I. Неметаллические включения

К неметаллическим включениям относятся химические сое-1 динения, образовавшиеся в стали в процессе ее производ­ства— выплавки и разливки. Неметаллические включения являются важнейшим фактором, характеризующим «метал – лургйческое» качество стали. Они существенно влияют на качество и свойства стальных изделий, их эксплуатацион­ные характеристики в зависимости от природы, количест­ва, формы, размера и характера распределения.

Согласно классификации, предложенной А. А. Байко­вым, все неметаллические включения по природе их проис­хождения можно разделить на два вида:

1. Эндогенные неметаллические включения—соедине­ния, образовавшиеся в стали в результате химических ре­акций, протекающих в процессе ее выплавки, раскисления и разливки, и вследствие изменения растворимости приме-‘ сей в процессе кристаллизации слитка.

2. Экзогенные неметаллические включения — частицы’ различных соединений, попавшие в жидкую сталь или в слиток извне, т. е. из шихтовых материалов, огнеупорной футеровки сталеплавильных агрегатов и устройств и т. п.

Указанные неметаллические включения могут взаимо­действовать между собой, образуя комплексные соедине­ния.

Количество включений и особенно их размер в различ­ных сталях и отдельных плавках могут сильно колебаться: объемная доля их обычно находится в пределах 0,01-^-. 0,1 %, а размер от IO-5 до 10 мм и более. Однако основная масса неметаллических включений в стали имеет размер более Ю-3 мм. Экзогенные включения почти всегда значи­тельно крупнее эндогенных и их размер практически неог­раничен.

Размеры неметаллических включений и их количество в стали должны соответствовать ГОСТ 1178—75 «Металлографические методы определения неметаллических включений». Загрязненность стали неме­таллическими включениями определяют путем сравнения с эталонными шкалами или подсчетом числа и объемной доли включений в деформи­рованном и литом металле.

Автоматизированный подсчет числа и дисперсии распределения не­металлических включений по размерам осуществляют на количествен­ных металлографических микроскопах типа «Kwantimet» или «Epi – kwant». Фазовый состав их определяют металлографическим, петрогра­фическим, рентгеиоструктурным и электронографическим методами, а химический состав — химическим анализом’ выделенного осадка и ло­кальным рентгеноспектральным методом. Наиболее эффективны микро­анализаторы типа «Comebaks», позволяющие определить фазовый и хи­мический состав неметаллических включений размером от 0,5—1,0 мкм 2* 19

Классификация неметаллических включений по соста­ву условна, так как во многих случаях включения являют­ся комплексными и состоят из нескольких типов химиче­ских соединений. В соответствии с ГОСТ 1778—75 неметал­лические включения подразделяют на кислородные (оксиды и силикаты), сульфиды и нитриды.

Кислородные включения наиболее многочисленны. Боль­шинство этих включений являются продуктами раскисле­ния стали. Они могут быть и экзогенными (частицы огне­упоров). М. И. Виноград разделяет их на четыре вида:

1. Простые окислы: Al2O3—окись алюминия (ко­рунд, глинозем); SiO2 — двуокись кремния (кварц, кремне­зем); FeO — закись железа: Fe2O3 — окись железа; TiO2— двуокись титана; Cr2O3 — окись хрома и др.

2. Сложные окислы (шпинели): FeO-MnO — закись железа и марганца; FeO-Cr2O3—хромиты; FeO – – V2O5—ванадиты; FeO-Ti2O5—ильменит; FeO-Al2O3- герцинит; MgO-Al2O3 — магнезиальная шпинель; CaO – – Al2O3— алюминат кальция.

3. Силикаты и алюмосиликаты (кристал­лические): 2FeO-SiO2 — силикат железа (файялит); 2MnO – SiO2—силикат марганца (тефроит): mCaO-ZiSiO2— марганца; 3Al203-2Si02—алюмосиликат муллит; Al2O3- – SiO2— алюмосиликат силлиманит.

4. Стекла. Не имеют кристаллического строения. Обычно в их составе содержится кремнезем. Наиболее ча­сто встречаются кварцевое стекло, силикатные стекла с примесью окислов алюминия, марганца, хрома и др.

Различные типы кислородных неметаллических включе­ний приведены на рис. 6.

Сульфидные включения образуются при затвердевании стали вследствие того, что растворимость серы в жидкой фазе значительно выше, чем в твердом растворе.

В сталях в основном образуются сульфиды железа и марганца — FeS и MnS. Сульфид железа FeS имеет тем­пературу плавления 1188°С, однако в стали он образует легкоплавкую эвтектику (988 °С). Сульфид марганца MnS имеет температуру плавления 1620°С, т. е. выше темпера­туры плавления стали.

Из-за того, что сера имеет большее сродство к марган­цу, чем к железу, в сталях при наличии определенного со­держания марганца предпочтительнее образуется сульфид марганца или комплексный сульфид (Mn, Fe)S, имеющий состав: 60—62 % Mn; 34—35 % S и 2—31% Fe.

Легирующие элементы также могут образовывать суль­фиды в стали. Никель и кобальт образуют легкоплавкие нестойкие сульфиды, а сульфиды хрома, циркония, титана, ниобия, ванадия более тугоплавки.

Г

Кристаллизация сульфидов в стали зачастую происхо­дит на подложках окислов, при этом комплексные вклю­чения называются оксисульфвдами (например, FeO-MnS; FeO-SiO2-MnS). Некоторые сульфидные включения в го­рячекатаной стали показаны на рис. 6, д, е.

F

•i ‘

6′ Кислородные (а—г) и сульфидные (д, е) неметаллические включения в Деформированной стали:

Глинозем, х 100; б — силикаты пластичные, X100; а — силикаты хрупкие, Х500; г —сложные окислы, Х500; д — сульфиды, хЮО; е — оксисульфиды, х500

Нитриды можно отнести к неметаллическим включени­ям лишь условно, да и то в ограниченных случаях. Будем относить их к ним только в том случае, когда они являются продуктом соединения остаточного азота в стали (менее 0,008%) с нитридообразующими элементами (прежде все­го с титаном и алюминием), попавшими в сталь случайно в небольших количествах (до 0,02—0,03%) либо введенных в сталь с раскислителями. Нитриды нельзя считать неме­таллическими включениями в тех случаях, когда нитридо – образующие элементы (Ti, Zr, V, Nb, Al и др.) вводят в сталь как легирующие добавки, либо совместно с ними вво­дится в сталь повышенное, в сравнении с остаточным, со­держание азота (более 0,01 %), а образующиеся при этом нитриды и карбонитриды придают стали специальные свой­ства. Такие нитриды следует рассматривать как промежу­точные соединения, являющиеся фазовыми составляющими стали, взаимодействующими с твердым раствором (а – и у- железа) при термической обработке.

Состав включений, нх фазовый состав определяют деформируемость включений при горячей пластической деформации стали (рис. 7). Вели­чина V характеризует степень деформации включений и представляет определенную долю от степени деформации слитка. При v= 1 включе­ния деформируются в той же степени, как н сталь.

Температура горячей прокатки, 0C Длина н. в., мм

Рис. 7. Деформируемость (а) и изменение размеров (б) неметаллических включе­ний (и. в.) при горячей пластической деформации (М. А. Штремель)

Из приведенных данных видно (рис. 7, а), что наиболее легко де­формируются сульфиды MnS. Силикаты марганца начинают деформиро­ваться прн более низкой температуре, чем силикаты железа и кальция. При температурах горячей прокатки (1000—1300 °С) эти силикатные включения пластичны и имеют степень деформации V=I в отличие от двуокиси кремния, включения которой практически не деформируются при этих температурах. Не деформируются при горячей прокатке также включения на основе окисн алюминия — А120з – Однако такие недефор – мируемые включения при прокатке могут дробиться и. вытягиваются в строчки. Пластичные же включения при горячей прокатке удлиняются

6) и толщина их заметно уменьшается, по сравнению с литым аллом На рис. 7, б приведена диаграмма, характеризующая измене – ^p толшины и длины пластичных неметаллических включений (н. в) при гппячей прокатке слнтка на лист и проволоку. Стрелки на диаграмме Указывают примерное изменение размеров неметаллических включений L слитка до соответствующего проката.

Механизм воздействия неметаллических включении на свойства ста­ли обоснован и обобщен в работах М. А. Штремеля, которые кратко

¦излагаются ннже.

Различные виды разрушения обусловлены наличием включении раз­ного размера. При хрупком разрушении неметаллические включения

Опасны лишь как первичный очаг, когда нх размер d>d„p= (n/2(/Cic/crT)J,

Где Kic — критерий хрупкого разрушения, O1— предел текучести стали.

Проведенная оценка D показала, что даже для высокопрочных ста­лей dKр=2 мм, т. е. хрупкое разрушение могут вызвать лишь крупные экзогенные включения. В отли­чие от хрупкого вязкое разру­шение практически всегда кон­тролируется включениями. На дне ямок, характеризующих вязкий излом стали, практиче­ски всегда имеются неметалли­ческие включения (ими могут быть также карбиды, ннтрнды), размер которых не превышает 0,05—0,5 мкм. Этн включения определяют работу распростра­нения вязкого излома, тогда как более крупные включения (несколько мкм) обусловлива­ют стадию зарождения вязко­го излома. Неравномерность распределения неметалличес­ких включений уменьшает энергоемкость вязкого разру­шения, т. е – размер ямок увели­чивается.

Рис. 8. Ферритная полосчатость в го­рячекатаной стали, обусловленная строчками сульфидов, XlOO

Неметаллические включе­ния увеличивают анизотропию механических свойств дефор­мированной стали, особенно показатели пластичности — относительное сужение и удлинение. Этн свойства в направлении поперек прокатки могут быть в 1,5—3,0 раза ннже, чем в направлении вдоль про­катки. На поперечных образцах неметаллические включения мо­гут обусловливать появление так называемого шиферного (древовид­ного) излома. Особенно опасны неметаллические включения при испы­тании механических свойств по толщине листа — снижается не только пластичность стали, но и ее прочность. Необходимо отметить большую роль неметаллических включений в усталостной прочности стали. Неме­таллические включения, выходящие на поверхность изделия или залега­ющие вблизи нее, могут стать очагом усталостной трещины. Поэтому решающее влияние неметаллические включения оказывают на «контакт­ную» усталость, а именно выкрашивание трущихся поверхностей (ша­рикоподшипники, головкн рельсов, цементованные зубья шестерен ДР ). В то же время равноосные неметаллические включения, находя­щиеся в глубине изделия, не оказывают влияния на усталость стали, так как усталостная трещина, зародившаяся иа крупном дефекте, дви­гается в глубь металла широким фронтом.

Концентрация напряжений при упругой деформации зависит от упругих свойств самих неметаллических включений. Чем больше их мо­дуль упругости, тем выше напряжения около них. Поэтому наибольшие напряжения создаются около прочных иедеформируемых включений ти­па А120з и SiO2. Острые ребра жестких включений также будут усили­вать концентрацию около них остаточных напряжений.

Пластичные силикаты и сульфиды в горячекатаной стали усилива­ют ферритиую полосчатость (рис. 8). Такое действие силикатов обу­словлено тем, что нити этнх неметаллических включений, образовавших­ся при кристаллизации жидкой стали, обогащают прилегающий металл шириной до 10 мкм кремнием благодаря диффузии его в металл при высоких температурах, вследствие чего повышается термодинамическая активность углерода и ои вытесняется из этого слоя, облегчая образо­вание в нем феррита. В случае возникновения в деформированной стали строчек сульфида марганца в результате выделения его нз твердого раствора прилегающие к ним участки металла соединяются марганцем, устойчивость переохлажденного аустенита в нем понижается и прн охлаждении в них образуется избыточный феррит. Нормализация стали практически не изменяет ферритную полосчатость, обусловленную сили­катами, и уменьшает полосчатость, причиной которой являются суль­фиды.

Некоторые неметаллические включения могут существенно влиять на рост зерна аустеннта, устойчивость переохлажденного аустенита при у->а-превращеннн.

Следует отметить, что повышение конструктивной прочносгн сталь, ных изделий не всегда коррелирует с уменьшением числа и размера не­металлических включений в стали. Имеются исследования, в которых показана положительная роль неметаллических включений определен­ного состава н морфологнн в достижении заданного комплекса механи­ческих, технологических и эксплуатационных свойств ряда сталей н из­делий из них.

В настоящее время в металлургии широко используют различные технологические процессы н способы производства стали, в результате которых достигается существенное уменьшение загрязненности металла неметаллическими включениями, и становится возможным регулирова­ние нх состава, размера и характера распределения. К таким процессам и способам относятся: рафинирующие переплавы (электрошлаковый, вакуумно-дуговой), вакуумная индукционная плавка, внепечная обра­ботка стали синтетическими шлаками, вакуумнрование в ковше и др.