Неметаллические включения в стали

СОСТАВЫ ВКЛЮЧЕНИЙ

Неметаллические включения — это химические соединения металлов с неметаллами, находящиеся в стали и сплавах в виде отдельных фаз. Обыч­но неметаллические включения клас­сифицируют по химическому и мине­ралогическому составам, стойкости и происхождению. В свою очередь, по химическому составу неметалличес­кие включения подразделяют на сле­дующие группы.

1. Оксиды (простые — FeO, MnO, Cr₂O₃, SiO₂, A1₂0₃₎ ТiO₂ и др.; сложные — FeO • Fe₂O₃, FeO • А1₂О₃, Fe₂O₃•Al₂O₃, FeO•Cr₂O₃, MgO•Al₂O₃, 2CaO•SiO₂, 2FeO•Si0₂, 2MnO • SiO₂ и др.).

2 Сульфиды (простые — FeS, MnS, A1₂S₃, CaS, MgS, Zr₂S₃, Ce₂S₃ и др.; сложные (оксисульфиды) — FeS • FeO, MnS • MnO, (Mn, Fe)S • FeO и др.).

3. Нитриды (простые — ZrN, TiN, AIM, CeN, NbN, VN и др.; сложные (карбонитриды) — Ti(C, N), Nb(C, N) и др.), которые встречаются в легиро-

ванных сталях, в состав которых вхо­дят сильные нитридообразующие эле­менты (титан, алюминий, ниобий, ва­надий, церий и др.).

4. Фосфиды (Fe₃P, Fe₂P, Mn₅P₂ и др.).

5. Карбиды (Fe₃C, Mn₃C, Со₃С, Cr₃C₂, W₂C, WC и др.).

6. Интерметаллиды.

Наибольшее количество включе­ний в стали приходится на долю окси­дов и сульфидов, так как содержание фосфора обычно низкое. Нитриды присутствуют только в специальных сталях, в состав которых входят эле­менты с высоким химическим срод­ством к азоту. По минералогическому составу кислородные включения де­лят на следующие основные группы: 1) свободные оксиды — FeO, MnO, Cr₂O₃, SiO₂ (кварц), А1₂О₃ (корунд) и др.; 2) шпинели — сложные оксиды, образованные двух- и трехвалентны­ми металлами типа Ме²⁺• Ме₂³⁺ • О₄^2-, ферриты, хромиты, алюминаты (например, FeO • Fe₂O₃ — магнетит, FeO • Cr₂O₃ — хромит, FeO • А1₂О₃ —герценит); 3) силикаты, присутствую­щие в стали в виде стекол, образован­ных чистым SiO₂ или SiO₂ с примеся­ми в нем оксидов железа, марганца, хрома, алюминия, вольфрама, а также кристаллических силикатов (орто- и метасиликатов) типа Me₂SiO₄ и MeO•SiO₂, например Fe₂SiO₄ — файялит, Mn₂SiO₄ — тефроит, (Fe, Mg)₂SiO₄ — оливин, Ca(Fe, Mg) SiO₄ — железис­тый монтичеллит, MnO • SiO₂ — родо­нит и др.

Самую большую группу неметалли­ческих включений в стали составляют силикаты. В жидкой стали неметалли­ческие включения находятся в твер­дом или жидком состоянии в зависи­мости от их температуры плавления (табл. 13.1). По стойкости неметалли­ческие включения разделяют на ус­тойчивые и неустойчивые. К неустой­чивым относятся включения, которые растворяются в разбавленных кисло­тах (не более 10%-ной концентрации). Неустойчивыми являются сульфиды и оксиды железа, марганца, мелкие включения нитридов алюминия и др. Наиболее устойчивые включения — кварц SiO₂, корунд А1₂О₃, оксиды Сг₂О₃, ZrO₂ и др., ряд шпинелей и нитридов, в том числе крупные вклю­чения нитрида алюминия, а также не­которые сульфиды и оксисульфиды РЗМ. В связи с тем что газовые вклю­чения в стали также являются неме­таллическими, включения типа окси­дов и сульфидов иногда называют шлаковыми.

В зависимости от размера различа­ют: 1) микровключения — обнаружи­ваются на шлифе только под микро­скопом при увеличении не менее 50 крат (обычно применяют увеличения от 100 до 600, а в некоторых случаях — до 1000 и даже 1500 крат); 2) макро­включения — видны в изломе или на поверхности стали (лучше полирован­ной) невооруженным глазом или при незначительном увеличении (при по­мощи лупы).

При металлографическом контроле имеется возможность установить ха­рактер расположения включений в металле. Контролер качества металла фиксирует в паспорте плавки наличие включений глобулярной формы, стро­чечных включений и т. п. В сталь могут попадать включения: 1) содержа­щиеся в шихтовых материалах — чугу­не и скрапе;

Таблица 13.1. Температура плавления t_m

и плотность d неметаллических

включений при 20°С

2) из огнеупорной футе­ровки печи, желоба, ковша и т. п. как результат «вымывания» от механичес­кого воздействия металла; 3) образо­вавшиеся в течение технологического процесса плавки: при взаимодействии металла со шлаком (например, при переходе кислорода или серы из шла­ка в металл); в момент введения в ме­талл раскислителей или легирующих элементов; выделения из металла при кристаллизации стали вследствие уменьшения их растворимости при понижении температуры. Практика показывает, что последний фактор в большинстве случаев является основ­ным. Лишь в некоторых случаях: при плохом состоянии футеровки агрегата или отсутствии контроля за состояни­ем футеровки ковша, желоба и т. д. — доля внесенных таким образом вклю­чений становится заметной; эти вклю­чения можно легко отличить под мик­роскопом по их относительно боль­шим размерам и по виду. Включений, вносимых шихтой, обычно немного, и они сравнительно легко удаляются в первые периоды плавки. Неметалли­ческие включения, образующиеся в результате реакций, протекающих в жидком или затвердевающем металле, называют природными или эндогенны­ми; случайные, посторонние включе­ния называют экзогенными. Строгое соблюдение правил ухода за футеров­кой и правильная технология ведения плавки обеспечивают получение ме­талла с незначительным количеством включений, гарантируют изменение в желательном направлении состава включений, а также успешное удале­ние образовавшихся включений в шлак. Обычно в стали массовое содер­жание включений составляет 0,01— 0,02 %, причем их количество и состав определяются типом процесса, каче­ством шихтовых материалов и приня­той технологией производства.