Magnesium (Mg) in staal – eigenschappen, effect op staal en metallurgische toepassingen

Magnéz (Mg) is een licht, zeer reactief metaalelement dat een totaal andere rol speelt in de staalmetallurgie dan typische legeringstoevoegingen zoals chromium, nikkel, molybdenum czy vanadiumVanwege de zeer hoge affiniteit voor zuurstof i zwavel magnesium wordt voornamelijk gebruikt als een element dat niet-metallische insluitingen modificeert, de deoxidatie en ontzwaveling ondersteunt en de metallurgische zuiverheid van staal verbetert.
Magnesium wordt doorgaans niet in grote hoeveelheden als klassiek legeringselement aan staal toegevoegd. De effecten ervan zijn vooral merkbaar bij kleine, gecontroleerde toevoegingen tijdens secundaire metallurgie en vloeibaarstaalraffinageprocessen.
Een correct uitgevoerde magnesiumbehandeling kan verandering teweegbrengen. type, grootte, vorm en verspreiding van niet-metallische insluitingenDit kan van invloed zijn op de slagvastheid, vermoeiingsweerstand, dwarseigenschappen, bewerkbaarheid en het gedrag van het staal tijdens verdere verwerking.

Magnesium (Magnesium) – basisinformatie

De rol van magnesium in staal

Bij klassieke constructiestalen is het magnesiumgehalte doorgaans niet een van de belangrijkste parameters voor de staalkwaliteit. Het belang ervan hangt vooral samen met het metallurgische proces.
De belangrijkste functies van magnesium zijn onder andere:

• deoxidatie van vloeibaar staal,
• ontzwaveling,
• modificatie van sulfiden,
• modificatie van oxiden en complexe niet-metallische insluitingen,
• het beperken van het voorkomen van grote en langwerpige insluitingen,
• het verbeteren van de metallurgische zuiverheid van staal,
• invloed op kiemvorming en microstructuurontwikkeling in specifieke technologieën.

Het effect van magnesiumtoevoeging hangt af van de hoeveelheid, de wijze van toevoeging, het zuurstof- en zwavelgehalte , de voorafgaande deoxidatie van het staal en de aanwezigheid van andere elementen, met name aluminium , mangaan en calcium.

Waarom is magnesium een ​​lastig metallurgisch additief?

Magnesium heeft een veel lager kookpunt dan vloeibaar staal.
Bij de temperatuur van vloeibaar staal heeft magnesium een ​​zeer hoge dampdruk en een extreem hoge reactiviteit.
Directe en ongecontroleerde toevoeging van magnesium aan vloeibaar staal zou leiden tot zeer snelle verdamping en hevige reacties.
Daarom moet magnesium op een gecontroleerde manier worden toegevoegd, bijvoorbeeld in de vorm van speciaal geprepareerde legeringen, gevulde draden of door gebruik te maken van speciale technologieën om de magnesiumopbrengst te verhogen.
Het beheersen van de magnesiumtoevoegingsmethode is een van de belangrijkste elementen voor een effectieve magnesiumverwerking van staal.

Magnesium als deoxidatiemiddel voor staal

Magnesium heeft een zeer hoge chemische affiniteit voor zuurstof.
Het kan reageren met zuurstof opgelost in vloeibaar staal:

Opkomend magnesiumoxide MgO is een thermodynamisch zeer stabiele verbinding.
Doordat magnesium zuurstof kan binden, kan het deelnemen aan de processen van deoxidatie en modificatie van bestaande oxiden.
In de praktijk vervangt magnesium echter niet automatisch de gebruikelijke deoxidatietechnologieën die onder andere gebruikmaken van aluminium, silicium i mangaanVaker is het een onderdeel van een geavanceerder metallurgisch proces dat plaatsvindt na de initiële deoxidatie van het staal.

Magnesium- en staalontzwaveling

De tweede zeer belangrijke eigenschap van magnesium is de hoge affiniteit voor zwavel.
Magnesium kan deelnemen aan de reactie die leidt tot de vorming van magnesiumsulfide:

Dankzij deze eigenschap kan magnesium bijdragen aan de diepe ontzwaveling van vloeibaar staal.
In het feitelijke metallurgische proces zijn de reacties complexer en hangt de efficiëntie van de zwavelverwijdering onder andere af van:

• zuurstofactiviteit,
• samenstelling van slakken,
• temperatuur,
• hoeveelheid ingebracht Mg,
• methode om magnesium toe te dienen,
• voorwaarden voor het mengen van het metaalbad.

Vanwege de gelijktijdige, zeer sterke affiniteit van magnesium voor zuurstof, vereist een effectieve beheersing van het zwavelgehalte een geschikte voorbereiding van het vloeibare staal.

Magnesium- en mangaansulfide MnS

Wtrącenia MnS – mangaansulfide zijn belangrijke insluitsels die in veel soorten staal voorkomen.
terwijl rollen lub smeden Plastische MnS-insluitingen kunnen zich uitrekken in de richting van de materiaalvervorming.
Dit leidt tot de vorming van karakteristieke langwerpige banden van insluitsels.
Dergelijke insluitingen kunnen de volgende gevolgen hebben:

• anisotropie van mechanische eigenschappen,
• verslechtering van eigenschappen in de dwarsrichting,
• vermindering van de scheurweerstand onder bepaalde omstandigheden,
• vorming van plaatsen waar vermoeidheidsscheuren ontstaan,
• Verslechtering van eigenschappen onder dynamische belastingen.

Behandeling met magnesium kan de aard van sulfide-insluitingen veranderen, waardoor het aandeel klassieke langwerpige MnS-insluitingen afneemt en de vorming van complexere magnesiumhoudende insluitingen wordt bevorderd.

Modificatie van niet-metallische insluitsels door magnesium

Een van de belangrijkste moderne toepassingen van magnesium in de staalmetallurgie is Insluitselmodificatie – modificatie van niet-metallische insluitsels.
Niet-metallische insluitsels worden onder andere gevormd als gevolg van de volgende reacties:

• deoxidatie,
• ontzwaveling,
• reactie tussen metaal en slak,
• reactie met vuurvaste materialen,
• secundaire oxidatie van vloeibaar staal.

Magnesium kan reageren met bestaande insluitsels en hun chemische samenstelling en morfologie veranderen.
Afhankelijk van de samenstelling van het staal kunnen de volgende verschijnselen optreden:

• MgO,
• MgS,
• MgO·Al₂O₃ – magnesium-aluminiumspinel,
• complexe oxide-sulfiden die Mg bevatten,
• meervoudige insluitsels die Mg, Ca, Al, O en S bevatten.

Magnesium- en Al₂O₃-insluitingen

Bij gedeoxideerde staalsoorten aluminium Aluminiuminsluitingen kunnen voorkomen.₂O₃.
Aluminiumoxide is erg hard en kan voorkomen in clusters of als onregelmatige deeltjes.
De aanwezigheid van Mg kan leiden tot reacties met Al-houdende insluitsels.₂O₃ en de vorming spinel-insluitingen MgO·Al₂O₃.
Dit proces moet echter nauwlettend in de gaten worden gehouden.
De vorming van spinel is niet altijd automatisch gunstig. Harde spinelinsluitingen kunnen ook technologische problemen veroorzaken, dus het doel van de magnesiumbehandeling is gecontroleerde aanpassing van de inclusiepopulatieHet gaat er niet alleen om de hoeveelheid MgO of spinellen te maximaliseren.

Metallurgische zuiverheid van staal

Concept metallurgische zuiverheid Dit betekent niet alleen een laag totaal zuurstof- of zwavelgehalte.
Ook belangrijk zijn:

• aantal insluitingen,
• hun grootte,
• formulier,
• chemische samenstelling,
• verdeling in het materiaal,
• neiging om clusters te vormen.

Bij moderne, hoogwaardige staalsoorten is de beheersing van insluitsels daarom net zo belangrijk als de beheersing van de chemische samenstelling van de matrix.
Magnesium kan een van de hulpmiddelen zijn die gebruikt worden voor niet-metallische insluitingstechniek.

Het effect van magnesium op de mechanische eigenschappen van staal

Mg verhoogt niet direct mechanische eigenschappen Staal wordt op dezelfde manier behandeld als klassieke legeringselementen.
De invloed ervan is grotendeels indirect en vloeit voort uit de beheersing van insluitingen.

Het effect is echter niet universeel. Overmatige hoeveelheden magnesium of de vorming van ongunstige harde insluitsels kunnen tot het tegenovergestelde effect leiden.

Magnesium en vermoeidheidskracht

Niet-metallische insluitingen zijn een van de belangrijkste plaatsen waar vermoeidheidsscheuren ontstaan ​​in hoogsterkte staal.
Grote, harde of geconcentreerde insluitingen die zich nabij het oppervlak of in gebieden met hoge spanning bevinden, kunnen bijzonder ongunstig zijn.
Gecontroleerde Mg-behandeling kan de grootteverdeling en morfologie van insluitsels veranderen, waardoor het mogelijk wordt de vermoeidheidsweerstand.
Dit is met name belangrijk bij zeer zuivere staalsoorten die bestemd zijn voor zwaarbelaste machineonderdelen.

Magnesium en de slagvastheid van staal

Langgerekte sulfidebanden en grote insluitsels kunnen het ontstaan ​​en de voortplanting van scheuren bevorderen.
Hun aanpassingen kunnen daarom de onderzoeksresultaten beïnvloeden. slagsterkte.
De belangrijkste factor is wellicht de beperking van de anisotropie, aangezien langwerpige insluitsels die tijdens het walsen ontstaan, ervoor zorgen dat de materiaaleigenschappen afhankelijk zijn van de bemonsteringsrichting.
Door de insluitsels aan te passen naar fijnere en gunstiger verdeelde deeltjes kan deze afhankelijkheid worden verminderd.

Magnesium en fijnkorrelig staal

Fijne magnesiumhoudende insluitsels kunnen onder bepaalde omstandigheden fungeren als kiemvormingsplaatsen voor andere fasen.
Dit fenomeen wordt gebruikt in onderzoek en bepaalde technologieën met betrekking tot de beheersing van de microstructuur van staal.
Bijzonder interessant is de mogelijkheid om zeer fijne magnesiumhoudende oxiden te gebruiken als kiemvormingsplaatsen tijdens faseovergangen.
Dit mechanisme betekent echter niet dat elke toevoeging van magnesium automatisch leidt tot korrelverfijning. Het effect hangt af van het aantal, de grootte, de samenstelling en de verdeling van de deeltjes, evenals de algehele thermische cyclus van het materiaal.

Magnesium in hoogzuiver staal

Het belang van magnesium neemt vooral toe in staal, waarvan de eigenschappen worden beperkt door niet-metallische insluitingen.
Dit geldt onder meer voor geselecteerde producten:

• hoogwaardige constructiestalen,
• lagerstaal,
• verenstaal,
• gereedschapsstaal,
• staal bedoeld voor zwaarbelaste machineonderdelen,
• staal met specifieke eisen ten aanzien van metallurgische zuiverheid.

Bij dergelijke materialen kan het beheersen van zelfs zeer kleine hoeveelheden insluitsels belangrijk zijn voor de operationele duurzaamheid.

Magnesium in lagerstaal

Lagerstaal is een materiaal dat bijzonder gevoelig is voor de aanwezigheid van grote niet-metallische insluitingen.
Lagers werken onder zeer hoge, cyclische contactspanningen, en de insluiting kan de plaats worden waar vermoeidheidsscheuren ontstaan.
Bij de productie van hoogwaardig lagerstaal zijn de volgende aspecten daarom van groot belang:

• laag zuurstofgehalte,
• het beperken van grote insluitingen,
• controle over hun samenstelling,
• controle over hun grootte en opstelling.

Mg-behandeling kan een manier zijn om de insluitsels in dergelijke staalsoorten te wijzigen, mits deze op de juiste wijze in het algehele metallurgische proces wordt geïntegreerd.

Magnesium in verenstaal

Hoogwaardig verenstaal wordt blootgesteld aan herhaalde belastingen, waardoor de vermoeiingsweerstand bijzonder belangrijk is.
Grote oxide- of sulfide-insluitingen kunnen scheurvormingslocaties zijn.
Insluitselcontrole met behulp van magnesium kan daarom ook belangrijk zijn bij de productie van geselecteerde hoogwaardige producten. verenstaalSpeciaal bedoeld voor elementen met een hoge vermoeiingssterkte.

Magnesium en calcium in de staalmetallurgie

Zowel magnesium als calcium kunnen worden gebruikt om insluitsels te modificeren, maar hun metallurgisch gedrag is niet identiek.

In de moderne metallurgie is het ook mogelijk om processen te ontwerpen waarbij rekening wordt gehouden met de interacties tussen Mg en Ca om een ​​specifieke populatie insluitsels te verkrijgen.

Magnesium en aluminium in staal

Aluminium wordt vaak gebruikt als deoxidatiemiddel voor staal. Deoxidatie van Al kan leiden tot de vorming van Al₂O₃ _- insluitingen _. In aanwezigheid van Mg zijn transformaties mogelijk die leiden tot de vorming van spinel.

Vanuit metallurgisch oogpunt is het niet voldoende om alleen het totale Mg- en Al-gehalte te analyseren. Belangrijk is hun activiteit en de balans tussen:

• Magnesium opgelost in vloeibaar staal,
• Aluminium opgelost in staal,
• zuurstof,
• zwavel,
• gevormde oxiden, spinellen en sulfiden.

Magnesium, mangaan en zwavel

Mangan is van groot belang bij het beheersen van de impact zwavel op staal en bevordert de vorming van MnS in plaats van het ongunstige FeS.
Magnesium heeft echter een zeer sterke affiniteit voor zwavel en kan deelnemen aan de modificatie van sulfide-insluitingen.
Als gevolg hiervan kan het Fe–Mn–Mg–S–O-systeem leiden tot de vorming van complexe insluitsels met eigenschappen en morfologie die verschillen van klassiek MnS.
Dit is met name belangrijk wanneer het doel is om langwerpige insluitingen te verminderen die tijdens de kunststofverwerking ontstaan.

Magnesium en de bewerkbaarheid van staal

Ook niet-metallische insluitingen beïnvloeden het snijproces.
Hun samenstelling, hardheid, grootte en verspreiding kunnen van invloed zijn op:

• slijtage van het lemmet,
• spaanderbreuk,
• wrijving op het raakvlak tussen gereedschap en materiaal,
• oppervlaktekwaliteit na bewerking.

De modificatie van insluitsels door magnesium kan dus de bewerkbaarheid beïnvloeden, maar de richting van de verandering hangt af van het specifieke staal en de resulterende insluitselpopulatie.
Het kan daarom niet als algemene regel worden aangenomen dat elke toevoeging van magnesium automatisch de bewerkbaarheid verbetert.

Magnesium en lasbaarheid

De invloed van magnesium op de lasbaarheid van staal is voornamelijk indirect.
Het veranderen van het type en de verdeling van insluitsels kan het gedrag van het materiaal in de warmtebeïnvloede zone en de processen van microstructuurvorming beïnvloeden.
In bepaalde metallurgische concepten worden fijne magnesiumoxiden gebruikt om de transformaties te beheersen die optreden tijdens de thermische cyclus van het lassen.
Het effect is echter afhankelijk van de staalsamenstelling, de productietechnologie en de lasparameters.

Oxidemetallurgie – gebruik van fijne magnesiumoxiden

Een specifiek toepassingsgebied van magnesium is het concept dat bekend staat als oxidemetallurgie – oxidemetallurgie.
In plaats van alle oxide-insluitingen uitsluitend als onzuiverheden te beschouwen, is het doel hun samenstelling, aantal en grootte te beheersen, zodat zeer fijne deeltjes een specifieke functie kunnen vervullen bij het vormgeven van de microstructuur.
Fijne oxiden die magnesium bevatten kunnen onder geschikte omstandigheden:

• deelnemen aan de kiemvorming van specifieke fasen,
• beïnvloeden de graangroei,
• beïnvloeden de veranderingen die optreden tijdens het afkoelen,
• beïnvloedt de microstructuur van de warmtebeïnvloede zone tijdens het lassen.

Dit is een veel geavanceerdere toepassing van magnesium dan de klassieke deoxidatie of ontzwaveling.

Hoeveel magnesium wordt er aan staal toegevoegd?

In tegenstelling tot klassieke legeringselementen wordt magnesium doorgaans in zeer kleine hoeveelheden gebruikt . Er bestaat geen universeel magnesiumgehalte voor alle staalsoorten. De optimale hoeveelheid hangt onder andere af van:

• soort staal,
• initieel zuurstof- en zwavelgehalte,
• inhoud aluminium,
• aanwezigheid van calcium,
• het type insluitingen dat vereist is,
• methoden voor het toedienen van magnesium,
• temperatuur van vloeibaar staal,
• tijd tussen de verwerking van magnesium en het gieten.

In de metallurgische praktijk kunnen de in ppm gemeten waarden belangrijk zijn ; zelfs kleine veranderingen in de hoeveelheid magnesium kunnen daarom een ​​aanzienlijke invloed hebben op het type insluitsels dat wordt gevormd.

Waarom kan een teveel aan magnesium schadelijk zijn?

Een hoger magnesiumgehalte betekent niet automatisch beter staal.
Overmatige of onjuist gecontroleerde verwerking kan leiden tot:

• vorming van een overmatig aantal harde MgO-insluitingen,
• vorming van ongewenste MgO·Al-spinellen₂O₃,
• opeenhoping van insluitingen,
• problemen tijdens het gieten,
• afzetting van reactieproducten op de elementen van het gietsysteem,
• Verslechtering van de staalzuiverheid in plaats van verbetering.

Daarom moet magnesium worden beschouwd als een nauwkeurig gecontroleerde metallurgische modifier , en niet als een additief waarvan het gunstige effect toeneemt naarmate het gehalte hoger is.

Magnesium en andere elementen die in staal worden gebruikt

Magnesium in staal en magnesiumlegeringen

Er moet een duidelijk onderscheid worden gemaakt. Magnesium als kleine toevoeging of modificator gebruikt in de staalmetallurgie. van magnesiumlegeringen.
Bij staal blijft het basisbestanddeel behouden. ijzerMg komt slechts in zeer kleine hoeveelheden voor en wordt voornamelijk gebruikt om metallurgische processen en insluitsels te beheersen.
Magnesium legeringen Het betreft een aparte groep materialen waarin magnesium (Mg) het voornaamste matrixbestanddeel is. Ze worden gekenmerkt door een zeer lage dichtheid en worden gebruikt in toepassingen zoals de luchtvaart, de automobielindustrie en lichtgewichtconstructies.
Dit zijn twee totaal verschillende groepen toepassingen van magnesium.

Het belang van magnesium in de moderne staalmetallurgie

Met de toenemende eisen aan vermoeiingslevensduur, slagvastheid en betrouwbaarheid van componenten, wordt niet alleen de nominale chemische samenstelling van staal steeds belangrijker, maar ook metallurgische zuiverheid en insluitingstechniek.
Op dit gebied kan magnesium een ​​zeer belangrijke rol spelen.
Het gebruik ervan maakt het mogelijk dat op de juiste wijze ontworpen processen invloed uitoefenen op:

• chemische samenstelling van insluitsels,
• hun grootte,
• morfologie,
• regeling,
• neiging tot vervorming tijdens walsen en smeden,
• het effect van insluitsels op de microstructuur.

Om deze reden moet magnesium in de eerste plaats worden beschouwd als een technologisch element dat wordt gebruikt om de metallurgische kwaliteit van staal nauwkeurig te controleren.

Magnesium (Mg) in staal – samenvatting

Magnesium (Mg) is geen typisch legeringselement van staal, maar een zeer reactief metallurgisch additief dat voornamelijk wordt gebruikt om niet-metallische insluitingen te modificeren, te ontzwavelen en de zuiverheid van staal te controleren.
Hoge affiniteit van Mg voor zuurstof en zwavel Dit maakt onder andere de vorming van MgO en MgS mogelijk, evenals de transformatie van andere insluitsels die in het vloeibare staal aanwezig zijn.
De interactie van magnesium met insluitsels die tijdens de deoxidatie ontstaan, is van bijzonder belang. aluminium en de mogelijkheid om MgO·Al-spinellen te creëren₂O₃.
Gecontroleerde magnesiumbehandeling kan de nadelige effecten van grote en langwerpige insluitingen verminderen, de anisotropie van materiaaleigenschappen terugdringen en, bij bepaalde staalsoorten, de slagvastheid en vermoeiingslevensduur verbeteren.
Tegelijkertijd vereist magnesium een ​​zeer nauwkeurige technologische controle. Vanwege de hoge reactiviteit en het lage kookpunt ten opzichte van de temperatuur van vloeibaar staal, kan het niet als een typische legeringstoevoeging worden beschouwd.
Het grootste belang van magnesium in moderne staalsoorten ligt in de secundaire metallurgie, de metallurgische zuiverheid en de engineering van niet-metallische insluitsels.

Ijzer Steenkool chromium Nikkel Vanadium Mangan Silicium molybdenum Wolfraam Koper Titanium Aluminium Kobalt niobium fosfor Zwavel Zuurstof stikstof magnesium Zink