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

Magnesium (Mg) er et lett, svært reaktivt metallisk element som spiller en helt annen rolle i stålmetallurgi enn typiske legeringstilsetninger som krom, nikkel, molybden czy vanadiumPå grunn av sin svært høye affinitet for oksygen i svovel magnesium brukes primært som et element som modifiserer ikke-metalliske inneslutninger, støtter deoksidering og avsvovling, og forbedrer den metallurgiske renheten til stål.
Magnesium innlemmes vanligvis ikke i stål i store mengder som et klassisk legeringselement. Effektene er primært knyttet til små, kontrollerte tilsetninger som brukes under sekundær metallurgi og raffinering av flytende stål.
Riktig utført magnesiumbehandling kan endre type, størrelse, form og fordeling av ikke-metalliske inneslutninger, noe som kan påvirke stålets slagfasthet, utmattingsmotstand, tverrgående egenskaper, maskinbarhet og oppførsel under videre bearbeiding.

Magnesium (Magnesium) – grunnleggende informasjon

Magnesiums rolle i stål

I klassiske konstruksjonsstål er magnesiuminnhold vanligvis ikke en av de primære parameterne som definerer stålkvaliteten. Betydningen er først og fremst knyttet til den metallurgiske prosessen.
De viktigste funksjonene til Mg inkluderer:

• deoksidering av flytende stål,
• avsvovling,
• modifisering av sulfider,
• modifisering av oksider og komplekse ikke-metalliske inneslutninger,
• begrense forekomsten av store og langstrakte inneslutninger,
• forbedring av stålets metallurgiske renhet,
• innflytelse på kimdannelse og mikrostrukturutvikling i spesifikke teknologier.

Effekten av magnesiumtilsetning avhenger av mengden, tilsetningsmetode, oksygen- og svovelinnhold , tidligere deoksidasjon av stålet og tilstedeværelsen av andre elementer, spesielt aluminium , mangan og kalsium.

Hvorfor er magnesium et vanskelig metallurgisk tilsetningsstoff?

Magnesium har et kokepunkt som er mye lavere enn flytende stål.
Ved temperaturen til flytende stål har Mg et veldig høyt damptrykk og ekstremt høy reaktivitet.
Direkte og ukontrollert tilsetning av magnesium til flytende stål ville forårsake svært rask fordampning og intense reaksjoner.
Derfor må Mg introduseres på en kontrollert måte, for eksempel i form av riktig preparerte legeringer, kjernetråder eller ved bruk av spesielle teknologier for å øke magnesiumutbyttet.
Å kontrollere Mg-introduksjonsmetoden er et av nøkkelelementene i effektiv magnesiumbearbeiding av stål.

Magnesium som ståldeoksidasjonsmiddel

Magnesium har en svært høy kjemisk affinitet for oksygen.
Det kan reagere med oksygen oppløst i flytende stål:

Fremvoksende magnesiumoksid MgO er en termodynamisk svært stabil forbindelse.
Magnesiums evne til å binde oksygen betyr at det kan delta i prosessene med deoksidasjon og modifisering av eksisterende oksider.
I praksis erstatter imidlertid ikke Mg automatisk typiske deoksidasjonsteknologier som blant annet bruker aluminium, silisium i manganOftere er det et element av mer avansert metallurgisk prosessering utført etter den første deoksidasjonen av stålet.

Avsvovling av magnesium og stål

Den andre svært viktige egenskapen til Mg er dens høye affinitet for svovel.
Magnesium kan delta i reaksjonen som fører til dannelsen av magnesiumsulfid:

Takket være dette kan Mg understøtte dyp avsvovling av flytende stål.
I selve metallurgiske prosesser er reaksjonene mer komplekse, og effektiviteten av svovelfjerningen avhenger blant annet av:

• oksygenaktivitet,
• speedway-komposisjon,
• temperatur,
• mengden Mg introdusert,
• metode for å introdusere magnesium,
• forhold for blanding av metallbadet.

På grunn av den samtidige svært sterke affiniteten til Mg for oksygen, krever effektiv svovelkontroll passende klargjøring av det flytende stålet.

Magnesium- og mangansulfid MnS

Interjeksjoner MnS – mangansulfid er viktige inneslutninger som finnes i mange typer stål.
Under rullende lub smiing Plastiske MnS-inneslutninger kan forlenges i retning av materialdeformasjon.
Dette fører til dannelsen av karakteristiske langstrakte bånd av inneslutninger.
Slike inneslutninger kan forårsake:

• anisotropi av mekaniske egenskaper,
• forringelse av egenskaper i tverrretningen,
• reduksjon i sprekkmotstand under visse forhold,
• dannelse av utmattingssprekkeinitieringssteder,
• forringelse av egenskaper under dynamiske belastninger.

Mg-behandling kan endre naturen til sulfidinneslutninger, redusere andelen klassisk langstrakt MnS og fremme dannelsen av mer komplekse Mg-holdige inneslutninger.

Modifisering av ikke-metalliske inneslutninger med magnesium

En av de viktigste moderne bruksområdene for magnesium i stålmetallurgi er inklusjonsmodifisering – modifisering av ikke-metalliske inneslutninger.
Ikke-metalliske inneslutninger dannes blant annet som et resultat av følgende reaksjoner:

• deoksidasjon,
• avsvovling,
• reaksjon mellom metall og slagg,
• reaksjon med ildfaste materialer,
• sekundær oksidasjon av flytende stål.

Magnesium kan reagere med eksisterende inneslutninger og endre deres kjemiske sammensetning og morfologi.
Avhengig av stålets sammensetning kan følgende forekomme:

• MgO,
• MgS,
• MgO·Al₂O₃ – magnesium-aluminiumspinell,
• komplekse oksidsulfider som inneholder Mg,
• flerkomponentinneslutninger som inneholder Mg, Ca, Al, O og S.

Magnesium- og Al₂O₃-inneslutninger

I deoksiderte stål aluminium Alle inneslutninger kan forekomme₂O₃.
Aluminiumoksid er svært hardt og kan forekomme i klynger eller som uregelmessige partikler.
Tilstedeværelsen av Mg kan føre til reaksjoner med Al-holdige inneslutninger₂O₃ og dannelse spinellinneslutninger MgO·Al₂O₃.
Denne prosessen må imidlertid kontrolleres nøye.
Dannelsen av spinell er ikke alltid automatisk gunstig. Harde spinellinneslutninger kan også skape teknologiske problemer, så målet med Mg-behandling er kontrollert modifisering av inklusjonspopulasjonen, ikke bare å maksimere mengden MgO eller spineller.

Metallurgisk renhet av stål

Konsept metallurgisk renhet betyr ikke bare lavt totalt oksygen- eller svovelinnhold.
Også viktige er:

• antall inkluderinger,
• størrelsen deres,
• skjema,
• kjemisk sammensetning,
• fordeling i materialet,
• tendens til å danne klynger.

I moderne høykvalitetsstål er kontroll av inneslutninger derfor like viktig som kontroll av matrisens kjemiske sammensetning.
Magnesium kan være et av verktøyene som brukes til ikke-metallisk inkluderingsteknikk.

Effekten av magnesium på stålets mekaniske egenskaper

Mg øker ikke direkte mekaniske egenskaper stål på samme måte som klassiske legeringselementer.
Dens innflytelse er i stor grad indirekte og skyldes kontroll av inkluderinger.

Effekten er imidlertid ikke universell. For store mengder Mg eller dannelse av ugunstige harde inneslutninger kan føre til motsatt effekt.

Magnesium og utmattingsstyrke

Ikke-metalliske inneslutninger er et av de viktige stedene for initiering av utmattingssprekker i høyfast stål.
Store, harde eller konsentrerte inneslutninger som ligger nær overflaten eller i områder med høy belastning kan være spesielt ugunstige.
Kontrollert Mg-behandling kan endre størrelsesfordelingen og morfologien til inneslutninger, noe som gjør det mulig å øke utmattelsesmotstand.
Dette er spesielt viktig i høyrene ståltyper beregnet for maskindeler med høy belastning.

Magnesium og stålets slagfasthet

Langstrakte sulfidbånd og store inneslutninger kan legge til rette for sprekkinitiering og -forplantning.
Modifikasjonen av dem kan derfor påvirke forskningsresultatene. slagstyrke.
Den viktigste faktoren kan være begrensningen av anisotropi, ettersom langstrakte inneslutninger dannet under valsing fører til at materialegenskapene avhenger av prøvetakingsretningen.
Å modifisere inneslutningene mot finere og mer gunstig fordelte partikler kan redusere denne avhengigheten.

Magnesium og finkornet stål

Fine Mg-holdige inneslutninger kan, under visse forhold, fungere som steder for heterogen kimdannelse av andre faser.
Dette fenomenet brukes i forskning og utvalgte teknologier knyttet til kontroll av mikrostrukturen til stål.
Av spesiell interesse er muligheten for å bruke svært fine Mg-holdige oksider som kimdannelsessteder under fasetransformasjoner.
Denne mekanismen betyr imidlertid ikke at hver Mg-tilsetning automatisk forårsaker kornforfining. Effekten avhenger av antall, størrelse, sammensetning og fordeling av partikler, samt materialets totale termiske syklus.

Magnesium i høyrent stål

Betydningen av Mg øker spesielt i stål, der egenskapene er begrenset av ikke-metalliske inneslutninger.
Dette gjelder blant annet utvalgte:

• høyfast konstruksjonsstål,
• lagerstål,
• fjærstål,
• verktøystål,
• stål beregnet for maskinkomponenter med høy belastning,
• stål med spesifikke krav til metallurgisk renhet.

I slike materialer kan det være viktig å kontrollere selv svært små mengder inneslutninger for driftsmessig holdbarhet.

Magnesium i lagerstål

Lagerstål er materialer som er spesielt følsomme for tilstedeværelsen av store ikke-metalliske inneslutninger.
Lagre opererer under svært høye, sykliske kontaktspenninger, og inneslutningen kan bli stedet for utmattingssprekkstart.
Derfor er følgende av stor betydning i produksjonen av høykvalitets lagerstål:

• lavt oksygeninnhold,
• begrense store inneslutninger,
• kontroll over deres sammensetning,
• kontroll over størrelsen og arrangementet deres.

Mg-behandling kan være én måte å modifisere inklusjonspopulasjonen i slike ståltyper hvis den integreres riktig i den overordnede metallurgiske prosessen.

Magnesium i fjærstål

Høykvalitets fjærstål opererer under gjentatte belastninger, så utmattingsmotstanden er spesielt viktig.
Store oksid- eller sulfidinneslutninger kan være sprekkstartsteder.
Inklusjonskontroll ved bruk av Mg kan derfor også være viktig i produksjonen av utvalgte høykvalitetsprodukter. fjærstål, spesielt beregnet for elementer med høy utmattingsstyrke.

Magnesium og kalsium i stålmetallurgi

Både magnesium og kalsium kan brukes til å modifisere inneslutninger, men deres metallurgiske oppførsel er ikke identisk.

I moderne metallurgi er det også mulig å designe prosesser der interaksjonene mellom Mg og Ca vurderes sammen for å oppnå en spesifikk populasjon av inneslutninger.

Magnesium og aluminium i stål

Aluminium er et vanlig brukt deoksidasjonsmiddel for stål. Deoksidasjon av Al kan føre til dannelse av Al₂O₃ _- inneslutninger _. I nærvær av Mg er transformasjoner som fører til spinelldannelse mulige:

Fra et metallurgisk synspunkt er det ikke nok å bare analysere det totale Mg- og Al-innholdet. Det som er viktig er aktiviteten deres og balansen mellom:

• Mg oppløst i flytende stål,
• Al oppløst i stål,
• oksygen,
• svovel,
• dannet oksider, spineller og sulfider.

Magnesium, mangan og svovel

Mangan er av stor betydning for å kontrollere virkningen svovel på stål og fremmer dannelsen av MnS i stedet for det ugunstige FeS.
Mg har imidlertid en veldig sterk affinitet for svovel og kan delta i modifiseringen av sulfidinneslutninger.
Som et resultat kan Fe–Mn–Mg–S–O-systemet føre til dannelsen av komplekse inneslutninger med egenskaper og morfologi som er forskjellig fra klassisk MnS.
Dette er spesielt viktig når målet er å redusere avlange inneslutninger som dannes under plastbearbeiding.

Magnesium og stålets maskinbarhet

Ikke-metalliske inneslutninger påvirker også skjæreprosessen.
Deres sammensetning, hardhet, størrelse og fordeling kan påvirke:

• slitasje på bladet,
• sponbryting,
• friksjon ved grensesnittet mellom verktøy og materiale,
• overflatekvalitet etter bearbeiding.

Derfor kan modifisering av inneslutninger med Mg påvirke maskinbarheten, men retningen på endringen avhenger av det spesifikke stålet og den resulterende inklusjonspopulasjonen.
Derfor kan det ikke antas som en generell regel at enhver Mg-tilsetning automatisk forbedrer maskinbarheten.

Magnesium og sveisbarhet

Mg har hovedsakelig indirekte innflytelse på ståls sveisbarhet.
Endring av type og fordeling av inneslutninger kan påvirke materialets oppførsel i den varmepåvirkede sonen og mikrostrukturens kimdannelsesprosesser.
I utvalgte metallurgiske konsepter brukes fine Mg-holdige oksider til å kontrollere transformasjonene som skjer under sveisesyklusen.
Effekten avhenger imidlertid av stålsammensetningen, produksjonsteknologien og sveiseparametere.

Oksidmetallurgi – bruk av fine Mg-oksider

Et spesielt område for Mg-bruk er konseptet kjent som oksidmetallurgi – oksidmetallurgi.
I stedet for å behandle alle oksidinneslutninger utelukkende som urenheter, er målet å kontrollere deres sammensetning, antall og størrelse slik at svært fine partikler kan utføre en spesifikk funksjon i å forme mikrostrukturen.
Fine oksider som inneholder Mg kan, under passende forhold:

• delta i kimdannelsen av spesifikke faser,
• påvirke kornveksten,
• påvirke endringene som skjer under avkjøling,
• påvirke mikrostrukturen til den varmepåvirkede sonen under sveising.

Dette er en mye mer avansert bruk av Mg enn klassisk deoksidasjon eller avsvovling.

Hvor mye magnesium tilsettes stål?

I motsetning til klassiske legeringselementer brukes magnesium vanligvis i svært små mengder . Det finnes ikke et enkelt, universelt magnesiuminnhold for alle ståltyper. Den optimale mengden avhenger blant annet av:

• type stål,
• initialt oksygen- og svovelinnhold,
• innhold aluminium,
• tilstedeværelsen av kalsium,
• typen inkluderinger som kreves,
• Mg-innføringsmetoder,
• temperaturen på flytende stål,
• tiden mellom Mg-prosessering og støping.

I metallurgisk praksis kan innholdet målt i ppm være viktig , derfor kan selv små endringer i mengden Mg påvirke typen inneslutninger som dannes betydelig.

Hvorfor kan overflødig magnesium være skadelig?

Høyere Mg-innhold betyr ikke automatisk bedre stål.
Overdreven eller feil kontrollert behandling kan føre til:

• dannelse av et for stort antall harde MgO-inneslutninger,
• dannelse av uønskede MgO·Al-spineller₂O₃,
• agglomerasjon av inneslutninger,
• problemer under støping,
• avsetning av reaksjonsprodukter på elementene i støpesystemet,
• forverring av stålrenhet i stedet for forbedring.

Derfor bør Mg behandles som en nøyaktig kontrollert metallurgisk modifiseringsmiddel , og ikke som et tilsetningsstoff hvis gunstige effekt øker proporsjonalt med innholdet.

Magnesium og andre elementer brukt i stål

Magnesium i stål og magnesiumlegeringer

Det må gjøres et klart skille magnesium som et lite tilsetningsstoff eller modifikator brukt i stålmetallurgi fra magnesiumlegeringer.
I stål forblir den grunnleggende komponenten jern, og Mg forekommer bare i svært små mengder og brukes primært til å kontrollere metallurgiske prosesser og inneslutninger.
Magnesiumlegeringer De er en egen gruppe materialer der Mg er den primære matrikskomponenten. De kjennetegnes av svært lav tetthet og brukes i applikasjoner som luftfart, bilindustri og lette konstruksjoner.
Dette er to helt forskjellige grupper av magnesiumapplikasjoner.

Betydningen av magnesium i moderne stålmetallurgi

Med økende krav til utmattingslevetid, slagfasthet og pålitelighet for komponenter, blir ikke bare den nominelle kjemiske sammensetningen av stål stadig viktigere, men også metallurgisk renhet og inklusjonsteknikk.
På dette området kan Mg spille en svært viktig rolle.
Bruken av den gjør det mulig for passende utformede prosesser å påvirke:

• kjemisk sammensetning av inneslutninger,
• størrelsen deres,
• morfologi,
• arrangement,
• tendens til deformasjon under valsing og smiing,
• effekten av inneslutninger på mikrostrukturen.

Av denne grunn bør Mg først og fremst betraktes som et teknologisk element som brukes til å nøyaktig kontrollere den metallurgiske kvaliteten på stål.

Magnesium Mg i stål – sammendrag

Magnesium Mg er ikke et typisk legeringselement i stål, men et svært reaktivt metallurgisk tilsetningsstoff som primært brukes til å modifisere ikke-metalliske inneslutninger, avsvovle og kontrollere renheten til stål.
Høy affinitet av Mg for oksygen og svovel muliggjør dannelsen av blant annet MgO og MgS og omdannelsen av andre inneslutninger som finnes i det flytende stålet.
Samspillet mellom Mg og inneslutninger dannet under deoksidasjon er av spesiell betydning. aluminium og muligheten for å lage MgO·Al-spineller₂O₃.
Kontrollert magnesiumbehandling kan redusere de negative effektene av store og langstrakte inneslutninger, redusere anisotropi av egenskaper og, i visse ståltyper, forbedre slagfasthet og utmattingslevetid.
Samtidig krever Mg svært presis teknologisk kontroll. På grunn av høy reaktivitet og lavt kokepunkt i forhold til temperaturen til flytende stål, kan det ikke behandles som et typisk legeringstilsetningsstoff.
Den største betydningen av magnesium i moderne stål er knyttet til sekundærmetallurgi, metallurgisk renhet og konstruksjon av ikke-metalliske inneslutninger.

Jern Kull krom Nikkel Vanadium Mangan Silisium molybden wolfram kobber Tytan Aluminium Kobalt niob fosfor siarka Oksygen nitrogen Magnesium Sink