Окисні неметалеві включення в стали

Частинки оксидів в більшій чи меншій мірі залишаються в металі і, як і сульфіди і нітриди, утворюють в стали окрему фазу неметалічних включень. За походженням окисні неметалеві включення можна розділити на екзогенні та ендогенні.

Екзогенні неметалеві включення вносяться в сталь ззовні в результаті механічної дії металу на футеровку. Так як такі включення зазвичай бувають великими, вони швидко спливають в металі і серед залишених в стали включень їх частка не велика (до 5-15%).

Основну частину окисних неметалічних включень в сталі складають ендогенні включення, що утворюються в самому металі в результаті зміни термодинамічних умов і розвитку ряду фізико-хімічних процесів. а саме:

окислення домішок в окислювальний період плавки;
розкислення;
зміни умов (констант) рівноваги з пониженням температури;
зменшення розчинності при охолодженні;
підвищення концентрації в розчині в результаті ликвации.

Основна частина окисних неметалеві включень в сталі утворюється в результаті розкислення. Слід зазначити, що і інші причини утворення окисних включень в спокійній стали (зміна умов рівноваги - зменшення констант рівноваги, розчинності, ликвации) також викликають взаємодія кисню з раскислителями, т. Е. Освіту продуктів розкислення. Отже, розкислення стали відбувається не тільки під час присадки розкислювачів, а й після цього аж до кристалізації і на всіх стадіях від присадки розкислювачів до кристалізації утворюються окисних включення продуктів розкислення. Первинні продукти розкислення утворюються під час присадки розкислювачів згідно з детально розглянутими умовами.

Вторинні продукти розкислення утворюються під час охолодження стали при випуску, витримці в ковші і розливання внаслідок умов рівноваги - зміни констант рівноваги і зменшення твори рівноважних концентрацій раскислителя і кисню. Важливу роль в утворенні окисних неметалеві включень в цей період відіграє вторинну окислення стали при контактуванні струменя з повітрям під час випуску і розливання.

Третинні продукти розкислення утворюються під час кристалізації. т. е. охолодження металу в двофазному стані, відповідному області, розташованої на діаграмі стану між лініями ліквідусу і солідусу. Причинами їх утворення є зниження температури і відповідно зміна умов (констант) рівноваги і, головне, розвиток ліквационних процесів, переважно кисню.

Видалення теоретичних продуктів розкислення внаслідок заплутування їх в зростаючих кристалах утруднено, а при утворенні в междендрітних просторах майже неможливо. Більш сприятливі умови видалення первинних і вторинних продуктів розкислення. утворюються в гомогенної рідкої середовищі. Але і вони частково залишаються в металі.

Зазвичай окисні неметалеві включення знаходяться в твердій сталі у вигляді сполук різних окислів. силікатів, шпинелей і ін. У вигляді чистого оксиду часто зустрічається лише корунд.

Корунд є альфа-модифікацією глинозему Al2 03. На металографічних шліфах при розгляді під мікроскопом у відбитому світлі кристали корунду мають зазвичай вид зерен невизначеної форми або шестикутників, частіше неправильної форми (рис. 1, а).

Натисніть на малюнок, щоб збільшити.

Малюнок 1. Неметалічні включення корунду в твердій стали
а - строчечного розташування включень встали ЗОХГСНА, X 400, б - вид включення гексагональної форми, X 900

Неметалеві включення корунду зазвичай розташовуються у вигляді окремих дезорієнтованих грон дрібних, які не зімкнутих між собою кристалів. У катаної або кованої сталі ці грона витягуються в напрямку деформації металу, утворюючи рядки (рис. 1, б). У зв'язку з дуже високими твердістю (9 одиниць по десяткової шкалою) і температурою плавлення включення корунду при обробці тиском не деформуються.

Крім корунду, в стали, раскисленной алюмінієм, є неметалеві включення шпінелі на основі Аl2 O3. Найбільш часто зустрічаються включення залізної шпінелі - герцініта (FeO-Al2 O3) та марганцевої шпінелі-галаксіта (MnO-Al2 O3), що утворюють безперервний ряд твердих розчинів, а також інші включення систем FeO-Al2 O3 і MnO-Al2 O3. На металографічних шліфах ці включення мають вигляд прямокутних кристалів правильної кубічної форми (рис. 2, а) або трикутників.

Натисніть на малюнок, щоб збільшити.

Малюнок 2. Включення марганцевої шпінелі (галаксіта)
а - окреме включення, X 1500, б - строчечного розташування в стали ЗОХГСНА, Х400

Включення залізної і марганцевої шпінелі часто розташовуються також окремими гронами, витягуються в рядки під час прокатки або кування (рис. 2, б). Однак при цьому самі кристали герцініта і галаксіта зважаючи на їх високу твердістю не піддаються пластичної деформації, змінюється лише їх взаємне розташування.

Натисніть на малюнок, щоб збільшити.

Малюнок 3. Включення в стали силікатів
(А, б) і алюмосилікатів з кристалами корунду і шпінелі (в), X 800

Часто зустрічаються і інші шпінелі на основі алюмінію, зокрема магнезіальних (MgO-Al2 O3) та кальцієва.

Виділяється при раскислении кремнієм кремнезем (SiO2) у вигляді самостійних включень в сталі зустрічається рідко. Але освічені їм з іншими оксидами силікати становлять велику групу неметалічних включень в сталі.

Зазвичай неметалеві включення силікатів дуже складні внаслідок розчинення ними інших оксидів, сульфідів і тому подібних з'єднань, з якими вони утворюють різні нові з'єднання і механічні суміші. Часто вони мають в стали вид складних конгломератів, в яких можна розрізнити ряд мінералів.

Найбільш часто в стали зустрічаються неметалеві включення силікатів заліза (2FeO-Si02 - фаяліт) і марганцю (2MnO-SiO2 - тефроїт, MnO-SiO2 - Роданом). На металографічних шліфах вони мають вигляд глобулу з кристалами інших мінералів на поверхні (рис. 3, а); І бувало, що вони розташовуються у вигляді складних скупчень (рис. 3, б). При температурах гарячої обробки тиском вони пластичні і під час прокатки або кування витягуються. Часто зустрічаються також включення алюмосиликатов, зокрема муллита (3Al2 O3 -2SiO2) і сіліманіта (Al2 O3 -SiO2) ромбічної і овальної форми. Знаходяться вони переважно групами (рис. 3, в). Ці включення непластичною і вони не деформуються.

У легованих сталях відповідно наявності тих чи інших елементів до складу неметалевих включень можуть входити оксиди хрому, титану, ванадію та ін.

Окисні неметалеві включення мають негативний вплив на деякі властивості стали. При обробці тиском скупчення окисних включень, а часто і самі включення витягуються в напрямку течії металу і тому істотно впливають на властивості в поперечному напрямку течії металу при куванні або прокатці. Вплив це є наслідком порушення однорідного напруженого стану металу і концентрації напружень біля включень, що грають роль надрізів, особливо при незграбною формі або гострих краях. Так як концентрація напружень викликає виникнення об'ємного напруженого стану, включення погіршують властивості металу, що характеризують його пластичність (відносне подовження і відносне звуження) і ударну в'язкість. Найбільш сильний вплив включень зазвичай проявляється на ударній в'язкості, особливо чутливою до надрізів металу і концентраторів напружень. Зниження ударної в'язкості, наприклад при наявності строчечного включень в площині зламу, може досягати 30-70%.

Строчечного неметалеві включення можуть викликати розшарування металу під дією зовнішніх навантажень. Це викликає швидкий знос і забраковиваніе сталевих виробів.

Глобулярні окисні неметалеві включення, розташовані на контактної поверхні, знижують зносостійкість і втомну міцність сталі. В умовах швидко мінливих навантажень включення фарбували, викликаючи відколювання і посилений знос підшипників, а також їх руйнування внаслідок різкого падіння втомної міцності при наявності дефектів поверхні, біля яких концентруються напруги і починається утомлююча руйнування.

Окисні неметалеві включення викликають виникнення в стали ряду специфічних дефектів - пористість, точкову неоднорідність, волосовини і ін.