Magnezij Mg (magnezij) v jeklu – lastnosti, vpliv na jeklo in metalurške aplikacije

Magnezij (Mg) je lahek, zelo reaktiven kovinski element, ki ima v metalurgiji jekla povsem drugačno vlogo kot tipični legirni dodatki, kot so krom, nikelj, molibden ali vanadijZaradi zelo visoke afinitete do kisik i žveplo Magnezij se uporablja predvsem kot element, ki modificira nekovinske vključke, podpira deoksidacijo in razžveplanje ter izboljšuje metalurško čistost jekla.
Magnezij se običajno ne vgrajuje v jeklo v velikih količinah kot klasični legirni element. Njegovi učinki so povezani predvsem z majhnimi, nadzorovanimi dodatki, ki se uporabljajo med sekundarno metalurgijo in procesi rafiniranja tekočega jekla.
Pravilno izvedena magnezijeva terapija lahko spremeni vrsta, velikost, oblika in porazdelitev nekovinskih vključkov, kar lahko vpliva na udarno trdnost, odpornost proti utrujanju, prečne lastnosti, obdelovalnost in obnašanje jekla med nadaljnjo obdelavo.

Magnezij (Magnezij) – osnovne informacije

Vloga magnezija v jeklu

Pri klasičnih konstrukcijskih jeklih vsebnost magnezija običajno ni eden glavnih parametrov, ki opredeljujejo vrsto jekla. Njen pomen je predvsem povezan z metalurškim procesom.
Najpomembnejše funkcije Mg vključujejo:

• deoksidacija tekočega jekla,
• razžvepljevanje,
• modifikacija sulfidov,
• modifikacija oksidov in kompleksnih nekovinskih vključkov,
• omejevanje pojavljanja velikih in podolgovatih vključkov,
• izboljšanje metalurške čistosti jekla,
• vpliv na nukleacijo in razvoj mikrostrukture v specifičnih tehnologijah.

Učinek dodatka magnezija je odvisen od njegove količine, načina vnosa, vsebnosti kisika in žvepla , predhodne deoksidacije jekla in prisotnosti drugih elementov, zlasti aluminija , mangana in kalcija.

Zakaj je magnezij težaven metalurški dodatek?

Magnezij ima vrelišče veliko nižje od vrelišča tekočega jekla.
Pri temperaturi tekočega jekla ima Mg zelo visok parni tlak in izjemno visoko reaktivnost.
Neposredno in nenadzorovano dodajanje magnezija tekočemu jeklu bi povzročilo zelo hitro izhlapevanje in intenzivne reakcije.
Zato je treba Mg vnašati nadzorovano, na primer v obliki ustrezno pripravljenih zlitin, polnjenih žic ali z uporabo posebnih tehnologij za povečanje izkoristka magnezija.
Nadzor nad metodo vnosa Mg je eden ključnih elementov učinkovite obdelave jekla z magnezijem.

Magnezij kot deoksidant jekla

Magnezij ima zelo visoko kemijsko afiniteto za kisik.
Lahko reagira s kisikom, raztopljenim v tekočem jeklu:

Nastajajoče magnezijev oksid MgO je termodinamično zelo stabilna spojina.
Sposobnost magnezija, da veže kisik, pomeni, da lahko sodeluje v procesih deoksidacije in modifikacije obstoječih oksidov.
Vendar pa v praksi Mg ne nadomesti samodejno tipičnih tehnologij deoksidacije, ki med drugim uporabljajo aluminij, silicij i manganPogosteje je element naprednejše metalurške obdelave, ki se izvede po začetni deoksidaciji jekla.

Razžvepljevanje magnezija in jekla

Druga zelo pomembna lastnost Mg je njegova visoka afiniteta za žveplo.
Magnezij lahko sodeluje v reakciji, ki vodi do nastanka magnezijevega sulfida:

Zahvaljujoč temu lahko Mg podpira globoko razžveplanje tekočega jekla.
V dejanskem metalurškem procesu so reakcije bolj kompleksne in učinkovitost odstranjevanja žvepla je med drugim odvisna od:

• aktivnost kisika,
• sestava dirkališča,
• temperatura,
• količina vnesenega Mg,
• metoda vnosa magnezija,
• pogoji za mešanje kovinske kopeli.

Zaradi hkratne zelo močne afinitete Mg za kisik je za učinkovito nadzorovanje žvepla potrebna ustrezna priprava tekočega jekla.

Magnezijev in manganov sulfid MnS

Medmeti MnS – manganov sulfid so pomembni vključki, ki jih najdemo v mnogih vrstah jekla.
Med kotaljenje lub kovanje Plastični vključki MnS se lahko podaljšajo v smeri deformacije materiala.
To vodi do nastanka značilnih podolgovatih pasov vključkov.
Takšne vključitve lahko povzročijo:

• anizotropija mehanskih lastnosti,
• poslabšanje lastnosti v prečni smeri,
• zmanjšanje odpornosti proti razpokam pod določenimi pogoji,
• nastanek mest za začetek utrujenostnih razpok,
• poslabšanje lastnosti pod dinamičnimi obremenitvami.

Obdelava z Mg lahko spremeni naravo sulfidnih vključkov, zmanjša delež klasičnega podolgovatega MnS in spodbudi nastanek bolj kompleksnih vključkov, ki vsebujejo Mg.

Modifikacija nekovinskih vključkov z magnezijem

Ena najpomembnejših sodobnih uporab magnezija v jeklarski metalurgiji je modifikacija vključkov – modifikacija nekovinskih vključkov.
Nekovinski vključki nastanejo med drugim kot posledica naslednjih reakcij:

• deoksidacija,
• razžvepljevanje,
• reakcija med kovino in žlindro,
• reakcija z ognjevzdržnimi materiali,
• sekundarna oksidacija tekočega jekla.

Magnezij lahko reagira z obstoječimi vključki in spremeni njihovo kemično sestavo in morfologijo.
Glede na sestavo jekla se lahko pojavijo naslednji pojavi:

• MgO,
• MgS,
• MgO·Al₂O₃ – magnezijev-aluminijev spinel,
• kompleksni oksidno-sulfidi, ki vsebujejo Mg,
• večkomponentni vključki, ki vsebujejo Mg, Ca, Al, O in S.

Vključki magnezija in Al₂O₃

V deoksidiranih jeklih aluminij Lahko se pojavijo vključki Al₂O₃.
Aluminijev oksid je zelo trd in se lahko pojavlja v skupkih ali kot nepravilni delci.
Prisotnost Mg lahko povzroči reakcije z vključki, ki vsebujejo Al₂O₃ in nastanek vključki spinela MgO·Al₂O₃.
Vendar je treba ta proces skrbno nadzorovati.
Nastanek spinela ni vedno samodejno koristen. Vključki trdega spinela lahko povzročijo tudi tehnološke težave, zato je cilj obdelave z Mg nadzorovana modifikacija vključene populacije, ne zgolj maksimiranja količine MgO ali spinelov.

Metalurška čistost jekla

Koncept metalurška čistost ne pomeni le nizke vsebnosti skupnega kisika ali žvepla.
Pomembni so tudi:

• število vključkov,
• njihova velikost,
• obrazec,
• kemična sestava,
• porazdelitev v materialu,
• nagnjenost k nastajanju grozdov.

Pri sodobnih visokokakovostnih jeklih je zato nadzor vključkov prav tako pomemben kot nadzor kemične sestave matrice.
Magnezij je lahko eno od orodij, ki se uporabljajo za inženiring nekovinskih vključkov.

Vpliv magnezija na mehanske lastnosti jekla

Mg se ne poveča neposredno mehanske lastnosti jeklo na enak način kot klasični legirni elementi.
Njegov vpliv je večinoma posreden in izhaja iz nadzora nad vključki.

Vendar učinek ni univerzalen. Prekomerne količine Mg ali nastanek neugodnih trdih vključkov lahko povzročijo nasproten učinek.

Magnezij in utrujenostna trdnost

Nekovinski vključki so eno pomembnih mest nastanka utrujenostnih razpok v visokotrdnostnih jeklih.
Veliki, trdi ali koncentrirani vključki, ki se nahajajo blizu površine ali na območjih z visoko napetostjo, so lahko še posebej neugodni.
Nadzorovana obdelava z Mg lahko spremeni porazdelitev velikosti in morfologijo vključkov, kar omogoča povečanje odpornost na utrujenost.
To je še posebej pomembno pri visoko čistih jeklih, namenjenih za visoko obremenjene strojne dele.

Magnezij in udarna trdnost jekla

Podolgovati sulfidni pasovi in ​​veliki vključki lahko olajšajo nastanek in širjenje razpok.
Njihova sprememba lahko zato vpliva na rezultate raziskave. udarna trdnost.
Najpomembnejši dejavnik je lahko omejitev anizotropije, saj podolgovati vključki, ki nastanejo med valjanjem, povzročijo, da so lastnosti materiala odvisne od smeri vzorčenja.
Spreminjanje vključkov v smeri finejših in ugodneje porazdeljenih delcev lahko zmanjša to odvisnost.

Magnezij in drobnozrnato jeklo

Fini vključki, ki vsebujejo Mg, lahko pod določenimi pogoji delujejo kot mesta za heterogeno nukleacijo drugih faz.
Ta pojav se uporablja v raziskavah in izbranih tehnologijah, povezanih z nadzorom mikrostrukture jekla.
Posebej zanimiva je možnost uporabe zelo finih oksidov, ki vsebujejo Mg, kot nukleacijskih mest med faznimi transformacijami.
Vendar ta mehanizem ne pomeni, da vsak dodatek Mg samodejno povzroči zmanjševanje zrn. Učinek je odvisen od števila, velikosti, sestave in porazdelitve delcev ter celotnega toplotnega cikla materiala.

Magnezij v visoko čistih jeklih

Pomen Mg se še posebej poveča pri jeklih, katerih lastnosti omejujejo nekovinski vključki.
To velja med drugim za izbrane:

• visokotrdnostna konstrukcijska jekla,
• ležajna jekla,
• vzmetno jeklo,
• orodna jekla,
• jeklo, namenjeno za visoko obremenjene strojne komponente,
• jeklo s posebnimi zahtevami glede metalurške čistosti.

Pri takšnih materialih je lahko nadzor že zelo majhnih količin vključkov pomemben za operativno vzdržljivost.

Magnezij v ležajnih jeklih

Ležajna jekla so materiali, ki so še posebej občutljivi na prisotnost velikih nekovinskih vključkov.
Ležaji delujejo pod zelo visokimi, cikličnimi kontaktnimi napetostmi, vključek pa lahko postane mesto nastanka utrujenostnih razpok.
Zato je pri proizvodnji visokokakovostnih ležajnih jekel zelo pomembno naslednje:

• nizka vsebnost kisika,
• omejevanje velikih vključkov,
• nadzor nad njihovo sestavo,
• nadzor nad njihovo velikostjo in razporeditvijo.

Obdelava z Mg je lahko eden od načinov za spreminjanje populacije vključkov v takšnih jeklih, če je pravilno vključena v celoten metalurški proces.

Magnezij v vzmetnih jeklih

Visokokakovostna vzmetna jekla delujejo pod ponavljajočimi se obremenitvami, zato je njihova odpornost proti utrujanju še posebej pomembna.
Veliki vključki oksidov ali sulfidov so lahko mesta začetka razpok.
Nadzor vključkov z uporabo Mg je zato lahko pomemben tudi pri proizvodnji izbranih visokokakovostnih vzmetno jeklo, posebej namenjen za elemente z visoko utrujenostno trdnostjo.

Magnezij in kalcij v jeklarski metalurgiji

Tako magnezij kot kalcij se lahko uporabljata za modifikacijo vključkov, vendar njuno metalurško obnašanje ni enako.

V sodobni metalurgiji je mogoče zasnovati tudi postopke, pri katerih se interakcije Mg in Ca upoštevajo skupaj, da se dobi specifična populacija vključkov.

Magnezij in aluminij v jeklu

Aluminij je pogosto uporabljeno deoksidacijsko sredstvo za jeklo. Deoksidacija Al lahko povzroči nastanek _{vključkov Al2O3} . V prisotnosti Mg so možne transformacije, ki vodijo do nastanka spinela :

Z metalurškega vidika ni dovolj analizirati le skupne vsebnosti Mg in Al. Pomembna je njuna aktivnost in ravnovesje med:

• Mg raztopljen v tekočem jeklu,
• Al raztopljen v jeklu,
• kisik,
• žveplo,
• tvorili okside, spinele in sulfide.

Magnezij, mangan in žveplo

Mangan je zelo pomembno pri nadzoru vpliva žveplo na jeklu in spodbuja nastanek MnS namesto neugodnega FeS.
Vendar pa ima Mg zelo močno afiniteto za žveplo in lahko sodeluje pri modifikaciji sulfidnih vključkov.
Posledično lahko sistem Fe–Mn–Mg–S–O privede do nastanka kompleksnih vključkov z lastnostmi in morfologijo, ki se razlikujejo od klasičnega MnS.
To je še posebej pomembno, kadar je cilj zmanjšati podolgovate vključke, ki nastanejo med predelavo plastike.

Magnezij in obdelovalnost jekla

Nekovinski vključki vplivajo tudi na proces rezanja.
Njihova sestava, trdota, velikost in porazdelitev lahko vplivajo na:

• obraba rezila,
• lomljenje odrezkov,
• trenje na vmesniku med orodjem in materialom,
• kakovost površine po obdelavi.

Zato lahko modifikacija vključkov z Mg vpliva na obdelovalnost, vendar je smer spremembe odvisna od specifičnega jekla in nastale populacije vključkov.
Zato ni mogoče sklepati kot splošno pravilo, da vsak dodatek Mg samodejno izboljša obdelovalnost.

Magnezij in varivost

Vpliv Mg na varivost jekla je predvsem posreden.
Spreminjanje vrste in porazdelitve vključkov lahko vpliva na obnašanje materiala v območju toplotnega vpliva in na procese nukleacije mikrostrukture.
V izbranih metalurških konceptih se za nadzor transformacij, ki se pojavljajo med varilnim toplotnim ciklom, uporabljajo fini oksidi, ki vsebujejo Mg.
Vendar pa je učinek odvisen od sestave jekla, tehnologije izdelave in parametrov varjenja.

Oksidna metalurgija – uporaba finih Mg oksidov

Posebno področje uporabe Mg je koncept, znan kot oksidna metalurgija – oksidna metalurgija.
Namesto da bi vse oksidne vključke obravnavali zgolj kot nečistoče, je cilj nadzorovati njihovo sestavo, število in velikost, tako da lahko zelo drobni delci opravljajo specifično funkcijo pri oblikovanju mikrostrukture.
Fini oksidi, ki vsebujejo Mg, lahko pod ustreznimi pogoji:

• sodelujejo pri nastanku specifičnih faz,
• vplivajo na rast zrn,
• vplivajo na spremembe, ki se pojavijo med hlajenjem,
• vplivajo na mikrostrukturo toplotno prizadetega območja med varjenjem.

To je veliko bolj napredna uporaba Mg kot klasična deoksidacija ali razžvepljevanje.

Koliko magnezija se doda jeklu?

Za razliko od klasičnih legirnih elementov se magnezij običajno uporablja v zelo majhnih količinah . Ni enotne, univerzalne vsebnosti magnezija za vsa jekla. Optimalna količina je med drugim odvisna od:

• vrsta jekla,
• začetna vsebnost kisika in žvepla,
• zawartości aluminij,
• prisotnost kalcija,
• vrsta zahtevanih vključkov,
• Metode vnosa Mg,
• temperatura tekočega jekla,
• čas med obdelavo Mg in ulivanjem.

V metalurški praksi so lahko vsebnosti, izmerjene v ppm, pomembne , zato lahko že majhne spremembe količine Mg pomembno vplivajo na vrsto nastalih vključkov.

Zakaj je lahko presežek magnezija škodljiv?

Višja vsebnost Mg ne pomeni samodejno boljšega jekla.
Prekomerna ali nepravilno nadzorovana obdelava lahko povzroči:

• nastanek prekomernega števila trdih vključkov MgO,
• nastanek neželenih MgO·Al spinelov₂O₃,
• aglomeracija vključkov,
• težave med ulivanjem,
• odlaganje reakcijskih produktov na elemente livnega sistema,
• poslabšanje čistosti jekla namesto izboljšanja.

Zato je treba Mg obravnavati kot natančno nadzorovan metalurški modifikator in ne kot dodatek, katerega koristen učinek se povečuje sorazmerno z njegovo vsebnostjo.

Magnezij in drugi elementi, ki se uporabljajo v jeklu

Magnezij v jeklu in magnezijevih zlitinah

Treba je jasno razlikovati Magnezij kot majhen dodatek ali modifikator, ki se uporablja v jeklarski metalurgiji iz magnezijevih zlitin.
Pri jeklu osnovna komponenta ostaja železo, Mg pa se pojavlja le v zelo majhnih količinah in se uporablja predvsem za nadzor metalurških procesov in vključkov.
Magnezijeve zlitine So posebna skupina materialov, v katerih je Mg primarna matrična komponenta. Zanje je značilna zelo nizka gostota in se uporabljajo v aplikacijah, kot so letalstvo, avtomobilska industrija in lahke konstrukcije.
To sta dve popolnoma različni skupini uporabe magnezija.

Pomen magnezija v sodobni metalurgiji jekla

Z naraščajočimi zahtevami glede utrujenostne življenjske dobe, udarne trdnosti in zanesljivosti komponent postaja vse pomembnejša ne le nazivna kemična sestava jekla, temveč tudi metalurška čistost in inženiring vključkov.
Na tem področju ima lahko Mg zelo pomembno vlogo.
Njegova uporaba omogoča ustrezno zasnovane procese, ki vplivajo na:

• kemična sestava vključkov,
• njihova velikost,
• morfologija,
• dogovor,
• nagnjenost k deformacijam med valjanjem in kovanjem,
• vpliv vključkov na mikrostrukturo.

Zaradi tega je treba Mg obravnavati predvsem kot tehnološki element, ki se uporablja za natančen nadzor metalurške kakovosti jekla.

Magnezij Mg v jeklu – povzetek

Magnezij Mg ni tipičen legirni element jekla, temveč zelo reaktiven metalurški dodatek, ki se uporablja predvsem za modifikacijo nekovinskih vključkov, razžveplanje in nadzor čistosti jekla.
Visoka afiniteta Mg za kisik in žveplo omogoča nastanek, med drugim, MgO in MgS ter transformacijo drugih vključkov, prisotnih v tekočem jeklu.
Posebej pomembna je interakcija Mg z vključki, ki nastanejo med deoksidacijo. aluminij in možnost ustvarjanja MgO·Al spinelov₂O₃.
Nadzorovana obdelava z magnezijem lahko zmanjša neželene učinke velikih in podolgovatih vključkov, zmanjša anizotropijo lastnosti in pri nekaterih jeklih izboljša udarno trdnost in utrujenostno dobo.
Hkrati Mg zahteva zelo natančen tehnološki nadzor. Zaradi visoke reaktivnosti in nizkega vrelišča glede na temperaturo tekočega jekla ga ni mogoče obravnavati kot tipičen legirni dodatek.
Največji pomen magnezija v sodobnih jeklih je povezan s sekundarno metalurgijo, metalurško čistostjo in inženiringom nekovinskih vključkov.

Železo Premog Chrom Nikelj Vanadij Mangan Silicij molibden Wolfram baker Titan Aluminij Kobalt niobij fosfor Žveplo Kisik dušik Magnezij Cink