2.1 Эндогенные включения
В процессе металлургического передела кислород, сера и азот, вступая в соединение с элементами шихты и стальной ванны, образуют многочисленные виды неметаллических включений. Выделяемые в ранние периоды плавки (расплавление, окисление) включения успевают удалиться из металла. В зависимости от применяемых раскислителей в большей или меньшей степени удаляются продукты раскисления. Наконец, полностью остаются в металле включения, образующиеся при кристаллизации стали в результате уменьшения растворимости кислорода, серы и азота.
Эндогенные включения в значительной степени характеризуют природу стали и уровень ее свойств. Опытные работы последних лет показали возможность управления природой включений с получением заданных свойств стали. Это направление является основным и наиболее перспективным в электрометаллургии стального литья.
Оксидные включения образуются на всех этапах плавки и разливки стали. Все типы образующихся в стали оксидных включений имеют характерные признаки и могут с достаточной точностью определяться металлографическими методами контроля. Глинозем, корунд (А12O3) встречаются во всех марках стали. На шлифах эти включения имеют вид мелких кристаллов неправильной формы. В литой стали они расположены чаще дезориентированно, реже гроздьями. Включения корунда являются центрами образования оксисульфидных комплексов и в большинстве случаев располагаются внутри включений.
Железная шпинель – герценит FeO · Al2O3 – встречается в сталях, раскисленных малыми добавками алюминия. На шлифах герценитпредставляет собой кристаллы правильной кубической формы, в проходящем свете прозрачен, серо-зеленого цвета.
Силикат марганца – тефроит 2MnO · SiO2 – встречается в сталях, раскисленных без алюминия и содержащих мало кремния. Тефроит аморфен, темного цвета. Чаще встречаемые сложные силикаты железа и марганца nFeO · mMnO · pAl2O3 имеют вид стекол с характерными розетками.
Алюмосиликаты nMnO · mSiO2 · pAl2O3 (легкоплавкие глобулярные включения, дезориентированно расположенные в литой высокомарганцевой стали) – темно-серого цвета, двухфазны вследствие расстекловывания при кристаллизации.
Сульфидные включения. Растворимость серы в твердом технически чистом железе очень мала (<0,003%). Добавки легирующих элементов несколько увеличивают ее растворимость, однако практически можно считать, что сера в твердой стали в основном находится в форме сульфидных включений. Из всех элементов, присутствующих в стали, сера имеет наибольший коэффициент сегрегации, вследствие чего даже при низком ее содержании в крупных отливках и слитках возможна большая загрязненность сульфидами. На участках положительной сегрегации размеры сульфидных включений достигают наибольших величин, а на участках отрицательной сегрегации эти включения более дисперсны.
Образование сульфидных включений происходит не только в жидкой стали, но и в твердой. Имеются доказательства растворимости сульфидов в твердой стали при температуре 900-1300°С. Согласно этим исследованиям, диффузия серы в твердой стали при такой температуре получает значительное развитие и может оказать влияние на характер и форму присутствующих в стали сульфидных включений.
Нитридные включения. В зависимости от плавильного агрегата, методов плавки и марки стали содержание азота изменяется в пределах от 0,003 до 0,03%. Меньше всего азота (до 0,005%) в кислородной конвертерной стали, несколько больше (до 0,007%) – в мартеновской, более всего (0,008-0,012%) в электростали. В углеродистых марках стали содержание азота ближе к нижним пределам. По мере повышения степени легирования такими элементами, как марганец, хром, титан, цирконий, и другими нитридообразующими оно возрастает. В высоколегированных марганцевых, хромистых сплавах содержание азота превышает 0,02%.
Рис. 1 Сетка эвтектических сульфидов по границам зерен
Рис. 2 Типы включений в среднеуглеродистой стали, × 200:
I – глобулярные дезориентированные; II – эвтектические, ориентированные по границам зерен; III – угловатые дезориентированные
Рис. 3 Схема неметаллических включений в комплексно-модифицированной среднеуглеродистой стали, × 1500. Модификаторы присадки, %:
а – 0,1 Al; б – 0,1 Al + 0,15 СК; в - 0,1 Al + 0,15 РЗМ; г – 0,1 Al + 0,2 РЗМ; д – 0,1 Al + 0,15 СК + 0,15 РЗМ; е - 0,1 Al + 0,5 РЗМ