Доменное пр-во
Электрометаллургия
Конвертерное пр-во
Разливка стали
Популярные материалы

Неметаллические включения в металле

Частицы окислов в большей или меньшей мере остаются в металле и, как и сульфиды и нитриды, образуют в стали отдельную фазу неметаллических включений. По происхождению окисные неметаллические включения можно разделить на экзогенные и эндогенные.

Экзогенные неметаллические включения вносятся в сталь извне в результате механического воздействия металла на футеровку. Так как такие включения обычно бывают крупными, они быстро всплывают в металле и среди остающихся в стали включений их доля не велика (до 5—15%).

Основную часть окисных неметаллических включений в стали составляют эндогенные включения, образующиеся в самом металле в результате изменения термодинамических условий и развития ряда физико-химических процессов, а именно:

  • окисления примесей в окислительный период плавки;
  • раскисления;
  • изменения условий (констант) равновесия с понижением температуры;
  • уменьшения растворимости при охлаждении;
  • повышения концентрации в растворе в результате ликвации.

Окисные неметаллические включения, образовавшиеся в результате окисления примесей, как и попавшие в металл из шихты и футеровки печи, в окислительный период в значительной мере удаляются в шлак и лишь небольшая часть их остается в металле. В конце окислительного периода содержание окисных включений (Al2O3 и SiO2) обычно не превышает 0,002—0,004 %.

Основная часть окисных неметаллические включений в стали образуется в результате раскисления. Следует отметить, что и другие причины образования окисных включений в спокойной стали (изменение условий равновесия — уменьшение констант равновесия, растворимости, ликвации) также вызывают взаимодействие кислорода с раскислителями, т. е. образование продуктов раскисления. Следовательно, раскисление стали происходит не только во время присадки раскислителей, но и после этого вплоть до кристаллизации и на всех стадиях от присадки раскислителей до кристаллизации образуются окисные включения продуктов раскисления. Первичные продукты раскисления образуются во время присадки раскислителей сообразно с подробно рассмотренными условиями.

Вторичные продукты раскисления образуются во время охлаждения стали при выпуске, выдержке в ковше и разливке вследствие условий равновесия — изменения констант равновесия и уменьшения произведения равновесных концентраций раскислителя и кислорода. Важную роль в образовании окисных неметаллические включений в этот период играет вторичное окисление стали при контактировании струи с воздухом во время выпуска и разливки.

Третичные продукты раскисления образуются во время кристаллизации, т. е. охлаждения металла в двухфазном состоянии, соответствующем области, расположенной на диаграмме состояния между линиями ликвидуса и солидуса. Причинами их образования являются понижение температуры и соответственно изменение условий (констант) равновесия и, главное, развитие ликвационных процессов, преимущественно кислорода.

Удаление третичных продуктов раскисления вследствие запутывания их в растущих кристаллах затруднено, а при образовании в междендритных пространствах почти невозможно. Более благоприятны условия удаления первичных и вторичных продуктов раскисления, образующихся в гомогенной жидкой среде. Но и они частично остаются в металле.

Обычно содержание окисных неметаллических включений в спокойной стали составляет 0,01—0,03%. В их состав входит 60—90% Аl2O3; 2—30% SiO2; 1—10% FeO; 1—10% MnO. Кроме этих окислов, встречаются Cr2O3, MgO и др.

Обычно окисные неметаллические включения находятся в твердой стали в виде соединений разных окислов: силикатов, шпинелей и др. В виде чистого окисла часто встречается лишь корунд.

Корунд является альфа-модификацией глинозема Al203. На металлографических шлифах при рассмотрении под микроскопом в отраженном свете кристаллы корунда имеют обычно вид зерен неопределенной формы или шестиугольников, чаще неправильной формы (рис. 1, а).

Кликните на рисунок, чтобы увеличить.
 Продукты раскисления
Рисунок 1. Неметаллические включения корунда в твердой стали
а — строчечное расположение включений встали ЗОХГСНА, X 400, б — вид включения гексагональной формы, X 900

Неметаллические включения корунда обычно располагаются в виде отдельных дезориентированных гроздьев мелких, не сомкнутых между собой кристаллов. В катаной или кованой стали эти гроздья вытягиваются в направлении деформации металла, образуя строчки (рис. 1, б). В связи с очень высокими твердостью (9 единиц по десятичной шкале) и температурой плавления включения корунда при обработке давлением не деформируются.

Кроме корунда, в стали, раскисленной алюминием, имеются неметаллические включения шпинели на основе Аl2O3. Наиболее часто встречаются включения железной шпинели — герцинита (FeO-Al2O3) и марганцевой шпинели-галаксита (MnO-Al2O3), образующие непрерывный ряд твердых растворов, а также другие включения систем FeO-Al2O3 и MnO—Al2O3. На металлографических шлифах эти включения имеют вид прямоугольных кристаллов правильной кубической формы (рис. 2, а) или треугольников.

Кликните на рисунок, чтобы увеличить.
 Продукты раскисления
Рисунок 2. Включение марганцевой шпинели (галаксита)
а — отдельное включение, X 1500, б — строчечное расположение в стали ЗОХГСНА, Х400

Включения железной и марганцевой шпинели часто располагаются также отдельными гроздьями, вытягивающимися в строчки при прокатке или ковке (рис. 2, б). Однако при этом сами кристаллы герцинита и галаксита ввиду их высокой твердости не подвергаются пластической деформации, изменяется лишь их взаимное расположение.

Кликните на рисунок, чтобы увеличить.
 Продукты раскисления
Рисунок 3. Включения в стали силикатов
(а, б) и алюмосиликатов с кристаллами корунда и шпинели (в), X 800
Часто встречаются и другие шпинели на основе алюминия, в частности магнезиальная (MgO-Al2O3) и кальциевая.

Выделяющийся при раскислении кремнием кремнезем (SiO2) в виде самостоятельных включений в стали встречается редко. Но образованные им с другими окислами силикаты представляют большую группу неметаллических включений в стали.

Обычно неметаллические включения силикатов очень сложны вследствие растворения ими других окислов, сульфидов и тому подобных соединений, с которыми они образуют различные новые соединения и механические смеси. Часто они имеют в стали вид сложных конгломератов, в которых можно различить ряд минералов.

Наиболее часто в стали встречаются неметаллические включения силикатов железа (2FeO-Si02 - фаялит) и марганца (2MnO-SiO2 - тефроит, MnO-SiO2 - роданит). На металлографических шлифах они имеют вид глобулей с кристаллами других минералов на поверхности (рис. 3, а); иногда же они располагаются в виде сложных скоплений (рис. 3, б). При температурах горячей обработки давлением они пластичны и во время прокатки или ковки вытягиваются. Часто встречаются также включения алюмосиликатов, в частности муллита (3Al2O3-2SiO2) и силиманита (Al2O3-SiO2) ромбической и овальной формы. Располагаются они преимущественно группами (рис. 3, в). Эти включения непластичны и они не деформируются.

В легированных сталях соответственно наличию тех или иных элементов в состав неметаллических включений могут входить окислы хрома, титана, ванадия и др.

Окисные неметаллические включения оказывают отрицательное влияние на некоторые свойства стали. При обработке давлением скопления окисных включений, а часто и сами включения вытягиваются в направлении течения металла и поэтому оказывают существенное влияние на свойства в поперечном направлении течению металла при ковке или прокатке. Влияние это является следствием нарушения однородного напряженного состояния металла и концентрации напряжений возле включений, играющих роль надрезов, особенно при угловатой форме или острых краях. Так как концентрация напряжений вызывает возникновение объемного напряженного состояния, включения ухудшают свойства металла, характеризующие его пластичность (относительное удлинение и относительное сужение) и ударную вязкость. Наиболее сильно влияние включений обычно проявляется на ударной вязкости, особо чувствительной к надрезам металла и концентраторам напряжений. Понижение ударной вязкости, например при наличии строчечных включений в плоскости излома, может достигать 30—70%.

Строчечные неметаллические включения могут вызывать расслаивание металла под действием внешних нагрузок. Это вызывает быстрый износ и забраковывание стальных изделий.

Глобулярные окисные неметаллические включения, расположенные на контактной поверхности, понижают износостойкость и усталостную прочность стали. В условиях быстро меняющихся нагрузок включения выкрашиваются, вызывая откалывание и усиленный износ подшипников, а также их разрушение вследствие резкого падения усталостной прочности при наличии дефектов поверхности, возле которых концентрируются напряжения и начинается усталостное разрушение.

Окисные неметаллические включения вызывают возникновение в стали ряда специфических дефектов — пористость, точечную неоднородность, волосовины и др.


Источник [4] → список литературы.


Вернуться в начало раздела: Физико-химические основы плавки стали
Вернуться на главную: Черная металлургия