Лабораторная работа анализ состава и неметаллических включений в материалах

Цель работы: ознакомиться с методами анализа состава и неметаллических включений в материалах.

Задания: 1. Ознакомиться с методами анализа состава и неметаллических включений материалов. 2. Ознакомиться с исследовательским оборудованием. 3. Подготовить отчет по работе.

1. Общие сведения

Повышение надежности машин и агрегатов требует усиления внимания к проблеме контроля качества продукции металлургического производства. Современное предприятие не может достигнуть требуемого качества продукции, высоких технико-экономических показателей и их непрерывного повышения без четко организованного и постоянно совершенствуемого анализа и контроля продуктов производства. Работа предприятий в условиях рыночной экономики практически невозможна без решения задач повышения качества и конкурентоспособности выпускаемой продукции. В целом это – не только технико-экономическая, но и управленческая проблема.

Литейное и металлургическое производства являются основными поставщиками заготовок и материалов. Доля литых заготовок в различных машинах и конструкциях велика как по номенклатуре, так и по массе, поэтому качество продукции машиностроительного предприятия в значительной степени определяется качеством отливок.

Установленное стандартом, гарантированное качество продукции должно быть обеспечено соответствующим уровнем анализа и контроля ее качественных характеристик. Широкое внедрение и непрерывное совершенствование современных методов анализа и контроля обеспечивает возможность дальнейшего повышения требований к качеству продуктов металлургического производства.

Высокое качество готовой продукции при минимальных материальных и экономических затратах можно обеспечить эффективной технологией, тщательным ее соблюдением, контролем и регулированием основных параметров технологического процесса с применением современных методов анализа и контроля, включая максимальное использование средств неразрушающего контроля. Необходимо превратить неразрушающий контроль на металлургических и машиностроительных предприятиях из способа сортировки заготовок и готовых изделий в средство активного воздействия на весь производственный процесс, создавать приборы и установки, встроенные в технологический процесс и позволяющие осуществлять контроль качества продукции при полной автоматизации операций контроля с использованием приборов с цифровым отсчетом контролируемых характеристик и применением ЭВМ как для обработки данных, так и для решения логических функциональных задач в процессе измерения.

2. Неметаллические включения

Неметаллические включения являются основной плавочной характеристикой стали, в значительной степени определяющей ее свойства. Степень загрязненности включениями, их природа и характер распределения оказывают однозначное влияние на процессы охрупчивания стали при низких температурах. Включения как концентраторы напряжений способствуют зарождению трещин и предопределяют переход стали из вязкого состояния в хрупкое. Повышение общей чистоты стали и получение благоприятной формы включений существенно снижают критическую температуру хладноломкости.

А. А. Байков сформулировал условия, необходимые для получения качественной стали: 1) минимум вредных примесей, 2) отсутствие газовых пузырей и 3) чистота стали по включениям. Если первые два условия на практике выполняются, то третье нарушается наиболее часто. А. А. Байков образно назвал «планктоном» муть мельчайших частиц-включений, находящихся в расплаве во взвешенном состоянии. Они нарушают однородность строения твердой стали и ухудшают ее свойства.

Неметаллические включения классифицируют по химическому и минералогическому составу, стойкости и происхождению.

По химическому составу неметаллические включения делятся на следующие группы:

1. оксиды: простые – FeO, MnO, Cr₂О₃, SiО₂, А1₂О, TiО₂ и др.; сложные – FeO·Fe₂О₃, FeO·Al₂О₃, FeO·Cr₂О₃, MgO·Al₂О₃, 2FeO·SiО₂, 2MnO·SiО₂, 2CaO·SiО₂ 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, AIN, CeN, NbN, VN и др.; сложные (карбонитриды) – Ti(C,N), Nb(C,N) и др., которые встречаются в легированных сталях, имеющих в своем составе сильные нитридообразующие элементы (титан, алюминий, ниобий, ванадий, церий и др.);

4. фосфиды: Fe₃P, Fe₂P, Мn₅Р₂ и др.

По минералогическому составу кислородные включения делятся на следующие основные группы:

1. свободные оксиды – FeO, MnO, Сг₂О₃, SiО₂ (кварц), А1₂О₃ (корунд) и др.;

2. шпинели – сложные оксиды, образованные двух- и трехвалентными металлами типа Ме²⁺(Ме₂³⁺О₄^2-) (ферриты, хромиты, алюминаты, например, FeO · Fe₂О₃ – магнетит, FeO · Cr₂0₃ – хромит, FeO · Al₂0₃ – герценит);

3. силикаты, присутствующие в стали в виде стекол, образованных чистым SiО₂ или SiО₂ с примесями оксидов железа, марганца, хрома, алюминия, вольфрама, а также кристаллических силикатов (ортосиликатов и метасиликатов) типаMe₂SiО₄ и MeOSiО₂ (Fe₂SiО₄ – файялит, Mn₂SiО₄ – тефроит (Fe, Mg)₂SiО₄ – оливин, Ca(Fe, Mg)SiО₄ – железистый монтичеллит, MnOSiО₂ – родонит и др.).

По стойкости неметаллические включения разделяют на устойчивые и неустойчивые. К неустойчивым относят включения, которые растворяются в разбавленных кислотах не более 10%-ной концентрации. Неустойчивыми являются сульфиды и оксиды железа и марганца, мелкие включения нитридов алюминия и др. Устойчивые включения – кварц SiО₂, корунд Аl₂О₃, оксиды Cr₂O₃, ZrO₂ и др., ряд шпинелей и нитридов, в том числе крупные включения нитрида алюминия, а также некоторые сульфиды и оксисульфиды редкоземельных металлов.

По происхождению в стали неметаллические включения разделяют на эндогенные и экзогенные.

Эндогенные включения образуются в процессе химических реакций, протекающих по ходу плавки, разливки и кристаллизации стали. К ним относятся оксиды, сульфиды, нитриды и фосфиды. Основным источником эндогенных включений в стали являются реакции взаимодействия жидкого металла со шлаком, с газовой фазой, раскислителями и легирующими добавками, а также реакции в процессе кристаллизации стали, имеющие значительное развитие вследствие уменьшения растворимости примесей с понижением температуры металла. В литой стали эти включения находятся в форме кристаллов и глобулей, а в катаной и кованой, в основном, в форме строчек и нитей, ориентированных в направлении деформации.

Экзогенными называют неметаллические включения, механически попадающие в сталь. Обычно это – частицы печного шлака и огнеупоров, с которыми жидкий металл контактирует в процессе плавки, при выпуске из печи в сталеразливочный ковш и во время разливки металла в изложницы. Часть неметаллических включений попадает в металл из шихтовых материалов, но обычно их немного и они сравнительно легко удаляются по ходу плавки. Экзогенные включения присутствуют в стали преимущественно в виде сложных оксидных включений, близких по составу к печным шлакам и огнеупорным материалам.