книги из ГПНТБ / Хан Б.Х. Раскисление, дегазация и легирование стали

зрения). Такие включения характерны для высоколегированных хромистых сталей. В обычных конструкционных ■ сталях они

встречаются реже. Включения ванадитов встречаются в сталях,

легированных ванадием.

В жидкой стали включения находятся в беспрерывном дви­

жении и сталкиваются друг с другом. При этом твердые вклю­ чения алюминатов, хромитов, глинозема и алюмосиликатов мо­ гут слипаться с жидкими включениями силикатов, образуя сложные включения, представляющие собой конгломерат из включений различного типа. На рис. 12 показан пример такого включения.

В процессе горячей механической обработки неметалличе­ ские включения вытягиваются вдоль направления прокатки или ковки. Одни включения при этом пластически деформируются и

образуют нити, а другие раздробляются и образуют строчки из

обломков первоначальных включений. Некоторые включения со­ всем не изменяют свою форму и размеры. Сложные включения могут частично деформироваться, частично разрушаться, а ча­ стично оставаться без изменения в зависимости от соотношения составляющих, из которых образовались эти включения.

В табл. 4 приведены сведения о поведении включений при пла­ стической деформации металла.

Эти сведения могут быть приняты лишь как приближенные,

так как деформируемость включений зависит .не только' от их природы, но и от внешних условий, таких, как обжатие, темпе­ ратура прокатки, профиль изделия и др.

Окисные включения в катаной стали показаны на рис. 13.

ОКСИСУЛЬФИДНЫЕ ВКЛЮЧЕНИЯ В СТАЛИ

Сера, растворенная в металле, при кристаллизации реаги­ рует с железом и другими элементами, образуя с ними сульфи­ ды, выпадающие в виде отдельной фазы из раствора. Чем мень-

30 Раскисление стали

ше в стали содержится серы, тем меньше образуется сернистых включений. Для успешного проведения десульфурации необхо­ димо, чтобы содержание кислорода в металле было как можно ниже. Между содержанием серы и содержанием кислорода,

растворенными в раскисленной электростали, обычно получается такая зависимость

l%sl .. 4 [%О]

В твердой стали присутствуют сульфид железа FeS, сульфид марганца MnS и сульфид алюминия A12S3. В никелевых сталях возможно образование сульфида никеля NiS или N12S3, в сталях

Рис. 13. Окисные включения в катаной стали (Х100)

с добавкой титана может образоваться сульфид титана TiS или

TiS2. При раскислении стали сплавами, содержащими кальций, возможно образование сульфида кальция CaS.

В углеродистых и легированных сталях сульфиды металлов в чистом виде встречаются очень редко и только при повышен­ ном содержании серы. Обычно образуются твердые растворы

сульфидов железа и марганца или сложные соединения окси­

сульфидов, состоящие из сульфидов и окислов железа и марган­ ца. Образование этих включений в стали происходит в соответ­ ствии с диаграммой состояния системы FeO—МпО + FeS—MnS, показанной на рис. 14. Состав таких включений в общем случае выражается формулой (Мп, Fe)S- (Мп, Fe)O.

С увеличением количества вводимого в сталь алюминия воз­ растает доля сульфида алюминия в образовавшихся включениях

[9]. При этом изменяется характер расположения сульфидных включений. В некоторых случаях они располагаются в литой

Рис. 14. Диаграмма состояния системы FeO — FeS — MnO — MnS

Рис. 15. Различные случаи расположения сульфидов в литой ста ли (X 100)

стали беспорядочно в виде разрозненных глобулей, а в других—

в виде цепочек по границам зерен аустенита.

Различные случаи расположения сульфидов в литой стали

приведены на рис. 15.

Наряду с описанными типами сульфидсодержащих включе­

ний в стали присутствуют сложные двухфазные включения, в состав которых входят силикатное ядро и оболочка, состоящая из сульфидов и окислов марганца и железа. По данным Мчед-

лишвили [10], ориентировочно можно принять следующий состав ядра и оболочки этих включений в стали, не раскисленной алю­ минием, %:

В оболочке включений содержится сера, но процентное со­ держание ее установить не удалось.

Можно высказать следующие предположения о механизме

образования оксисульфидных гетерогенных частиц в спокойной стали.

1. На поверхности образовавшихся жидких или твердых ча­ стиц алюмосиликатов в жидкой стали концентрируется поверх­ ностно активная закись марганца, образующая оболочку во­ круг ранее возникшей алюмосиликатной частицы. При охлажде­ нии металла во время кристаллизации из раствора выделяются сульфиды марганца и железа, которые кристаллизуются на ча­ стицах, не успевших всплыть из жидкой стали. При изменении температуры вследствие взаимодействия между ядром и оболоч­ кой и адсорбции новых частиц изменяются состав и оболочки и ядра; степень гетерогенности частиц возрастает.

2. В жидкой стали образуются сложные алюмосиликатные

включения. При охлаждении металла на их поверхности оседа­ ют оксисульфидные частицы типа (Fe, Mn)S- (Fe, Мп) О. Сни­ жение температуры металла вызывает расслоение жидких алю­

мосиликатных частиц, в результате чего на их поверхности по­ является слой, обогащенный закисью и сульфидом марганца (оболочка).

Пока не имеется достаточного количества данных для того, чтобы отдать предпочтение одной из этих гипотез, но экспери­

ментально установлено, что включения гегерогенны. Исследова­ ние состава включений, выделенных из готовой стали, выплав­

ленной в крупных мартеновских печах, показало, что в составе ядра преобладают кремнезем, глинозем и закись марганца; в состав оболочки входит сульфид марганца, закись марганца и частично закись железа и сульфид железа, а также сульфид

.алюминия.

36 Раскисление стали

личество кислородных (включений, но не может дать ответ о со­ ставе включений и их рааположении в металле. На последний вопрос дают ответ методы определения неметаллических вклю­ чений в стали.

Для определения включений в стали применяются, в основ­ ном три 'метода: химический, петрографический (микроскопиче­

ский) и металлографический.

Сущность химического метода сводится к тому, что образец

коллодиевый мешочек или специальный сосуд. Полученный оса­ док после обработки его соответствующими реактивами анали­ зируют.

При массовых определениях для растворения используют медную ванну специальной конструкции [12]. Во время электро­ лиза корпус ванны служит катодом, а медная шина, к которой присоединяют образцы, — анодом; в результате электролиза об­ разец растворяется, а включения выпадают. При единичных анализах для растворения образцов применяют стеклянные стаканы. Выделение включений обычно производят из образцов круглого сечения диам. 15—20 мм и длиной 150—120 мм, по­ мещаемых в специальные коллодиевые мешочки.

После окончания электролиза образцы вместе с коллодиевыми мешочками выгружают из ванны высушивают, взвешива­ ют и определяют вес растворенного металла. Полученный осадок отмывают от электролита и используют для химического или петрографического анализа, а также для определения об­ щего веса включений.

Вместе с неметаллическими включениями в осадок выпада­ ют гидроокись железа, образующаяся от частичного окисления железа образца, и карбиды, количество которых обычно значи­ тельно больше, чем включений, поэтому осадок должен быть предварительно очищен от этих и от других загрязнений.

Для очищения от карбидов осадок последовательно обраба­ тывают слабыми растворами различных солей и кислот. После обработки осадок отфильтровывают через беззольный фильтр,

остаток сжигают вместе с фильтром, прокаливают до постоян­

ного веса и окончательно взвешивают на микровесах. Получен­ ный вес характеризует общее (количество включений в стали. Химический состав осадка исследуется микрохимическим или полумикрохимическим методом.

При разрушении карбидов растворяется и часть окисных включений, так как многие из них неустойчивы против действия даже слабых кислот, поэтому при очищении осадка подобные включения разрушаются полностью или частично, что искажает

результаты анализа.

Специальным исследованием процесса растворимости вклю­ чений под действием электролиза и при последующей обработ­ ке осадка установлено селективное растворение различного ти­ па включений [13].

Для исследования были взяты включения состава: 26—28%

SiOz; 50—55% А12О3; 12—15% МпО и 2—2,5% Feo6ui. Эти вклю­

чения выделялись из спокойной стали при разливке и оседали в

верхней части каналов сифонных кирпичей. Включения помеща­ ли в коллодиевые мешочки и подвергали электролизу по режи­ мам, применяющимся для анодного растворения стали, а за­

до 25% МпО и до 9% ЕеОбщ. В процессе разрушения карбидов получаются еще дополнительные потери кремнезема, глинозема

иокислов железа. Особенно велики потери закиси марганца.

Крезультатам химического анализа неметаллических вклю­

чений, выделенных электролитическим методом, надо подходить критически, так как этот анализ не дает представления об истинном составе включений, находящихся в металле. Кроме

того, химический метод анализа не может дать сведений о фор­ ме включений, их распределении в металле, способности дефор­ мироваться и других характеристиках, иногда более важных для металлургов, чем состав включений.

Частично эти сведения можно получить, исследуя очищенный осадок с небольшим количеством воды под микроскопом. Сна­ чала в проходящем (обычном) свете отмечают все имеющиеся виды включений, описывают их форму, цвет и прозрачность, й затем при скрещенных никелях и при вращении столика миюро^ окопа наблюдают наличие эффекта анизотропии у каждого ви­ да включений и устанавливают их показатель преломления. Для исследования используют поляризационный микроскоп. Исследо­ вание производят на часовом стекле.

Наблюдение под микроскопом позволяет установить измене­

ние частиц выделенных включений под действием различных реагентов, определить форму и размер включений, а иногда и их состав. Применяя петрографический метод исследования в ком­ плексе с металлографическим можно получить более полную характеристику включений, содержащихся в металле.

Металлографическое исследование включений производят на металлмикроскопах. Характеристику включений определяют на полированных шлифах литого или деформированного метал­ ла в светлом поле зрения, темном поле зрения и поляризован­ ном свете.

Если такое исследование оказывается недостаточным, то определяют микротвердость включений и используют метод по-

38 Раскисление стали

следователыного травления их различными реак’.ивами при комнатной температуре или при нагревании (тепловое травле­ ние).

Шлифы для исследования должны изготавливаться тщатель­ но во избежание выкрашивания включений из плоскости шли­ фа. Полированная поверхность шлифа не должна иметь рисок, загрязнений и других следов шлифовки.

Определение включений начинают с рассмотрения всей по­ верхности шлифа при увеличении в 100—150 раз и нахождения мест с характерными типами неметаллических . включений.

После тщательного просмотра шлифа переходят к изучению встретившихся видов включений при увеличении в 400—500 раз. В случае необходимости, включения рассматривают при боль­ шом увеличении с иммерсионным объективом.

Металлографический метод исследования позволяет быстро определить форму, размеры и распределение включений без вы­ деления их из металла, т. е. в естественном виде. Этим методом можно определить количество включений с распределением их по типам. При большом увеличении можно обнаружить мель­ чайшие включения, которые могут остаться незамеченными при других методах исследования. Металлографический метод ме­ нее сложен и требует меньше времени, чем другие, и поэтому удобен в производственных условиях для массового контроля качества металла.

Существует несколько упрощенных методов количественного определения включений металлографическим способом, которые сводятся в одном случае к подсчету включений на нетравленом шлифе в определенном количестве полей зрения микроскопа, а

в другом—к сравнению загрязненности шлифа включениями с

эталонными шкалами.

Сущность метода подсчета заключается в том, что на опре­ деленной площади нетравленого шлифа при стократном увели­

чении микроскопа подсчитывают общее количество включений и определяют их размеры. В зависимости от размера поперечного сечения включений их относят к различным группам, подсчи­ тывают общую площадь включений и, принимая, что все вклю­ чения распределены в металле равномерно, находят процентное содержание включений. Отношение удельного веса стали к сред­ нему удельному весу включений принимают равным 3. По этому

методу определяют общее содержание включений без деления их на отдельные виды. Для получения достаточной для практи­ ки точности необходимо производить определение не менее чем

в двадцати точках площади каждого шлифа на 10—12 образцах от плавки.

Сущность метода количественного определения включений по эталонным шкалам заключается в том, что загрязненность каж-