yandex.metrica
Слитки и разливка стали

Неметаллические включения в стали

Содержание неметаллических включений в электростали незна­чительно и не превышает 0,05%. Однако они обладают совершенно отличными от основного металла физическими, механическими и химическими свойствами. Нарушая сплошность металла, неметал­лические включения вызывают местные концентрации напряжений, понижают пластические характеристики, ухудшают усталостную прочность и износостойкость. Содержание неметаллических вклю­чений в стали определяется концентрациями вредных примесей (О,S,N). Природа и форма неметаллических включений зависят от хи­мического состава стали и используемых для раскисления материа­лов. В стали, содержащей марганец, состав включений определяется равновесными концентрациями [Мп], [О], [S]. Включения состоят из оксидов (FеО и МпО) и сульфидов (FеS и МпS).

В кремниймарганцевой стали включения присутствуют в виде си­ликатов и сульфидов железа и марганца. Если в стали присутствует алюминий, то состав включений определяется его содержанием в ме­талле. При [Аl] ≤ 0,01….0,02% включения содержат, наряду с оксида­ми FeO и MnO, а также оксиды типа FeO•Al2O3,  а при [Al] > 0,03…0,05% включения состоят преимущественно из глинозема и шпинели.

Сильные раскислители (алюминий, щелочноземельные металлы (ЩЗМ) — кальций, магний, барий и редкоземельные металлы (РЗМ) — церий, лантан и др.) образуют включения сложного состава. Возник­новение новой неметаллической фазы в гомогенном расплаве связа­но с преодолением энергии межфазного натяжения и образованием новой поверхности.

В условиях значительного пересыщения металла при избытке рас­кислителя образуются скопления мелких твердых включений оксида раскислителя. При недостатке раскислителя, т. е. при повышенном содержании кислорода, образуются жидкие продукты раскисления.

При совместном раскислении металла алюминием, марганцем и кремнием (АМС) образуются комплексные продукты раскисления, характеризуемые низкой температурой плавления. С учетом доста­точно быстрого распределения раскислителя из мест пересыщения по всему объему жидкого металла создаются условия для образова­ния различной формы твердых оксидных включений и жидких про­дуктов раскисления, называемых первичными неметаллическими включениями. При кристаллизации стали образуются так называемые вторичные включения.

Их образование обусловлено понижением тем­пературы металла и, как следствие этого, смещением равновесия рас кислитель—растворенный кислород в сторону образования оксидов. Удаление вторичных неметаллических включений затруднено, по сравнению с первичными, так как металл становится вязким, время для их всплывания весьма ограничено и они не успевают коагулиро­вать и увеличиться в размерах до оптимальных величин. Большинст­во вторичных включений остается в металле, поэтому снижения их содержания достигают обеспечением максимальной чистоты метал­ла по неметаллическим включениям перед разливкой и в процессе разливки.

Выявляемые в электростали неметаллические включения, как правило, имеют незначительные размеры (не более 30 мкм). При ковке или прокатке слитков и литых заготовок включения с низкой температурой плавления (силикаты марганца, сульфиды железа и марганца, оксисульфиды) вытягиваются в нитевидные включения разной толщины, повышая тем самым анизотропность механических свойств металла. Улучшение этого показателя достигают использова­нием в качестве раскислителей ЩЗМ и РМЗ, являющихся поверхно­стно-активными веществами, способствующими модификации (из­менению состава) и глобуляризации оксидных и сульфидных включе­ний. Обычно сталь сначала раскисляют алюминием, а затем — сплавами ЩЗМ и РЗМ.

Если в конструкционной стали 12ХНЗА, раскисленной только алюминием, включения строчечные, то после дополнительного рас­кисления металла в ковше силикокальцием они преимущественно глобулярные, имеющие состав СаОm• Аl2O3. Перевод строчечных включений в глобулярные позволяет резко снизить пораженность металла волосовинами, повысить изотропность (однородность) ста­ли по ударной вязкости и пластичности. Однако для ряда сталей со­держание глобулярных включений в металле должно быть мини­мальным. Повышенная загрязненность подшипниковой стали глобулями отрицательно влияет на долговечность работы подшипников разного назначения. Для уменьшения загрязненности подшипнико­вой стали глобулярными включениями снижают основность извест­ково-силикатных шлаков, кроме того, несколько повышают окис- ленность металла ([О] ~ 0,008%) и используют обработку расплава вне печи вакуумом.

Отрицательное влияние на свойства стали оказывают кристалли­ческие включения, например, нитриды, корунд. Еще более вредны­ми являются скопления неметаллических включений в металле в ви­де облака или роя, состоящего из мельчайших частиц. Они образуются в результате плохого раскисления металла алюминием и могут явояться причиной расслоения прокатных заготовок.

Неблагоприят­ным является расположение включений по границам зерен литой стали в виде цепочек, состоящих из сульфидов и оксисульфидов. По­вышенную загрязненность неметаллическими включениями наблю­дают в стали, имеющей относительно высокое содержание кислоро­да и серы. Чем больше кислорода и серы в стали, тем ниже ее качест­во, выше брак металлопроката по трещинам, волосовинам и ниже механические свойства.