8

Тема 9. Неметаллическте включения и газы в стали (2ч)

11.1. Неметаллические включения (нв)

11.1.1 Общая характеристика нв

В конце окислительного рафинирования жидкий металл (по сравнению с твердым) по содержанию кислорода, серы, фосфора, азота и других вредных примесей является пересыщенным раствором. В процессе кристаллизации и охлаждения неизбежно выпадение примесей с образованием различных химических соединений, которые образуют самостоятельную фазу в виде НВ, фиксируясь в объеме твердой стали. Неметаллическими включениями называют содержащиеся в стали соединения металлов (железа, марганца, кремния) с неметаллами (кислородом, серой, азотом, водородом, фосфором).

Источниками образования НВ в стали являются также огнеупоры и шлаки, с которыми металл соприкасается во время плавления и разливки.

Следовательно, в любой твердой стали неизбежно содержание различных НВ, которые ухудшают ее качество и свойства, так как:

• нарушают сплошность металла;

• имеют по сравнению с металлом разный коэффициент расширения и неодинаковую деформируемость.

НВ делят на группы по разным признакам.

1. По источникам образования:

• Экзогенные - включения, состоящие из огнеупорных материалов и шлака, механически увлекаемые потоком жидкого металла во время выпуска и разливки, и фиксируемые в затвердевшей стали.

• Эндогенные - включения, образующиеся в результате протекания различных физико-химических процессов в самом металле во время его раскисления, кристаллизации и охлаждения в жидком и твердом состояниях.

Различают еще и экзоэндогенные включения, когда эндогенные включения выделяются на экзогенных.

Большинство НВ, формирующихся в твердой стали, являются эндогенными.

2. По месту (времени) образования эндогенные включения подразделяются на:

• первичные - образуются в момент раскисления;

• вторичные - выделяются во время охлаждения жидкого металла от температуры раскисления до температуры начала кристаллизации;

• третичные - возникают при кристаллизации стали (между температурами ликвидуса и солидуса);

• четвертичные - выделяются во время охлаждения затвердевшей стали.

Пока не установлено, в какой момент какое количество НВ выделяется в каждый момент. Однако можно утверждать, что основное количество НВ выделяется во время раскисления м кристаллизации стали.

3. По химическому составу:

• Оксидные могут состоять из отдельных оксидов (FeO, MnO, SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂ и др.) или их соединений (силикатов, алюминатов и т.д.). Соотношение компонентов зависит от вида и количества раскислителей; количество зависит от остаточного содержания кислорода.

• Сульфидные состоят из FeS, MnS, Al₂S₃, ZrS₂ и др. Наиболее эффективным способом уменьшения содержания сульфидных включений в готовой стали является снижение концентрации серы в металле.

• Нитридные могут иметь химический состав Si₃N, AlN, VN, TiN, ZrN и др. Число нитридов резко возрастает в случае, если сталь, раскисленная нитридочувствительными элементами, контактирует с воздухом.

• Карбидные - присутствуют в высокоуглеродистой стали, когда в ней присутствуют карбидообразующие элементы (Ti, Nb и др.).

• Фосфидные - выделяются в виде эвтектики, состоящей в основном из Fe₂P, Mn₅P₂. Основным способом уменьшения содержания фосфидных включений в готовой стали является достижение низкой концентрации фосфора в металле ( 0,01%).

В спокойной, особенно легированной стали, обычно преобладают оксидные включения, доля которых в общем количестве включений часто достигает 70-85%.

4. По размерам нет единого мнения в определении групп включений по размерам. Обычно проводят градацию:

• макроскопические - те включения, которые можно обнаружить невооруженным глазом или при увеличении, достигаемом при использовании лупы;

• микроскопические - более мелкие частицы.

В стали всегда преобладают микроскопические включения, т.к. более крупные легко удаляются.

5. По форме и характеру расположения в объеме металла различают:

• расположенные по границам зерен - являются самыми опасными, т.к. в наибольшей степени снижают свойства стали;

• имеющие острые грани, тоже представляют опасность, т.к. служат местом концентрации напряжений и началом разрушения изделия;

• округлой формы, приносят меньший вред, а в некоторых случаях могут оказаться полезными;

• расположенные равномерно по всему объему металла, приносят наименьший вред, а в ряде случаев являются очень полезными.

Основную долю вредных НВ составляют оксиды и сульфиды.