3. Подготовка образцов к измерениям

Отбор проб производят в соответствии с ГОСТ 1778—70. При этом площадь поверхности образцов должна обеспечивать изготовление шлифов площадью не менее 200 мм каждый. Процесс приготовления шлифов должен гаран­тировать высокое качество их поверхности, необ­ходимое для обработки анализатором изображе­ний. Шлифы тщательно промывают водой от ос­татков полировальных суспензий и протирают спиртом. На поверхности металла не должно оста­ваться разводов от спирта, частиц бумаги или ва­ты. Не допускается наличие царапин шириной бо­лее 1 мкм. Оценка включений проводится на не­травленых шлифах.

Включения в стали могут иметь размеры от дисперсных, неразличимых при обычно применяемых увеличениях микроскопа, до крупных, видимых невоору­женным глазом и имеющих иногда протяженность в несколько десятков милли­метров. Поэтому следует различать макровключения (размером более 1 мм) и микровключения (размером менее 1 мм).

Методы определения загрязненности металла макро- и микровключениями различны.

Включения в стали могут иметь размеры от дисперсных, неразличимых при обычно применяемых увеличениях микроскопа, до крупных, видимых невооруженным глазом и имеющих иногда протяженность в несколько десятков миллиметров. Поэтому следует различать макровключения (размером более 1 мм) и микровключения (размером менее 1 мм).

Методы определения загрязненности металла макро- и микровключениями различны. Для определения степени загрязненности металла макровключениями пользуются ГОСТ 3763, который предусматривает применение методов испытания на синий излом, ступенчатого машинного и магнитной дефектоскопии. Параметрами, характеризующими неметаллические включения по этому стандарту, считают общее количество и длину или ширину включений. По типу включения не различают.

Сущность метода испытания на синий излом состоит в определении общего количества и распределения неметаллических включений, видимых на поверхности продольного излома, нагретого до температуры, вызывающей синий цвет побежалости. включения имеют вид белых строчек. Образец толщиной 10 мм отрезают от изделия в холодном или горячем состоянии ацетиленовой горелкой, причем излом должен находиться вне зоны термического влияния. Образец для испытания  может иметь надрез в середине одной из сторон перпендикулярно продольной оси изделия. Форма и глубина надреза не являются регламентируемыми характеристиками (наличие надреза упрощает излом образца для испытания).

После нормализации Образец нагревают на воздухе так, чтобы в начале испытания металл имел температуру синеломкости (300—350 °С). излом на одной из двух разрушенных частей образца осматривают невооруженным глазом или с помощью увеличительного стекла с увеличением 10. Неметаллические включения контролируются путем сравнения с серией из 10 эталонов, имеющихся в стандарте, либо подсчета включений с использованием параметра длины и (или) толщины включений.

Способ оценки полученных результатов выбирают по договоренности между заинтересованными сторонами. Недостатком этого метода является то, что ферритные полосы и карбидные строчечные включения могут быть приняты за неметаллические включения.

Сущность ступенчатого машинного метода заключается в определении общего количества и распределения неметаллических включений, обнаруживаемых в процессе машинной обработки и видимых на продольных поверхностях цилиндрического образца. Количество образцов и их расположение в прутках и болванках стандартом не регламентируются. Образец для испытания обычно содержит три уступа такой длины и диаметра, чтобы площадь поверхности всех уступов была одинаковой. Образец для испытания должен быть точно центрирован; его поворачивают так, чтобы глубина последнего среза была меньше 0,2 мм. Подвергнутая машинной обработке поверхность должна быть ровной и чистой, без резко выраженного рельефа.

Образец осматривают невооруженным глазом или с помощью увеличительного стекла с максимальным увеличением 10. Подсчитанное количество включений очерчивают, чтобы исключить возможность повторного подсчета. Для каждого уступа определяют количество включений и их длину.

Применение этого метода обладает тем недостатком, что машинная обработка помимо неметаллических включений может выявить трещины, расслои от усадочной раковины и другие макроскопические дефекты.

Сущность метода магнитной дефектоскопии заключается в осмотре обработанной на станке поверхности образца для испытания, которую покрывают жидкостью, содержащей суспензию ферромагнитного порошка, и подвергают воздействию магнитного поля. Неметаллические включения вызывают искажение индуцированного магнитного поля, которое притягивает и удерживает ферромагнитный порошок, давая визуальную индикацию. Метод может применяться только для ферромагнитных сталей. Отбор, количество и расположение образцов стандартом не оговаривается.

Контролируемая поверхность должна являться продольной плоскостью изделия. Подготавливают ее чистым шлифованием в направлении, перпендикулярном направлению прокатки, чтобы различить все метки, нанесенные при механической обработке, и избежать «вырывания» включений. Магнитная жидкость, которая наносится на образец, состоит из 5—10 г магнитного порошка (окиси железа с размером частиц 0,5—1 мкм) на 1 л жидкости. В качестве жидкости может применяться вода (с антикоррозионными добавками), керосин или прозрачное светлое минеральное масло.

Метод намагничивания предполагает прямое пропускание через Образец тока интенсивностью 200 А/см² с обработкой поверхности жидкостью. После этого Образец тщательно просушивают струей воздуха. Магнитное изображение рассматривают под белым флуоресцентным светом. Вместо непосредственного изучения поверхности можно исследовать ее отпечаток. Для этого на поверхности помещают кусок липкой ленты из прозрачной целлюлозы, клейкой стороной к образцу. Ленту прижимают к образцу таким образом, чтобы к ней прилип магнитный порошок. Эту операцию следует выполнять под током, чтобы избежать изменения магнитного изображения.

Количество строчечных включений, а также их распределение по размерам можно получить, используя классификацию для ступенчатого метода испытания.

Макровключения, кроме указанных способов контроля, для исследовательских целей могут оцениваться другими способами. При этом наиболее удобными критериями загрязненности макровключениями являются среднее количество этих включений на определенной площади и средняя суммарная протяженность включений на определенной площади.

Существующие методы оценки загрязненности металла микровключениями разделяются на методы сравнения загрязненности шлифа включениями с эталонными шкалами и методы подсчета включений на нетравленном шлифе с определением объемного или массового количества включений. Оценивают загрязненность конструкционных сталей и сплавов шкалами ГОСТ 1778—70 (метод Ш), подшипниковой — ГОСТ 801—78. Неметаллические включения определяют только на деформированном металле диаметром или толщиной не менее 6 мм на шлифах с продольным направлением волокон. Загрязненность деформированного металла диаметром или толщиной менее 6 мм определяют в промежуточном профиле илизаготовке.

Классификация включений подшипниковой стали по природе, а также по критериям оценки загрязненности является как бы частным случаем более общей классификации. Однако имеются и существенные различия при определении загрязненности по этим стандартам. Так, шкалы неметаллических включений по ГОСТ 1778—70 пятибалльные, а по ГОСТ 801—78 —четырех балльные. По ГОСТ 1778—70 предусматривается возможность оценки загрязненности при увеличениях 90—100 и 170—210, причем для каждого увеличения оговаривается по два диаметра поля зрения. Так, для увеличения 90—НО предусмотрены диаметры поля зрения 0,75—0,85 и 1,1— 1,3 мм, а для увеличения 170—210 — 0,38—0,48 мм и 0,60—0,80 мм. При определении загрязненности по ГОСТ 801—78 регламентируется только одно увеличение 90—110 и один диаметр поля зрения 1,1—1,3 мм.

Недостатком существующих шкал является объединение в одной шкале двух показателей, в основном определяющих влияние включений данного типа на качество стали: общая загрязненность стали, характеризуемая процентом включений по объему, и дисперсность включений, оцениваемая их размерами. При общей низкой загрязненности стали включения данного типа могут быть очень крупными и наоборот, в то время как шкалы построены так, что этот фактор в них совершенно не учтен. Кроме того, оценка чистоты стали по эталонам в значительной степени является субъективной, так как Форма и распределение неметаллических включений на шлифе очень разнообразны и не всегда соответствуют схемам шкал.

В общем случае определение загрязненности по шкале стандарта носит полуколичественный характер и не всегда позволяет ответить на вопрос о действительной степени загрязненности той или иной плавки неметаллическими включениями. Именно поэтому в ГОСТ 1778—70 приведены три количественных метода оценки загрязненности: К— для испытания деформированного и литого металла; П — для подсчета объемного процента включений деформированного и литого металла; Л — для линейного подсчета включений литого металла.

Метод К рекомендован для контроля шарико- и роликоподшипниковых сталей, коррозионностойких сталей, прецизионных сплавов, а также конструкционных и инструментальных сталей, предназначенных для изготовления изделий высокого класса точности и чистоты поверхности.

Для подсчета степени загрязненности деформированного металла по методу К применяют шлифы с продольным направлением волокна. Всю площадь шлифа просматривают при увеличении 170— 180, причем включения по природе делят на кислородные, сульфидные и нитридные. По размерам включения делятся на группы с возрастанием размера на 1 деление окулярной шкалы (например, 1-я группа — 1—2 деления окулярной шкалы, а 5-я — свыше 5—6). Количество групп зависит от максимальных размеров включений.

Критерием оценки загрязненности плавки неметаллическими включениями по этому методу служит количество включений каждой группы на площади 24 см² (эта площадь приведена из расчета 6 шлифов на плавку, причем площадь каждого шлифа 4 см²). Иногда в качестве критерия применяют не количество включений каждой группы, а количество включений групп с большим размером, например, 2—5-й групп.

Метод П предусматривает определение загрязненности деформированного металла на шлифах с поперечным направлением волокон. Шлиф просматривают при увеличениях от 300 до 600 в зависимости от степени дисперсности включений. Разделение включений по природе стандартом не регламентируется — исследователь выбирает те виды включений, которые необходимы для решения поставленной перед ним задачи.

Размер включений на шлифах определяют с помощью окулярной шкалы по группам. Группы построены по принципу возрастания площади включений в геометрической прогрессии со знаменателем 2. Перед просмотром Шлиф расчерчивают от края до центра на пять равных зон . В каждой зоне шлифа поля зрения выбирают по прямым линиям, перпендикулярным к оси слитка или проката. Для подсчета площади, занятой включениями на шлифе, количество включений каждой группы умножают на среднее значение площади включений данной группы и полученные произведения но всем группам суммируют.

Критерием оценки загрязненности плавки неметаллическими включениями по этому методу является среднее арифметическое значение процента по объему для каждого шлифа и количество включений определенных групп на площади 100 см².

Содержание включений в объемных процентах V вычисляют по формуле V = fcpK,

где fс_Р— средняя площадь включений в одном   поле  зрения,  определяется как частное от деления общей площади включений на количество полей зрения; K — коэффициент, равный 100/F; F = πD²/4— площадь поля зрения, выраженная в делениях окулярной шкалы в квадрате; D— диаметр поля зрения в делениях окулярной шкалы, определяемый делением диаметра поля зрения, мм, на цену деления окулярной шкалы.

Величины F, D и К являются постоянными для данного микроскопа и увеличения.

Метод П рекомендуется стандартом как исследовательский для сталей и сплавов всех марок.

По методу Л определяют загрязненность литой стали при увеличении 300 или 500. Предварительно Шлиф расчерчивают параллельными линиями в произвольном направлении таким образом, чтобы выбранная для подсчета длина была не менее 3 см и охватывала все зоны литых проб. Шлиф передвигают с помощью микрометрических винтов предметного столика микроскопа в одном направлении вдоль отмеченных линий, замеряют максимальные размеры включений, попадающих в перекрестие нитей окуляра, и фиксируют их в соответствии с группами, указанными в табл. 18. Вид включений, подлежащих оценке, зависит от цели исследования.

Критерием оценки загрязненности плавки неметаллическими включениями по методу Л является загрязненность включениями на общей длине 10 см.

Метод Л рекомендуется стандартом как исследовательский для оценки литья из углеродистой и легированной конструкционной стали.

Так как рекомендованные стандартом счетные методы отличаются исключительно высокой трудоемкостью (особенно Метод П), в исследовательских целях для решения определенных задач применяются и другие методы подсчета загрязненности стали неметаллическими включениями, например, линейно-поперечный (аналогичен методу Л по ГОСТ 1778—70).

Для оценки загрязненности стали крупными строчечными неметаллическими включениями на каждом шлифе определяют максимальную длину строчки и суммарную длину строчек, приходящуюся на 1 см² поверхности шлифа. Загрязненность плавки оценивается средними величинами этих характеристик и максимальной длиной строчки из группы анализируемых шлифов.

Широкое распространение для подсчета неметаллических включений получили телевизионные устройства типа «Квантимет». В микроскопах такого типа имеется система памяти, что позволяет устранить повторный подсчет одних и тех же неметаллических включений, а также ограничитель, позволяющий учитывать неметаллические включения только определенного размера. Различные по природе неметаллические включения дифференцируются по разнице в их отражательной способности. Этот анализ требует исключительно качественного приготовления шлифов. Кроме того, возникают трудности при оттенении включений разного типа.

Неметаллические включения в слитках встречаются, как правило, в виде оксидов, сульфидов, нитридов (реже фосфидов), а также в виде более сложных соединений – оксисульфидов, силикатов, сульфосиликатов, алюминатов, алюмосиликатов и т. п. Наиболее крупные включения, которые резко снижают механические свойства стали, образуются из конгломератов оксидов или оксисульфидов. Общее количество неметаллических включений в крупном слитке обычно не превышает 0,02-0,03% (по массе). При этом в стали, подвергнутой рафинирующей обработке в ковше, этот показатель оказывается еще ниже.

На практике уровень загрязненности стали неметаллическими включениями регламентируется специальными стандартами и техническими условиями, в которых оговариваются величина, химический состав и характер их распределения в готовом изделии. Для этого из готовой продукции отбираются специальные образцы, на которых и выполняются необходимые металлографические исследования. Как правило, образцы отбирают из зон, в наибольшей степени пораженных неметаллическими включениями. Следовательно, знание основных закономерностей поведения и распределения неметаллических включений в крупных слитках представляется достаточно важной задачей, имеющей прямое отношение к качеству изделия.

По источникам образования включения могут быть разделены на эндогенные и экзогенные. Включения первого типа обычно имеют небольшие размеры и являются результатом химических реакций и массопереноса, происходящих в жидкой стали. Экзогенные включения являются продуктами взаимодействия жидкой стали со шлаком и огнеупорами печи, желоба, ковша, сифонных проводок. Эти включения имеют большие размеры и сложный состав.

Примерная доля экзогенных и эндогенных оксидных включений, поступающих из разных источников в слиток составляет: металлическая шихта – 20%; футеровка печи– 0,5%, печной шлак – 3%; футеровка желоба – 0,5%; футеровка ковша – 3%; сифонный припас – 1%; продукты раскисления – 40%; продукты вторичного окисления – 32%.

Большая часть экзогенных включений всплывает на поверхность металла в ковше, но часть все же попадает в слиток, способствуя образованию грубой корочки на зеркале металла в изложнице. Экзогенные включения обычно имеют большие размеры, а их содержание составляет 15-25% от общего содержания включений в стали.

Одним из классов эндогенных неметаллических включений являются оксиды - продукты взаимодействия растворенного в стали кислорода с другими химическими элементами. Они имеют линейные размеры до 10-15 мкм. Согласно общепринятой классификации, оксидные эндогенные неметаллические включения можно разделить на три группы:

1. Первичные неметаллические включения, образовавшиеся после ввода в сталь раскислителей. Удаление этих включений в результате всплывания в жидкой стали происходит, главным образом, в ковше и затем продолжается в процессе кристаллизации слитка.

2. Вторичные неметаллические включения, формирующиеся в процессе охлаждения металла до температуры ликвидуса за счет сдвига равновесия реакции раскисления в сторону уменьшения концентрации растворенного кислорода. Вторичные оксидные включения могут всплывать из жидкой сердцевины слитка в его прибыльную часть.

3. Третичные неметаллические включения, образующиеся при затвердевании жидких участков металла в двухфазной области, которая формируется при затвердевании слитка. Эти включения не удаляются, поскольку их образование, происходит в замкнутых объемах двухфазной зоны.

Другим классом неметаллических включений являются сульфиды, которые формируются преимущественно в процессе затвердевания слитка (сульфиды железа и марганца). В соответствии с классификацией К. Симса различают три типа сульфидных включений:

• крупные глобулярные включения (первый тип);

• включения, располагающиеся в виде строчек, сеток и эвтектических образований (второй тип);

• включения многогранной формы, беспорядочно расположенные по телу образца (третий тип).

Сульфидные включения первого типа наблюдаются, как правило, в периферийных зонах слитков, что объясняется высокой скоростью наращивания твердой корочки и наличию оксидных фаз с высокой растворимостью серы. При этом в зависимости от химического состава оксисульфида сначала выделяются, как правило, оксидные фазы, на которых осаждаются сульфидные фазы. Вследствие наличия кислорода в сульфидной фазе она остается жидкой до низких температур и приобретает глобулярную форму.

Большие скопления сульфидных включений второго типа наблюдаются в осевой зоне верхних горизонтов слитка. Однако эти включения обнаруживаются практически во всех зонах крупных слитков. Характерно, например, что этот вид включений имеет развитую ветвистую форму в промежуточной зоне слитка. Включения этой группы приобретают вид грубых утолщенных дендритов (но также тонких в сечении) при переходе к осевой зоне, и наоборот, характеризуются слаборазвитой ветвистой формой в периферийных слоях слитка, формируясь здесь в виде тонких палочек, обрывков дендритных осей и пр. Протяженность таких включений может быть от 3-5 микрон до несколько сотен микрон. При этом такие неметаллические включения склонны располагаться цепочками, что многократно повышает вероятность разрушения металла по этим цепочкам в процессе ковки.

Сульфидные включения третьего типа в большом количестве наблюдаются в промежуточной зоне слитка. Формирование кристаллических окончаний ветвей и образование правильных многоугольников, по-видимому, имеет место на тех участках дендритных каналов, где отсутствует температурный градиент, и рост сульфидного кристалла происходит равномерно со всех сторон в результате диффузионных процессов.

Максимальное содержание сульфидов обычно приходится на верхний и средний горизонты слитков, что соответствует месту наибольшей ликвации серы. В корковой зоне слитков имеются в большом количестве мелкие точечные сульфиды глобулярной формы диаметром 0,75-1,50 мкм, расположенные произвольно или по контуру зерна. Наряду с мелкими глобулярными сульфидами здесь присутствуют также отдельные включения овальной и вытянутой формы размером 2-13 мкм, которые расположены беспорядочно или небольшими скоплениями. По мере удаления от поверхности слитка сульфидные включения укрупняются, а число их на единице поверхности шлифа уменьшается.

Ввод в жидкую сталь раскислителей и легирующих элементов изменяет условия образования сульфидов. Например, тугоплавкие сульфиды кальция, магния, церия и лантана могут зарождаться в жидкой стали и удаляться из нее путем ассимиляции шлаковой фазой.

Известно, что азот в стали образует химические соединения с рядом раскислителей и легирующих элементов. Расчеты показывают, что в жидкой низколегированной стали могут существовать лишь нитриды титана, алюминия и циркония. Нитриды титана в стали представляют собой непрозрачные правильной квадратной и призматической формы частицы мелких и средних размеров, а нитриды алюминия - тонкие включения светлосерого цвета игольчатой формы, длина которых колеблется от 0,05 до 3мкм. Флотация и удаление нитридов при обработке в ковше затруднены вследствие их высокой плотности и малых размеров.

Применение метода радиоактивных индикаторов при изучении характера развития конвекции в кристаллизующихся слитках (см. гл. 2) показывает, что массоперенос примесей из диффузионного слоя реализуется развитием нисходящего и восходящего конвективных потоков. При этом в зоне, прилегающей к фронту кристаллизации, возникает перемещение металла вниз, а по оси слитка – вверх. Указанное перемещение жидкого металла сопровождается вихреобразованием и возникновением участков с пониженным давлением. Чем больше скорость конвективных потоков, тем значительнее разрежение и больше неметаллических включений захватывается в зону конвекции.

Максимальная скорость нисходящего потока в нижнем сечении выше, чем в верхнем. Скорость нисходящего потока интенсивно уменьшается по мере удаления от фронта затвердевания. Большой градиент скорости в узком пограничном слое приводит к появлению определенного слоя расплава интенсивной турбулентности, распространяющегося вниз по течению нисходящих потоков и способствующего захвату неметаллических включений. Учитывая сравнительно небольшие скорости восходящих потоков в нижней части слитка, эти включения должны оставаться в нижней более вязкой зоне жидкой фазы слитка.

Наибольшее количество оксидных неметаллических включений, как правило, обнаруживается в донной части слитка, а меньшее – в верхних его горизонтах. Зону с повышенным содержанием оксидных неметаллических включений, локализованную в донной части слитка, принято называть конусом осаждения. Неметаллические включения в зоне конуса осаждения представлены, главным образом, частицами корунда, силикатами марганца, алюмосиликатами и т.п. При этом силикатные включения в пробах, отобранных из жидкой фазы слитка, имеют характерную округлую форму и линейный размер 10-15 мкм, а в конусе осаждения их размер увеличивается до 80-150 мкм.

Многие исследователи считают, что равноосные дендриты, которые образуют конус осаждения, зарождаются преимущественно на силикатных включениях (особенно на тех, которые содержат свободный глинозем и шпинели). Опускаясь на дно затвердевающего слитка, они образуют конус осаждения, который, таким образом, связывается с сегрегацией неметаллических включений. Комплексные силикаты, которые находятся в донной части слитка, наиболее сильно концентрированы на расстоянии 10-15% от днища слитка.

Укрупнение твердых неметаллических частиц происходит при их столкновениях за счет явления коагуляции (слипания). Например, при движении частиц глинозема вместе с конвективными потоками вниз частота их столкновений резко возрастает. При этом они спекаются и в результате этого коагулируют. Следует отметить, что интенсивность конвекции металла наибольшая в начальный период кристаллизации. В дальнейшем скорость конвективных потоков уменьшается, а область их циркуляции сужается и перемещается вверх. При этом частота встреч включений вследствие перемешивания снижается, то есть, ухудшаются условия для коагуляции. Наблюдаемое же их укрупнение при переходе от периферии к центральным участкам слитка, вероятно, объясняется сравнительно длительным пребыванием этих участков в жидком состоянии, что благоприятствует укрупнению включений по механизму диффузии.

Загрязненность металла крупных слитков двухфазными неметаллическими включениями типа оксисульфидов и сульфосиликатов намного ниже, чем однофазными сульфидами или оксидами. Геометрическая форма двухфазных включений, как правило, глобулярная или овальная, а расположение либо единичное, либо в виде небольших скоплений. Легкоплавкие включения оксисульфидов выделяются в жидком виде при затвердевании слитка. Такие включения вызывают ослабление межзеренных связей, особенно при повышении температуры (красноломкость). Наибольшее число оксисульфидов обычно приходится на верхний и средний горизонты слитка, а сульфосиликатов на средний и донный.

Принимая во внимание ту значимую роль, которую несут неметаллические включения с точки зрения обеспечения высокого качества изделий из крупных слитков, на практике стремятся уменьшить их количество и глобулизировать их форму еще в жидкой стали. В этом плане в технологическом цикле выплавки стали предусматривается обязательная рафинирующая обработка стали на установке ковш-печь и при необходимости ее вакуумирование. При этом особое внимание уделяется отсечке шлака при выпуске стали из плавильного агрегата, а также защите струи стали от вторичного окисления во время наполнения изложницы.