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.