2 Анализ химического состава и причин образования неметаллических включений

2.1 Основные вредные примеси

Основные вредные примеси – это сера и фосфор [ПЕТРОВСКИЙ1].

Сера – вредная примесь – попадает в сталь главным образом с исходным сырьём – с чугуном. Cера нерастворима в железе, она образует с ним соединение FeS – сульфид железа. При взаимодействием с железом образуется эвтектика (Fe + FeS) с температурой плавления 988°С. Поэтому при нагреве стальных заготовок для пластической деформации выше 900°С сталь становится хрупкой. При горячей пластической деформации заготовка разрушается. Это явление называется красноломкостью. Одним из способов уменьшения влияния серы является введение марганца. Соединение MnS плавится при 1620°С, эти включения пластичны и не вызывают красноломкости. Содержание серы в сталях допускается не более 0.06%.

Фосфор попадает в сталь главным образом также с исходным чугуном, используемым также для выплавки стали. До 1.2% фосфор растворяется в феррите, уменьшая его пластичность. Фосфор обладает большой склонностью к ликвации, поэтому даже при незначительном среднем количестве фосфора в отливке всегда могут образоваться участки, богатые фосфором. Расположенный вблизи границ фосфор повышает температуру перехода в хрупкое состояние (хладноломкость). Поэтому фосфор, как и сера, является вредной примесью, содержание его в углеродистой стали допускается до 0.050%.

Сложные неметаллические включения переменного состава типа A_xB_1-xC, такие как сульфиды (например, Mn_xFe_1-xS), нитриды (например, Ti_xAl_1-xN), оксиды (например, (Al₂O₃)_x(SiO₂)_1-x) – типичные составляющие сталей [ПЕТРОВСКИЙ1, МОИСЕЕВА1]. Они влияют на технологические, механические и эксплуатационные характеристики металла. С изменением состава свойства стали могут существенно меняться.

В хорошо отрафинированном металле, не легированном азотом, титаном и подобными элементами, большая часть неметаллических включений образуется в процессе кристаллизации слитка [2].

Нитриды алюминия могут быть причиной дефектов стали типа «сколы». Вероятно, их отрицательное влияние проявляется в том случае, если температура начала их образования выше температуры горячей деформации.

Скрытые примеси. Так называют присутствующие в стали газы – азот, кислород, водород - ввиду сложности определения их количества. Газы попадают в сталь при её выплавке. В твёрдой стали они могут присутствовать, либо растворяясь в феррите, либо образуя химическое соединение (нитриды, оксиды). Газы могут находиться и в свободном состоянии в различных несплошностях. Даже в очень малых количествах азот, кислород и водород сильно ухудшают пластические свойства стали. Содержание их в стали допускается 10^-2-10^-4 %. В результате вакуумирования стали их содержание уменьшается, свойства улучшаются.

Существенных изменений чистоты по оксидам в процессе литья нет [БАННЕНБЕРГ1]. Только начало литья при заполнении промежуточного разливочного устройства и, возможно, процесс внепечной обработки представляют критические фазы. Сталь не защищена от окисления при ее выпуске из разливочного ковша в промежуточное разливочное устройство (защита возможна, если разливочный стакан погружен в частично заполненное промежуточное устройство). При контакте металла с воздухом увеличиваются содержания кислорода и азота в начале литья, а также потери алюминия. Содержания этих газов экспоненциально уменьшаются за период литья в результате смешивания с чистой сталью из разливочного ковша.

Имеются еще и другие источники кислорода, например, соединения, из которых выполнена футеровка промежуточного разливочного устройства и которые попадают в металл в начале литья. Или же капли при выплавке стали, которые окисляются и, таким образом, становятся поставщиками кислорода.