21(2). Газы и неметаллические включения в стали

В любой стали в некоторых количествах содержатся элементы, в обычных условиях являющиеся газами. К ним в первую очередь относятся кислород, азот, и водород, в значительной степени влияющие на качество стали.

Газы содержатся в металлах в виде газовых пузырей, соединений (оксидов, гидридов, нитридов) и жидких или твердых растворов, т.е. в виде атомов или ионов, распределенных между атомами и ионами жидкого металла или внедренных в кристаллическую ре­шетку металла. Газы (даже при содержании их в сотых и тысячных долях процента) оказывают существенное влияние на свойства ме­талла, поэтому вопросам удаления газов из металла всегда уделяют особое внимание.

Кислород находится в жидкой стали в виде раствора и в виде оксидных неметаллических включений. При температуре плавления в чистом жидком железе растворяется ≈0,17% кислорода. При повышении температуры растворимость кислорода в жидком железе возрастает. Если металл содержит примеси, сродство которых к кислороду выше, чем у железа, то происходит окисление этих примесей и концентрация кислорода в металле уменьшается. Если эти примеси вводят в ванну специально для того, чтобы уменьшить содержание кислорода, то их называют раскислителями. В качестве таких элементов-раскислителей используют марганец, кремний, алюминий, кальций, редкоземельные элементы. Раскислителем является также углерод.

Атмосфера почти любого сталеплавильного агрегата содержит какое-то количество водорода или паров Н₂О. Некоторое количество влаги может попасть вместе с шихтой и добавочными материалами.

Пропорциональность содержания во­дорода в металле корню квадратному из давления водорода в газовой фазе на­зывают «законом квадратного корня». На основании данных об изменении растворимости водорода в железе можно сделать следующие выводы: 1) растворимость водорода возрастает при повышении температуры и уменьшается при ее снижении; 2) растворимость в различных модификациях железа неодинакова; 3) при переходе железа из жидкого состояния в твердое и из одного аллотропического состояния в другое растворимость изменяется скачкообразно. Экспериментально установлено, что содержание водорода в металле по ходу плавки зависит от от парциального давления Н₂О в атмосфере. При одинаковой технологии выплавки содержание водорода в стали, выплавленной в период влажных летних дней, может быть выше, чем в период морозных зимних дней, когда атмосферная влажность существенно ниже.

Азот почти всегда присутствует в атмосфере сталеплавильного агрегата. При обычных температурах сталеплавильных процессов (1450—1600 °С) интенсивность перехода азота в металл из газовой фазы невелика. Однако при очень высоких температурах, превы­шающих 2500°С, молекулы азота диссо­циируют и скорость проникновения в металл атомов азота может резко возрасти. На растворимость азота в металле влияет также его состав. Примеси, образующие прочные нитриды (хром, марганец, ванадий, титан, алюминий, церий и другие редкоземельные ме­таллы), повышают растворимость азота в стали; примеси, не обра­зующие нитридов (углерод, фосфор) или образующие непрочные нитриды (кремний), но сами вступающие с железом в химическое взаимодействие, заметно снижают растворимость азота.

Для одних сталей азот приводит к старению металла; а, например, для легированных сталей азот, являясь аустенитобразующим материалом, позволяет получать высокую пластичность и прочность сталей. В них азот является положительным элементом.

Неметаллические включения (НВ) – это химические соединения металлов с неметаллами, находящиеся в стали и сплавах в виде отдельных фаз. Неметаллические включения ухудшают не только механические (прочность, пластич­ность), но и другие свойства стали (магнитную проницаемость, элек­тропроводность и др.), т.к. нарушают сплошность металла и образуют полости, в которых концентрируются напряжения в ме­талле.

По хим. составу неметаллические включения подразделяют на: оксиды, сульфиды, нитриды, фосфиды, карбиды, интерметаллиды. Наибольшее кол-во включений в стали приходится на долю оксидов и сульфидов. В жидкой стали неметаллические включения находятся в твердом иди жидком состоянии в зависимости от их температуры плавления. В зависимости от размера различают: 1) микровключения – обнаруживаются на шлифе только под микроскопом; 2) макровключения – видны в изломе или на поверхности стали невооруженным глазом или при незначительном увеличении. В сталь могут попадать включения: 1) содержащиеся в шихтовых материалах – чугуне и скрапе; 2) из огнеупорной футеровки печи, желоба, ковша; 3) образовавшиеся в течение технологического процесса плавки: при взаимодействии металла со шлаком, в момент введения в металл раскислителей или легирующих элементов, выделения из металла при кристаллизации стали вследствие уменьшения их растворимости при понижении температуры. НВ, образующиеся в рез-те реакций, протекающих в жидком или затвердевающем металле, называют природными, или эндогенными; случайные, посторонние включения называют экзогенными.

Наименее благоприятные условия для удаления включений из металла создаются тогда, когда эти включения образуются в процессе кристаллизации стали: по мере снижения температуры повышается вязкость металла, рост кристаллов застывающей стали препятствует подъему включений. В результате часть таких включений неизбежно остается в металле. Задача металлурга заключается в том, чтобы обеспечить такую форму и расположение включений в готовом изделии, которые бы не ухуд­шали качества металла.

НВ удаляются в процессе плавки по механизму всплывания (закон Стокса). НВ выносятся конвективными потоками металла и могут аккумулироваться шлаком и прилипать к футеровке печи или ковша. Основная масса НВ удаляется в шлак при внепечной обработке стали.