Теуллий (Te): повышение свойств стали и металлургические применения

Определение и основные свойства

Теллур (Te) — это полуметалл, относящийся к группе 16 (халькогены) периодической таблицы. Он проявляет свойства, промежуточные между металлами и неметаллами, характеризующиеся хрупкой кристаллической структурой и полупроводящим поведением. В своей элементарной форме теллур выглядит как серебристо-серое, металлическое вещество с блестящей металлической глазурью, но зачастую хрупкий и легко рассыпается.

Атомно у теллура атомный номер составляет 52, его атомная масса примерно 127,6 г/моль. Его электронная конфигурация — [Kr] 4d^10 5s^2 5p^4, что влияет на его химическую реактивность и свойства связи. Кристаллическая структура теллура обычно гексагональная или ортогональная, в зависимости от аллотропа.

Физически, теллур имеет плотность около 6,24 г/см³ при комнатной температуре. Температура плавления составляет примерно 449,5°C (841.1°F), а кипит около 988°C (1810°F). Элемент относительно хрупкий, с низкой твердостью (около 2 по шкале Мооса), и обладает полупроводящими электрическими свойствами, что делает его полезным в электронных приложениях.

В контексте сталеплавильного производства физические свойства теллура влияют на его поведение при высокотемпературных процессах и взаимодействие с другими легирующими элементами. Его высокая температура плавления и хрупкость требуют специальных методов обращения и добавления для эффективного использования его металлургических преимуществ.

Роль в металлургии стали

Основные функции

Основная роль теллура в металлургии стали — как легирующего элемента, улучшающего некоторые механические и физические свойства. Он используется в первую очередь для повышения обрабатываемости, особенно в сталях с свободным резанием, за счет изменения микроструктуры и характеристик включений.

В развитии микроструктуры теллур влияет на формирование и распределение включений, часто способствуя образованию глобулярных или сфероидных включений, которые способствуют разрушению заусенцев и уменьшают износ инструмента. Он также может уточнять размер зерна и влиять на преобразование фаз, способствуя повышению прочности и пластичности.

Теллур часто добавляют специально к определенным маркам сталей для достижения нужных характеристик, таких как сталит с свободным резанием, высокопроизводительные инструментальные стали или специальные сплавы. Его присутствие помогает определять эти типы стали, придавая им уникальную обрабатываемость и физические свойства.

Исторический контекст

Использование теллура в производстве стали началось в середине XX века, поскольку вырос спрос на улучшенную обрабатываемость. Ранние исследования выявили его способность изменять морфологию включений и повышать резание без значительных потерь прочности.

Значительные достижения в понимании эффектов теллура появились в 1960-х и 1970-х годах, что привело к стандартизированным практикам его контролируемого добавления. Ведущие марки стали, такие как углеродистые с свободным резанием и некоторые легированные стали, включали теллур для выполнения промышленных требований к резанию и производительности.

Расселение в составе стали

В сталях теллур обычно присутствует в следовых количествах — примерно от 0,001% до 0,1% по массе, в зависимости от марки стали и назначения. Обычно он добавляется специально как мелкий легирующий элемент для оптимизации обрабатываемости.

В большинстве случаев теллур находится в твердом растворе внутри матрицы стали или в составе фаз включений, таких как телуриды (например, FeTe) или другие соединения. Эти включения часто сфероидизируют для улучшения обрабатываемости и уменьшения износа инструмента.

В некоторых случаях теллур считается примесью, особенно если он введен непреднамеренно через загрязненные сырье или переработанный лом. Однако при контролируемом легировании его содержание строго регулируется для балансирования преимуществ и возможных недостатков.

Металлургические эффекты и механизмы

Влияние на микроструктуру

Теллур влияет на микроструктуру стали прежде всего через свою роль в морфологии включений и фазовых преобразованиях. Он способствует образованию глобулярных телуридных включений, которые служат благоприятными очагами для возникновения и распространения трещин, что повышает обрабатываемость.

Также он способствует уточнению размера зерна, ингибируя его рост в процессе горячей обработки, что приводит к более однородной и мелкозернистой микроструктуре. Кроме того, теллур изменяет температуры трансформации, такие как точки Ac1 и Ac3, влияя на стабильность таких фаз, как феррит, перлит и бейлит.

Взаимодействие с другими легирующими элементами, такими как сера, марганец и фосфор, влияет на формирование сложных включений. Теллур склонен образовывать стабильные телуриды с железом и другими металлами, которые менее вредны, чем сульфиды или оксиды, тем самым улучшая общую микроструктурную стабильность.

Влияние на основные свойства

Механические свойства значительно улучшаются с добавлением теллура. Оно повышает обрабатываемость за счет создания сфероидных включений, облегчающих разрушение заусенцев и уменьшающих усилия резания. Это часто приводит к увеличению срока службы инструмента, повышению скоростей обработки и улучшению качества поверхности.

Физически, теллур чуть-чуть влияет на теплопроводность и электропроводность за счет полупроводящих свойств. Его присутствие также может незначительно изменять магнитные свойства, что может иметь значение в некоторых приложениях магнитных сталей.

Химически, теллур улучшают коррозионную стойкость в некоторых марках стали, снижая образование вредных включений сульфидов, которые могут стать очагами коррозии. Он также способствует поведению при окислении во время обработки при высокой температуре, обеспечивая более чистые поверхности стали.

Механизмы сопротивления

Теллур способствует укреплению стали преимущественно за счет формирования включений. Образование сфероидных телуридных включений действует как микроструктурный барьер для движения дислокаций и обеспечивает вид осадочного укрепления.

Количественные связи показывают, что небольшие добавки (около 0,01-0,05%) могут привести к заметным улучшениям обрабатываемости без существенного снижения прочности. Изменения в микроструктуре, такие как уточнение зерна и морфология включений, отвечают за эти свойства.

Микроструктурные изменения, вызванные теллуром, особенно сфероидизация включений, уменьшают концентрацию напряжений и улучшают ударную вязкость и пластичность, балансируя прочность и обрабатываемость.

Производство и методы добавления

Природные источники

Теллур — редкий полуметалл, получаемый в основном как побочный продукт при рафинировании медных, золотых и свинцовых руд. Его извлекают из сульфидных руд методом обжигa, плавки и электролитического рафинирования.

Мировое производство сосредоточено в странах с значительным добычей меди и свинца, таких как Чили, США, Перу и Австралия. Процесс рафинирования включает дробление, флотацию, обжиг и электровосстановление для получения металлургической чистоты теллура, подходящей для легирования.

Из-за его скудности и стратегической важности теллур считается критическим материалом в электронике и металлургии. Его наличие влияет на стоимость и стабильность поставок для производителей сталей, желающих включать его в свои сплавы.

Формы добавки

Теллур обычно добавляют в виде богатых теллуром ферросплавов, таких как ферросиликон или ферроманганец, или в чистом виде в виде порошка. Эти формы обеспечивают контролируемое добавление и равномерное распределение.

Подготовка включает легирование в электропечах или добавление в ковши, где теллур вводится в расплавленную сталь. Обращение требует мер предосторожности против пыли и паров, поскольку соединения теллура токсичны.

Коэффициенты извлечения зависят от метода добавления и процесса производства стали, при правильных техниках достигают более 90%. Точное регулирование количества добавок обеспечивает нужную концентрацию и микроструктурные эффекты.

Время и методы добавления

Теллур обычно добавляют на этапе рафинирования в ковше, после первичного плавления, но перед заливкой. Это обеспечивает лучшее рассеивание и формирование включений, а также минимизирует потери через испарение.

Метка металлургического процесса — стимулировать образование сфероидных телуридных включений и оптимизировать их распределение внутри стали. Равномерное перемешивание достигается при помощи мешания или электромагнитных колебаний.

Для обеспечения однородности добавки часто проводят в несколько этапов или используют предварительно легированные ферросплавы. Регулярный контроль температуры и химического состава необходим для получения стабильных результатов.

Контроль качества

Проверка уровня теллура осуществляется спектроскопическими методами, такими как масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ICP-MS) или оптическая эмиссионная спектроскопия (OES). Эти методы обеспечивают точные измерения концентрации.

Обнаружение аномальной морфологии включений или реакций осуществляется металлографическим анализом и сканирующей электронной микроскопией (SEM). Эти методы помогают выявить телуридные включения и оценить их сфероидизацию.

Процессный контроль включает поддержание правильной температуры, мешания и химии шлака для предотвращения сегрегации или нежелательных реакций. Регулярное взятие проб и анализ позволяют обеспечить соответствие добавленной концентрации и желаемым металлургическим свойствам.

Типичные диапазоны концентраций и эффекты

Класс стали	Типичный диапазон концентрации	Основная задача	Ключевые эффекты
Свободно-режущие углеродистые стали	0.005% – 0.02%	Повышение обрабатываемости	Сфероидные телуридные включения, снижение износа инструмента
Легированные стал и (например, быстрорезы)	0.01% – 0.05%	Улучшение обрабатываемости и прочности	Тонкое распределение включений, улучшение поверхности
Электрические стали	0.001% – 0.01%	Модификация магнитных свойств	Незначительное влияние на проницаемость и потери в сердечнике
Конструкционные стали	<0.001%	Минимальное влияние	Обычно считается примесью, незначительные эффекты

Обоснование таких вариаций заключается в балансировании обрабатываемости, механической прочности и коррозионной стойкости. Точное управление содержанием теллура обеспечивает оптимальную работоспособность без ущерба для других свойств.

Критические пороги: например, превышение порядка 0,05% может привести к хрупкости или чрезмерному образованию включений, что негативно скажется на ударной вязкости. Слишком низкие концентрации могут быть неэффективны для достижения желаемых улучшений обрабатываемости.

Промышленные применения и марки стали

Основные сегменты применения

Эффекты теллура особенно ценны при производстве сталей с свободным резанием, используемых в автомобильных компонентах, крепежных изделиях и точно механизированных деталях. Его способность повышать обрабатываемость снижает производственные издержки и увеличивает производительность.

В секторе инструментальных сталей теллур способствует производству высокопроизводительных режущих инструментов и штампов, где важны качество поверхности и долговечность инструмента. В применениях к магнитным сталям он также дает преимущества в магнитных свойствах.

Другие сектора включают аэрокосмическую промышленность и оборону, где используют специальные стали с настроенной микроструктурой и свойствами, используя эффекты включений теллура.

Типичные марки сталей

Распространенные марки сталей, содержащие теллур:

• АИСИ 12L14: Углеродистая сталь с примерно 0,01% теллура, оптимизированная для резания и отделки поверхности.
• BS EN 10088-2 316Ti: Нержавеющие стали с следовыми добавками теллура для улучшения обрабатываемости.
• Быстрорежущие стали (например, M2, M42): содержат небольшие уровни теллура (около 0,02%) для повышения режущих характеристик.

Эти марки характеризуются высокой обрабатываемостью, хорошим качеством поверхности и достаточной прочностью для своих приложений.

Преимущества эффективности

Стали с теллуром демонстрируют превосходную обрабатываемость по сравнению с обычными сталями, с меньшими усилиями резания, более длительным сроком службы инструмента и улучшенным качеством поверхности. Это снижает производственные издержки и повышает производительность.

Недостатки включают возможную хрупкость при неконтролируемых концентрациях или снижение коррозионной стойкости в определенных условиях. Инженеры выбирают оптимальные уровни теллура для максимизации преимуществ и минимизации недостатков.

Кейсы

Один из случаев — разработка стали с свободным резанием для автопоков, где добавление теллура повысило разрушение заусенцев и снизило износ инструмента на 30%. Это позволило увеличить скорости обработки и снизить затраты на инструмент.

Еще один пример — производство высокопроизводительных сверл, где теллурсодержащие стали демонстрировали улучшенное качество поверхности и увеличенную долговечность, что приводило к существенной экономии.

Особенности обработки и вызовы

Проблемы при производстве стали

Высокая температура плавления и хрупкость теллура создают сложности при плавке и рафинировании. Он может испаряться при высоких температурах, что вызывает потери при неправильных условиях.

Взаимодействие с огнеупорными материалами может привести к загрязнению или реакциям шлака, требующим совместимых огнеупорных покрытий и регулировки химического состава шлака. Контроль поведения теллура в процессе рафинирования важен для предотвращения сегрегации или потерь.

Стратегии включают использование защитных шлаковых накрытий, контролируемых атмосферы печей и точное управление температурой для минимизации испарения и обеспечения однородного распределения.

Влияние на литье и затвердевание

Теллур влияет на поведение затвердевания, способствуя формированию сфероидных включений, что помогает снижать тенденции к сегрегации. Однако чрезмерное содержание может привести к скоплению включений или дефектам заливки.

Контроль включений очень важен; изменения в практике литья, такие как регулировка скоростей охлаждения и мешания, помогают достигать однородных микроструктур. Правильное управление включениями снижает риск пористости и горячих трещин.

Особенности горячей и холодной обработки

При горячей обработке наличие теллура может уточнять зерно и улучшать пластичность, однако избыточное его количество может привести к хрупкости или трещинам. Тепловая обработка может требовать коррекции для учета микроструктурных изменений.

Холодная обработка также может быть влиятельной — включения телурида могут сосредоточиться при деформации и крырности, если не сфероидизировать их должным образом. Послепроцессные термические обработки помогают гомогенизировать микроструктуру и восстанавливать пластичность.

Здоровье, безопасность и экологические аспекты

Обращение с теллуром требует мер предосторожности из-за его токсичности и потенциальной опасности для окружающей среды. Пыль и пары, возникающие при легировании или механической обработке, должны контролироваться с помощью вентиляции и средств индивидуальной защиты.

Экологические нормы ограничивают утилизацию отходов, содержащих теллур, что требует переработки и правильного обращения с отходами. Переработанный стальной лом с теллуром должен соответствовать определенным стандартам для предотвращения загрязнения окружающей среды.

Экономические факторы и рыночный контекст

Стоимость

Теллур — сравнительно редкий и дорогой элемент, цены на который подвержены волатильности в зависимости от спроса и предложения. Его стоимость значительно влияет на общую цену специальных сталей.

Факторы, влияющие на поставки, включают объем добычи, геополитическую стабильность и технологические новшества в добыче. Анализы затрат и выгод часто оправдывают его использование в высокоценных приложениях, где преимущества в резании или производительности перевешивают стоимость материала.

Альтернативные элементы

Потенциальные заменители теллура — селен (Se) и висмут (Bi), которые также могут придавать схожие свойства при обрабатываемости. Однако различия в эффективности и стоимости влияют на их внедрение.

По сравнению с теллуром, селен более распространен и дешевле, но может не давать таких же микроструктурных эффектов. Висмут способен улучшать резание, но может вызывать другие проблемы, такие как хрупкость или склонность к коррозии.

Инженеры оценивают эти варианты на основе требований к применению, стоимости и экологической ситуации.

Будущие тренды

Развивающиеся применения включают передовые магнитные стали и высокоэффективные сплавы, где используют свойства полупроводников теллура. Технологические разработки в области переработки и добычи могут повысить стабильность поставок.

Устойчивое развитие вызывает исследования по уменьшению содержания теллура или его замене более доступными элементами при сохранении нужных свойств. Разработка новых стратегий легирования направлена на оптимизацию показателей и экологический аспект.

Связанные элементы, соединения и стандарты

Связанные элементы или соединения

Элементы с аналогичным металлургическим эффектом — селен (Se), который также может изменять морфологию включений и улучшать обрабатываемость. Висмут (Bi) — еще один заменитель, используемый в сталях с свободным резанием.

Теллуриды, такие как железо-теллурид (FeTe), — основные соединения, образующиеся в микроструктуре сталей. Эти включения значительно влияют на микроструктуру и свойства.

Конкурентные элементы — сера и фосфор, которые склонны образовывать вредные сульфиды и фосфиды, что снижает полезное влияние теллура.

Ключевые стандарты и технические требования

Международные стандарты по использованию теллура в сталях включают ASTM A582, ASTM A484 и EN 10263, которые определяют химический состав, контроль включений и методы испытаний.

Методы тестирования включают спектроскопию, характеристику включений через микроскопию, механические испытания для подтверждения повышения свойств.

Требования к сертификации включают отслеживаемость элементов легирования, морфологию включений и соблюдение лимитов химического состава.

Исследовательские направления

Текущие исследования сосредоточены на понимании микроструктурных механизмов воздействия теллура, разработке экономичных методов переработки и изучении его роли в новых маркировках сталей.

Новые подходы включают наноструктурирование, усовершенствование включений и комбинирование теллура с другими элементами для дальнейшей настройки свойств.

Перспективные направления — синтез новых соединений теллура или создание альтернативных концепций легирования, которые обеспечивают аналогичные преимущества более доступными материалами.

---

Данный обширный обзор предоставляет подробную информацию о роли теллура в металлургии сталей, охватывая основные свойства, механические и металлургические эффекты, особенности производства и рыночный контекст, что делает его ценным справочным материалом для специалистов в области стали.