Mg et meget højt damptryk og ekstremt høj reaktivitet.
Direkte og ukontrolleret tilsætning af magnesium til flydende stål ville forårsage meget hurtig fordampning og intense reaktioner.
Derfor skal Mg tilføres på en kontrolleret måde, for eksempel i form af korrekt fremstillede legeringer, kernetråde eller ved hjælp af særlige teknologier til at øge magnesiumudbyttet.
Kontrol af Mg-introduktionsmetoden er et af nøgleelementerne i effektiv magnesiumforarbejdning af stål.

Magnesium som ståldeoxidationsmiddel

Magnesium har en meget høj kemisk affinitet for ilt.
Det kan reagere med ilt opløst i flydende stål:

Fremvoksende magnesiumoxid MgO er en termodynamisk meget stabil forbindelse.
Magnesiums evne til at binde ilt betyder, at det kan deltage i processerne med deoxidation og modifikation af eksisterende oxider.
I praksis erstatter Mg dog ikke automatisk typiske deoxidationsteknologier, der blandt andet bruger aluminium, silicium i ManganOftere er det et element af mere avanceret metallurgisk forarbejdning, der udføres efter den indledende deoxidation af stålet.

Afsvovling af magnesium og stål

Den anden meget vigtige egenskab ved Mg er dens høje affinitet for svovl.
Magnesium kan deltage i reaktionen, der fører til dannelsen af ​​magnesiumsulfid:

Takket være dette kan Mg understøtte dybdegående afsvovling af flydende stål.
I selve den metallurgiske proces er reaktionerne mere komplekse, og effektiviteten af ​​svovlfjernelsen afhænger blandt andet af:

• iltaktivitet,
• speedway-sammensætning,
• temperatur,
• mængden af ​​​​introduceret Mg,
• metode til indføring af magnesium,
• betingelser for blanding af metalbadet.

På grund af Mg's samtidige meget stærke affinitet for ilt kræver effektiv svovlkontrol passende forberedelse af det flydende stål.

Magnesium- og mangansulfid MnS

Interjektioner MnS – mangansulfid er vigtige indeslutninger, der findes i mange typer stål.
I løbet af rullende LUB smedning Plastiske MnS-indeslutninger kan forlænges i retning af materialets deformation.
Dette fører til dannelsen af ​​karakteristiske aflange bånd af indeslutninger.
Sådanne indeslutninger kan forårsage:

• anisotropi af mekaniske egenskaber,
• forringelse af egenskaber i tværgående retning,
• reduktion i revnemodstand under visse betingelser,
• dannelse af udmattelsesrevneinitieringssteder,
• forringelse af egenskaber under dynamiske belastninger.

Mg-behandling kan ændre sulfidindeslutningernes natur, reducere andelen af ​​klassisk aflangt MnS og fremme dannelsen af ​​mere komplekse Mg-holdige indeslutninger.

Modifikation af ikke-metalliske indeslutninger med magnesium

En af de vigtigste moderne anvendelser af magnesium i stålmetallurgi er inklusionsmodifikation – modifikation af ikke-metalliske inklusioner.
Ikke-metalliske indeslutninger dannes blandt andet som følge af følgende reaktioner:

• deoxidation,
• afsvovling,
• reaktion mellem metal og slagge,
• reaktion med ildfaste materialer,
• sekundær oxidation af flydende stål.

Magnesium kan reagere med eksisterende indeslutninger og ændre deres kemiske sammensætning og morfologi.
Afhængigt af stålets sammensætning kan følgende forekomme:

• MgO,
• MgS,
• MgO·Al₂O₃ – magnesium-aluminium spinel,
• komplekse oxid-sulfider indeholdende Mg,
• flerkomponentinklusioner indeholdende Mg, Ca, Al, O og S.

Magnesium- og Al₂O₃-indeslutninger

I deoxiderede ståltyper aluminium Alle indeslutninger kan forekomme₂O₃.
Aluminiumoxid er meget hårdt og kan forekomme i klynger eller som uregelmæssige partikler.
Tilstedeværelsen af ​​Mg kan føre til reaktioner med Al-holdige inklusioner₂O₃ og dannelsen spinelindeslutninger MgO·Al₂O₃.
Denne proces skal dog kontrolleres omhyggeligt.
Dannelsen af ​​spinel er ikke altid automatisk gavnlig. Hårde spinel-indeslutninger kan også skabe teknologiske problemer, så målet med Mg-behandling er kontrolleret modifikation af inklusionspopulationen, ikke blot at maksimere mængden af ​​MgO eller spineller.

Metallurgisk renhed af stål

Koncept metallurgisk renhed betyder ikke kun lavt totalt ilt- eller svovlindhold.
Også vigtige er:

• antal inkluderinger,
• deres størrelse,
• form,
• kemisk sammensætning,
• fordeling i materialet,
• tendens til at danne klynger.

I moderne højkvalitetsstål er kontrol af indeslutninger derfor lige så vigtig som kontrol af matrixens kemiske sammensætning.
Magnesium kan være et af de værktøjer, der bruges til ikke-metallisk inklusionsteknik.

Magnesiums effekt på ståls mekaniske egenskaber

Mg øges ikke direkte mekaniske egenskaber stål på samme måde som klassiske legeringselementer.
Dens indflydelse er i høj grad indirekte og skyldes inklusionskontrol.

Effekten er dog ikke universel. For store mængder Mg eller dannelsen af ​​ugunstige hårde indeslutninger kan føre til den modsatte effekt.

Magnesium og udmattelsesstyrke

Ikke-metalliske indeslutninger er et af de vigtige steder for initiering af udmattelsesrevner i højstyrkestål.
Store, hårde eller koncentrerede indeslutninger placeret nær overfladen eller i områder med høj belastning kan være særligt ugunstige.
Kontrolleret Mg-behandling kan ændre størrelsesfordelingen og morfologien af ​​inklusioner, hvilket gør det muligt at øge træthedsmodstand.
Dette er især vigtigt i stål af høj renhed beregnet til hårdt belastede maskindele.

Magnesium og ståls slagstyrke

Aflange sulfidbånd og store indeslutninger kan fremme revneinitiering og -udbredelse.
Deres ændring kan derfor påvirke forskningsresultaterne. slagstyrke.
Den vigtigste faktor kan være begrænsningen af ​​anisotropi, da aflange indeslutninger dannet under valsning får materialeegenskaberne til at afhænge af prøveudtagningsretningen.
Modificering af inklusionerne mod finere og mere gunstigt fordelte partikler kan reducere denne afhængighed.

Magnesium og finkornet stål

Fine Mg-holdige inklusioner kan under visse betingelser fungere som steder for heterogen kimdannelse af andre faser.
Dette fænomen anvendes i forskning og udvalgte teknologier relateret til kontrol af ståls mikrostruktur.
Af særlig interesse er muligheden for at anvende meget fine Mg-holdige oxider som kimdannelsessteder under fasetransformationer.
Denne mekanisme betyder dog ikke, at enhver Mg-tilsætning automatisk forårsager kornforfining. Effekten afhænger af antallet, størrelsen, sammensætningen og fordelingen af ​​partikler, såvel som materialets samlede termiske cyklus.

Magnesium i stål med høj renhed

Betydningen af ​​Mg øges især i stål, hvor egenskaberne er begrænset af ikke-metalliske indeslutninger.
Dette gælder blandt andet udvalgte:

• højstyrkekonstruktionsstål,
• lejestål,
• fjederstål,
• værktøjsstål,
• stål beregnet til højt belastede maskinkomponenter,
• stål med specifikke krav til metallurgisk renhed.

I sådanne materialer kan det være vigtigt at kontrollere selv meget små mængder indeslutninger for den operationelle holdbarhed.

Magnesium i lejestål

Lejestål er materialer, der er særligt følsomme over for tilstedeværelsen af ​​store ikke-metalliske indeslutninger.
Lejer opererer under meget høje, cykliske kontaktspændinger, og indeslutningen kan blive stedet for udmattelsesrevner.
Derfor er følgende af stor betydning ved produktion af lejestål af høj kvalitet:

• lavt iltindhold,
• begrænsning af store indeslutninger,
• kontrol over deres sammensætning,
• kontrol over deres størrelse og arrangement.

Mg-behandling kan være én måde at modificere inklusionspopulationen i sådanne ståltyper, hvis den integreres korrekt i den overordnede metallurgiske proces.

Magnesium i fjederstål

Højkvalitetsfjederstål fungerer under gentagne belastninger, så deres udmattelsesstyrke er særlig vigtig.
Store oxid- eller sulfidindeslutninger kan være revneinitieringssteder.
Inklusionskontrol ved brug af Mg kan derfor også være vigtig i produktionen af ​​udvalgte højkvalitetsprodukter. fjederstål, især beregnet til elementer med høj udmattelsesstyrke.

Magnesium og calcium i stålmetallurgi

Både magnesium og calcium kan bruges til at modificere indeslutninger, men deres metallurgiske adfærd er ikke identisk.

I moderne metallurgi er det også muligt at designe processer, hvor interaktionerne mellem Mg og Ca betragtes sammen for at opnå en specifik population af inklusioner.

Magnesium og aluminium i stål

Aluminium er et almindeligt anvendt deoxidationsmiddel til stål. Deoxidation af Al kan resultere i dannelsen af ​​Al₂O₃ _- indeslutninger . I nærvær af Mg er transformationer, der fører til spineldannelse, mulige _:

Fra et metallurgisk synspunkt er det ikke tilstrækkeligt kun at analysere det samlede indhold af Mg og Al. Det vigtige er deres aktivitet og balancen mellem:

• Mg opløst i flydende stål,
• Al opløst i stål,
• ilt,
• svovl,
• dannede oxider, spineller og sulfider.

Magnesium, mangan og svovl

Mangan er af stor betydning for at kontrollere påvirkningen svovl på stål og fremmer dannelsen af ​​MnS i stedet for det ugunstige FeS.
Mg har imidlertid en meget stærk affinitet for svovl og kan deltage i modifikationen af ​​sulfidindeslutninger.
Som følge heraf kan Fe-Mn-Mg-S-O-systemet føre til dannelsen af ​​komplekse inklusioner med egenskaber og morfologi, der er forskellige fra klassisk MnS.
Dette er især vigtigt, når målet er at reducere aflange indeslutninger dannet under plastforarbejdning.

Magnesium og ståls bearbejdelighed

Ikke-metalliske indeslutninger påvirker også skæreprocessen.
Deres sammensætning, hårdhed, størrelse og fordeling kan påvirke:

• slid på bladet,
• spånbrydning,
• friktion ved værktøj-materiale-grænsefladen,
• overfladekvalitet efter bearbejdning.

Derfor kan modifikationen af ​​indeslutninger med Mg påvirke bearbejdeligheden, men retningen af ​​ændringen afhænger af det specifikke stål og den resulterende indeslutningspopulation.
Derfor kan det ikke som en generel regel antages, at enhver Mg-tilsætning automatisk forbedrer bearbejdeligheden.

Magnesium og svejsbarhed

Mg's indflydelse på ståls svejsebarhed er primært indirekte.
Ændring af typen og fordelingen af ​​indeslutninger kan påvirke materialets opførsel i den varmepåvirkede zone og mikrostrukturens kimdannelsesprocesser.
I udvalgte metallurgiske koncepter anvendes fine Mg-holdige oxider til at kontrollere de transformationer, der sker under svejsecyklussen.
Effekten afhænger dog af stålets sammensætning, fremstillingsteknologi og svejseparametre.

Oxidmetallurgi – brug af fine Mg-oxider

Et særligt område for Mg-anvendelse er konceptet kendt som oxidmetallurgi – oxidmetallurgi.
I stedet for udelukkende at behandle alle oxidindeslutninger som urenheder, er målet at kontrollere deres sammensætning, antal og størrelse, så meget fine partikler kan udføre en specifik funktion i formningen af ​​mikrostrukturen.
Fine oxider indeholdende Mg kan under passende forhold:

• deltage i kimdannelsen af ​​specifikke faser,
• påvirke kornvækst,
• påvirke de ændringer, der sker under afkøling,
• påvirke mikrostrukturen i den varmepåvirkede zone under svejsning.

Dette er en langt mere avanceret anvendelse af Mg end klassisk deoxidation eller afsvovling.

Hvor meget magnesium tilsættes stål?

I modsætning til klassiske legeringselementer anvendes magnesium typisk i meget små mængder . Der findes ikke et enkelt, universelt magnesiumindhold for alle ståltyper. Den optimale mængde afhænger blandt andet af:

• type stål,
• indledende ilt- og svovlindhold,
• indhold aluminium,
• tilstedeværelsen af ​​calcium,
• den type inkluderinger, der kræves,
• Mg-introduktionsmetoder,
• temperaturen på flydende stål,
• tiden mellem Mg-forarbejdning og støbning.

I metallurgisk praksis kan indholdet målt i ppm være vigtigt , derfor kan selv små ændringer i mængden af ​​Mg påvirke typen af ​​dannede indeslutninger betydeligt.

Hvorfor kan for meget magnesium være skadeligt?

Højere Mg-indhold betyder ikke automatisk bedre stål.
Overdreven eller ukorrekt kontrolleret forarbejdning kan føre til:

• dannelse af et for stort antal hårde MgO-indeslutninger,
• dannelse af uønskede MgO·Al-spineller₂O₃,
• agglomerering af inklusioner,
• problemer under støbning,
• aflejring af reaktionsprodukter på elementerne i støbesystemet,
• forringelse af stålets renhed i stedet for forbedring.

Derfor bør Mg behandles som en præcist kontrolleret metallurgisk modifikator og ikke som et additiv, hvis gavnlige effekt stiger proportionalt med dets indhold.

Magnesium og andre elementer anvendt i stål

Magnesium i stål og magnesiumlegeringer

Der skal foretages en klar sondring magnesium som et lille tilsætningsstof eller modifikator, der anvendes i stålmetallurgi fra magnesiumlegeringer.
I stål forbliver den grundlæggende komponent jern, og Mg forekommer kun i meget små mængder og bruges primært til at kontrollere metallurgiske processer og indeslutninger.
Magnesiumlegeringer De er en særskilt gruppe af materialer, hvor Mg er den primære matrixkomponent. De er karakteriseret ved meget lav densitet og anvendes i applikationer som luftfart, bilindustrien og letvægtsstrukturer.
Dette er to helt forskellige grupper af magnesiumanvendelser.

Magnesiums betydning i moderne stålmetallurgi

Med de stigende krav til komponenternes udmattelseslevetid, slagstyrke og pålidelighed bliver ikke kun stålets nominelle kemiske sammensætning mere og mere vigtig, men også metallurgisk renhed og inklusionsteknik.
På dette område kan Mg spille en meget vigtig rolle.
Dens anvendelse gør det muligt for passende designede processer at påvirke:

• kemisk sammensætning af inklusioner,
• deres størrelse,
• morfologi,
• arrangement,
• tendens til deformation under valsning og smedning,
• effekten af ​​inklusioner på mikrostrukturen.

Af denne grund bør Mg primært betragtes som et teknologisk element, der anvendes til præcist at kontrollere stålets metallurgiske kvalitet.

Magnesium Mg i stål – resumé

Magnesium Mg er ikke et typisk legeringselement i stål, men et meget reaktivt metallurgisk additiv, der primært bruges til at modificere ikke-metalliske indeslutninger, afsvovle og kontrollere ståls renhed.
Høj affinitet af Mg for ilt og svovl muliggør dannelsen af ​​blandt andet MgO og MgS og omdannelsen af ​​andre indeslutninger, der findes i det flydende stål.
Interaktionen mellem Mg og inklusioner dannet under deoxidation er af særlig betydning. aluminium og muligheden for at skabe MgO·Al-spineller₂O₃.
Kontrolleret magnesiumbehandling kan reducere de negative virkninger af store og aflange indeslutninger, reducere anisotropi af egenskaber og i visse ståltyper forbedre slagstyrke og udmattelseslevetid.
Samtidig kræver Mg meget præcis teknologisk kontrol. På grund af dets høje reaktivitet og lave kogepunkt i forhold til temperaturen af ​​flydende stål kan det ikke behandles som et typisk legeringstilsætningsstof.
Den største betydning af magnesium i moderne stål er relateret til sekundær metallurgi, metallurgisk renhed og konstruktion af ikke-metalliske indeslutninger.

Jern Kul chrom Nikkel Vanadium Mangan Silicium molybdæn Wolfram kobber Titanium Aluminium Kobalt niobium fosfor Svovl Ilt kvælstof Magnesium Zink