Металлические включения в стали

Обновлено: 04.10.2024

Медь обычно содержит в небольшом количестве кислород, растворимость которого в твердой меди невелика (0,05% при 500 °С), поэтому при отсутствии других примесей, имеющих большое сродство с кислородом, наблюдаются включения оксида меди (I). Эти включения входят в состав эвтектики медь — оксид меди (I), которая выделяется по границам первичных кристаллов твердого раствора кислорода в меди. В горячедеформированной меди наблюдаются округлые обособленные включения оксида меди. Если в меди присутствует и мышьяк, то (при более 0,1 % O ₂ и 0,3 % As ) могут выделяться включения арсената меди, которые на шлифах обнаруживаются в виде темно-синей составляющей. При наличии серы наблюдаются включения сернистой меди Cu ₂ S в виде частиц овальной формы голубоватого цвета, похожих на оксид меди (I). Такие же включения Cu ₂ S можно наблюдать в латунях и бронзах, содержащих серу. Фосфидные включения в виде фосфида меди С u ₃ Р наблюдаются в оловянистых бронзах при содержании более 0,2—0,3% Р. В этом случае фосфидные включения являются составляющей тройной эвтектики. Они имеют голубоватый цвет. Оксид меди можно отличить от сульфида и фосфида меди только при исследовании с помощью поляризационного микроскопа.

В плохо раскисленной бронзе присутствует очень твердое и хрупкое оксидное соединение олова — оловянная кислота SnO ₂ . Это включение серо-голубого цвета с характерной угловатой формой, иногда в виде ромба с отверстием посередине. Если в бронзе содержится алюминий, кремний, марганец, то могут образоваться тугоплавкие оксиды, которые располагаются по границам зерен. Если для раскисления меди и ее сплавов используют, кальций, магний, алюминий, титан, кремний, марганец, цинк, то, реагируя с кислородом в расплавленной меди, они образуют твердые частицы, трудно удаляемые из металла, и располагающиеся неравномерно в виде ветвистых образований вблизи границ кристаллитов. Распознавание их при обычных увеличениях затруднительно.

В алюминиевых бронзах возможны включения глинозема в виде частичек неправильной формы и примерно такого же вида, как и в стали .

В никеле, никелевых и медноникелевых сплавах при наличии в них кислорода могут появиться включения закиси никеля NiO правильной формы, темного цвета. В медноникелевых сплавах NiO может присутствовать совместно с С u О. Наиболее вредной примесью в никеле и его сплавах является сера, которая выпадает в виде сернистого никеля Ni ₃ S ₂ . Это соединение при содержании в металле более 0,02 % S образует с никелем легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 625 °С, что делает невозможным горячую пластическую обработку никеля и его сплавов. В присутствии фосфора в сплавах никеля можно наблюдать выделение по границам зерен легкоплавкой эвтектики Ni — Ni ₃ P . Фосфид никеля очень хрупок и при термообработке легко коагулирует.

В алюминии и сплавах на основе алюминия наиболее часта встречаются включения оксида алюминия в виде тонких пленок, которые располагаются большей частью по границам зерен. В сплавах алюминия, содержащих магний, при неправильном ведении плавки могут возникнуть микрорыхлости, окрашенные от желтого до темно-бурого цвета. Эти рыхлоты связаны со скоплением оксидов алюминия и магния. Темную окраску рыхлотам придают включения комплексного оксида алюминия и магния типа шпинелей MgO - Al ₂ O ₃

Источник:
1. М.И. Виноград. Включения в стали и ее свойства. Металлургиздат 1963 г.
2. Кислинг р., Ланге Н. Неметаллические включения в стали. Металлургия 1968 г.

Неметаллические включения в стали и их модифицирование

Неметаллические включения – это химические соединения металлов (железа, кремния, марганца, алюминия, церия и др.) с неметаллами (серой, кислородом, азотом, фосфором, углеро­дом), находящиеся в стали в виде отдельных фаз (оксидов, сульфидов, нитридов, фосфидов, карбидов и более сложных соединений).

Появление неметаллических включений в жидкой стали обусловлено технологическими особенностями ее производства:

- фактическое содержание в жидком металле кислорода, серы, фосфора, азота и других вредных примесей в конце окислительного рафинирования намного выше их растворимости в твердой стали, что ведет к их обособлению в самостоятельную фазу в виде неметаллических включений (кроме СО);

- наличием неметаллических включений в металлошихте, а также использованием добавочных материалов, преимущественно состоящих из оксидов;

- выплавка металла происходит в агрегатах (конвертер, печь, ковш и др.), футерованных изнутри огнеупорными материалами, неизбежное разрушение которых ведет к появлению неметаллических включений в металле;

- все технологические процессы производства стали проводятся под слоем шлака, частицы которого также могут попадать в металл и участвовать в образовании неметаллических включений;

- продуктами глубинного раскисления являются оксиды, являющиеся неметаллическими включениями.

Таким образом, в любой твердой стали неизбежно содержание различных неметаллических включений, которые ухудшают ее механические (прочность, пластичность, износостойкость) и многие другие свойства (электротехнические, антикоррозионные и др.). Ухудшение свойств стали связано с нарушением сплошности металла, а также имеют по сравнению с металлом разный коэффициент расширения и неодинаковую дeформируемость. Степень влияния включений на свойства стали определяется их количеством, составом, размерами и характером расположения в готовом изделии.

Неметаллические включения принято подразделять на эндогенные (от греч. endo – внутри и genos – род, рождение) и экзогенные (от греч. ехо – вне и genos – род, рождение).

При нормальном проведении процессов выплавки, ковшевой обработки и разливки, количество экзогенных включений, остающихся в структуре твердой стали, не превышает 5-10 % от общего количества включений. Таким образом, основное количество наблюдаемых в твердой стали неметаллических включений представляет собой эндогенные включения – включения внутреннего происхождения.

Эндогенные включения являются продуктами взаимодействия кислорода, серы, фосфора, углерода и азота с другими компонентами расплава. В зависимости от химического состава их принято делить на следующие группы:

- сульфидные (FeS, MnS и т. п.);

- нитридные (Si₃N, AlN, VN, TiN и т. п.);

- карбидные (карбиды титана, ниобия и др. сильных карбидообразующих).

На практике включения представляют собой сложные химические соединения различных включений: силикаты (nFeO·mMnO·pSiO₂), алюмосиликаты (nMnO·mSiO₂·pAl₂O₃), шпинели (FeO·Al₂O₃), оксисульфиды, карбонитриды и т. д.

Для подавляющего большинства выплавляемых в настоящее время сталей, относящихся к высококачественным углеродистым, основную массу включений (70-85 %) составляют оксидные, что связано с высокой окисленостью металла в конце окислительного рафинирования.

Количество эндогенных неметаллических включений в обычной стали редко превышает 0,01-0,02 %, а в качественной оно существенно ниже. Однако в связи с тем, что размеры включе­ний очень малы (от 10 -5 до 10 -2 мм), число включений в металле огромно, поэтому их влияние на меха­нические и другие свойства стали может быть значительным. Это влияние зависит как от химического состава и свойств включений, так и от их формы и характера расположения:

- включения, расположенные по границам зерен в виде тонких пленок, образуются при кристаллизации, если имеют температуру плавления ниже температуры затвердевания стали и хорошо смачивают металл. Такими свойствами обладают оксиды и сульфиды железа, а также их соединения – оксисульфиды. Такие включения ухудшают межзеренную связь и прочностные свойства металла особенно при высоких температурах (красноломкость), когда включения размягчаются;

- крупные остроугольные (кристаллические) включения также представляют большую опасность, так как они служат местом концентрации напряжений и начала разрушения изделия. Такие включения обычно являются продуктами раскисления-легирования, имеющими высокую температуру плавления (например, нитриды титана, кремнезем и др.), превышающую температуру затвердевания стали;

- включения округлой (сферической) формы, имеющие относительно крупные размеры, формируются в процессе кристаллизации, если обладают низкой температурой плавления (ниже температуры затвердевания стали) и плохо смачивают твердое железо. Такие включения (главным образом, силикаты) оказывают минимальное воздействие на свойства металла;

- мелкие тугоплавкие включения, расположенные равномерно по всему объему металла, приносят наименьший вред, а в ряде случаев являются полезными, поскольку, являясь центрами кристаллизации, способствуют измельчению структуры литого металла. Наилучшие результаты по измельчению первичного зерна достигаются в том случае, если центрами кристаллизации являются нитриды и карбонитриды.

Таким образом, наименее вредны для свойств стали глобулярные, мелкие и равномерно расположенные по объему металла включения.

Поскольку получение абсолютно чистой от неметаллических включений стали невозможно, то для уменьшения их вредного воздействия на свойства металла необходимо:

- добиваться снижения содержания включений в затвердевшей стали;

- обеспечивать формирование включений мелких по размерам, расположенных равномерно в объеме металла и имеющих сферическую форму.

Всплыванию неметаллических включений в шлак способствуют следующие условия:

- большие размеры и низкая плотность включений (от 2 до 6 т/м 3 ), обеспечивающие их выталкивание из металла под действием архимедовой силы;

- высокая интенсивность перемешивания металла (например, продувкой инертным газом), ускоряющая всплывание;

- низкая вязкость металла, определяемая, главным образом, его температурой;

- плохая смачиваемость включений металлом и хорошая смачиваемость включений шлаком, что облегчает поглощение (ассимиляцию) включений в объем шлака;

- низкая температура плавления, обеспечивающая присутствие оксидных включений в размягченном или жидком виде, что ускоряет процесс их укрупнения за счет слипания (коагуляции) и слияния (коалесценции) друг с другом, приводя к быстрому всплыванию в шлак.

Влияние некоторых факторов на линейную скорость всплывания включений (V, м/с) можно приближенно оценить по формуле Стокса:

где g – скорение свободного падения, 9,81 м/с 2 ;

r – радиус включения, см;

ρ – плотность металла и включения, кг/м 3 ;

η – вязкость жидкой стали, Па·с.

Однако даже полное удаление неметаллических включений из жидкой стали не обеспечивает получение чистой от включений стали в твердом состоянии, поскольку выделение включений происходит в процессе кристаллизации и при фазовых превращениях. Поэтому, для повышения качества стали, необходимо обеспечить такую форму, размеры и расположение включений, при которых их вредное влияние на свойства метал­ла было бы минимальным. Минимальное отрицательное влияние на свойства металла оказывают мелкие включения, равномерно распределенные в объеме металла, особенно округлой (глобулярной) формы.

Получение мелких твердых включений, равномерно распределенных по объему металла, возможно введением в металл сильных раскислителей, образующих тугоплавкие включения, являющиеся центрами кристаллизации при затвердевании стали. Получения мелких включений глобулярной формы обеспечивается тогда, когда температура их плавления значительно ниже температуры кристаллизации металла и включения плохо смачиваются металлом (например, сульфиды и алюминаты кальция, образующиеся при раскислении металла кальцием). Воздействие на состав и форму неметаллических включений с целью минимизации их вредного влияния называют модифицированием (от лат. modificare – видоизменять, менять форму). Для модифицирования стали (неметаллических включений в стали) используются алюминий, титан, вольфрам, ШЗМ (кальций и др.) и РЗМ (лантан, церий, празе­одим, неодим, иттрий и др.).

Легирование стали

Легирование стали заключается в введении в металл элементов (легирующих) в количествах, превышающих их расход на раскисление стали (связывание кислорода). Легирующие элементы – это полезные примеси стали, которые вводят в металл для получения требуемых физико-химических или механических свойств. Поэтому легирование является не обязательной операцией и применяется при выплавке специальных (легированных) марок сталей.

Легирующие элементы принято подразделять на обычные легирующие и микролегирующие элементы.

Обычные легирующие элементы – это элементы, которые вводят в металл в значительных количествах, более 0,100 %. Они в основном вызывают изменение кристаллической решетки железа, приводя к повышению прочностных и других свойств железа (матрицы). В качестве обычных легирующих элементов используют Cr, Ni, Мn, Si, V, Мо, W, Со, Ti, Al, Zr, Nb, Cu и др.

Легирование стали обычно проводят глубинным способом и совмещают с раскислением (особенно, если металл легируют марганцем, кремнием или алюминием). При этом, легирующие элементы, имеющие низкое химическое сродство к кислороду (никель, кобальт, молибден, медь) можно вводить в металл в начале плавки вместе с шихтой.

Если остаточная концентрация легирующего элемента в стали (кроме марганца и кремния) составляет менее 0,1 %, то такое легирование принято называть микролегированием.

В качестве микролегирующих и модифицирующих элементов используют щелочноземельные металлы (Щ3М – Са, Mg), редкоземельные металлы (Р3М – La, Се и др.), Nb, Ti, Zr, Al, В, V и др. Они оказывают модифицирующее действие благодаря высокой химической активности, то есть способности образовать прочные химические соединения с некоторыми компонентами стали (железо, сера, кислород, азот и др.). Эти соединения позволяют обеспечить желаемое кристаллическое строение стали и повлиять на природу (форму, размеры и т. д.) неметаллических включений.

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ В СТАЛИ

Неметаллические включения — это химические соединения металлов с неметаллами, находящиеся в стали и сплавах в виде отдельных фаз. Обыч­но неметаллические включения клас­сифицируют по химическому и мине­ралогическому составам, стойкости и происхождению. В свою очередь, по химическому составу неметалличес­кие включения подразделяют на сле­дующие группы.

2 Сульфиды (простые — FeS, MnS, A1₂S₃, CaS, MgS, Zr₂S₃, Ce₂S₃ и др.; сложные (оксисульфиды) — FeS • FeO, MnS • MnO, (Mn, Fe)S • FeO и др.).

3. Нитриды (простые — ZrN, TiN, AIM, CeN, NbN, VN и др.; сложные (карбонитриды) — Ti(C, N), Nb(C, N) и др.), которые встречаются в легиро-

ванных сталях, в состав которых вхо­дят сильные нитридообразующие эле­менты (титан, алюминий, ниобий, ва­надий, церий и др.).

6. Интерметаллиды.

Наибольшее количество включе­ний в стали приходится на долю окси­дов и сульфидов, так как содержание фосфора обычно низкое. Нитриды присутствуют только в специальных сталях, в состав которых входят эле­менты с высоким химическим срод­ством к азоту. По минералогическому составу кислородные включения де­лят на следующие основные группы: 1) свободные оксиды — FeO, MnO, Cr₂O₃, SiO₂ (кварц), А1₂О₃ (корунд) и др.; 2) шпинели — сложные оксиды, образованные двух- и трехвалентны­ми металлами типа Ме 2+ • Ме₂ 3+ •О₄ 2- , ферриты, хромиты, алюминаты (например, FeO • Fe₂O₃ — магнетит, FeO • Cr₂O₃ — хромит, FeO • А1₂О₃ —герценит); 3) силикаты, присутствую­щие в стали в виде стекол, образован­ных чистым SiO₂ или SiO₂ с примеся­ми в нем оксидов железа, марганца, хрома, алюминия, вольфрама, а также кристаллических силикатов (орто- и метасиликатов) типа Me₂SiO₄ и MeO•SiO₂, например Fe₂SiO₄ — файялит, Mn₂SiO₄ — тефроит, (Fe, Mg)₂SiO₄ — оливин, Ca(Fe, Mg) SiO₄ — железис­тый монтичеллит, MnO • SiO₂ — родо­нит и др.

Самую большую группу неметалли­ческих включений в стали составляют силикаты. В жидкой стали неметалли­ческие включения находятся в твер­дом или жидком состоянии в зависи­мости от их температуры плавления (табл. 13.1). По стойкости неметалли­ческие включения разделяют на ус­тойчивые и неустойчивые. К неустой­чивым относятся включения, которые растворяются в разбавленных кисло­тах (не более 10%-ной концентрации). Неустойчивыми являются сульфиды и оксиды железа, марганца, мелкие включения нитридов алюминия и др. Наиболее устойчивые включения — кварц SiO₂, корунд А1₂О₃, оксиды Сг₂О₃, ZrO₂ и др., ряд шпинелей и нитридов, в том числе крупные вклю­чения нитрида алюминия, а также не­которые сульфиды и оксисульфиды РЗМ. В связи с тем что газовые вклю­чения в стали также являются неме­таллическими, включения типа окси­дов и сульфидов иногда называют шлаковыми.

В зависимости от размера различа­ют: 1) микровключения — обнаружи­ваются на шлифе только под микро­скопом при увеличении не менее 50 крат (обычно применяют увеличения от 100 до 600, а в некоторых случаях — до 1000 и даже 1500 крат); 2) макро­включения — видны в изломе или на поверхности стали (лучше полирован­ной) невооруженным глазом или при незначительном увеличении (при по­мощи лупы).

При металлографическом контроле имеется возможность установить ха­рактер расположения включений в металле. Контролер качества металла фиксирует в паспорте плавки наличие включений глобулярной формы, стро­чечных включений и т. п. В сталь могут попадать включения: 1) содержа­щиеся в шихтовых материалах — чугу­не и скрапе;

Таблица 13.1.Температура плавления t_m

и плотность d неметаллических

включений при 20°С

2) из огнеупорной футе­ровки печи, желоба, ковша и т. п. как результат «вымывания» от механичес­кого воздействия металла; 3) образо­вавшиеся в течение технологического процесса плавки: при взаимодействии металла со шлаком (например, при переходе кислорода или серы из шла­ка в металл); в момент введения в ме­талл раскислителей или легирующих элементов; выделения из металла при кристаллизации стали вследствие уменьшения их растворимости при понижении температуры. Практика показывает, что последний фактор в большинстве случаев является основ­ным. Лишь в некоторых случаях: при плохом состоянии футеровки агрегата или отсутствии контроля за состояни­ем футеровки ковша, желоба и т. д. — доля внесенных таким образом вклю­чений становится заметной; эти вклю­чения можно легко отличить под мик­роскопом по их относительно боль­шим размерам и по виду. Включений, вносимых шихтой, обычно немного, и они сравнительно легко удаляются в первые периоды плавки. Неметалли­ческие включения, образующиеся в результате реакций, протекающих в жидком или затвердевающем металле, называют природными или эндогенны­ми; случайные, посторонние включе­ния называют экзогенными. Строгое соблюдение правил ухода за футеров­кой и правильная технология ведения плавки обеспечивают получение ме­талла с незначительным количеством включений, гарантируют изменение в желательном направлении состава включений, а также успешное удале­ние образовавшихся включений в шлак. Обычно в стали массовое содер­жание включений составляет 0,01— 0,02 %, причем их количество и состав определяются типом процесса, каче­ством шихтовых материалов и приня­той технологией производства.

ОБРАЗОВАНИЕ И УДАЛЕНИЕ ВКЛЮЧЕНИЙ

Процесс образования включений в ре­зультате взаимодействия компонентов, растворенных в металле, а также выде­ление включений в результате умень­шения их растворимости в железе при понижении температуры (при кристал­лизации стали в изложнице или форме) связаны с процессом образования но­вой фазы внутри исходной.

Процесс образования новой фазы определяется, как известно, термоди­намикой (принципиальная возмож­ность протекания процесса) и кинети­кой (интенсивность, скорость протекания) процесса. Последнее прежде всего определяется интенсивностью образо­вания зародышей новой фазы. В насто­ящее время процесс этот теоретически рассмотрен не совсем полно, так как еще не до конца ясна степень влияния микронеоднородностей в расплаве на условия образования зародышей новой фазы. Однако точно установлено, что интенсивность образования зароды­шей новой фазы тем больше, чем мень­ше _м._вкл (межфазное натяжение на границе металл-включение) и выше степень пересыщения. Значения _м._вкл для случаев выделения оксидных включений типа FeO и MnO очень не­велики (~ 0,18 Дж/м 2 ), и для выделения включений такого типа необходимо очень малое пересыщение. Процесс выделения включений существенно облегчается, если в расплаве имеются готовые поверхности раздела. Во мно­гих случаях одни неметаллические включения выделяются на поверхнос­ти других тугоплавких включений, уже имеющихся в расплаве; при прочих равных условиях образование зароды­шей на готовой поверхности энергети­чески более вероятно (рис. 13.1). Чем меньше угол смачивания , тем легче выделиться новой фазе, тем меньшее требуется пересыщение.

Это объясняется следующим. При гомогенном зарождении велика роль межфазного натяжения _м._вкл , поэто­му преимущественно выделяются включения, хорошо смачиваемые ме­таллом (типа FeO, MnO). В случае ге­терогенного зарождения (при наличии готовых поверхностей) преимуще­ственно могут выделяться вещества, имеющие небольшие значения меж­фазного натяжения (капиллярно-ак­тивные) на границе с данной готовой поверхностью, и вещества, имеющие более близкое ориентационное

Рис. 13.1.Схема выделения зародыша крити­ческого радиуса на готовой поверхности (а) и в объеме расплава (6)

поверхностью, и вещества, имеющие более близкое ориентационное соот­ветствие с имеющейся подложкой (на­пример, А1₂О₂). Считается, что кон­центрация взвеси в жидкой стали мо­жет составлять 10 6 —10 8 частиц/см 3 . Чем меньше степень пересыщения, тем выше роль готовых поверхностей.

Образовавшиеся (или попавшие в металл каким-то иным способом) не­металлические включения сталкива­ются между собой, причем число столк­новений зависит прежде всего от ин­тенсивности искусственного или есте­ственного перемешивания расплава. Очень мелкие включения ((коалесценция 1 ) или слипание в более крупный конгломерат (коагуляция 2 ).

Движущими силами процесса ук­рупнения включений являются силы межфазного натяжения. Межфазное натяжение на границе металл — вклю­чение _м-_вкл значительно выше, чем на границе столкнувшихся включений _вкл._вкл, т. е. металл гораздо хуже «сма­чивает» включение, чем одно включе­ние смачивает другое; силы сцепления (адгезии) между включениями выше, чем силы сцепления между включени­ем и металлом. Значения _м._вкл для включений разного вида (и различных составов металла) различны. Чем больше _м__вкл, тем более эффективно укрупняются эти включения. Чем меньше _{вкл-вкл} тем этим включениям укрупниться легче.

1 От лат. coalesce — срастаюсь, соединя­юсь.

2 От лат. coagulatio — свертывание, сгуще­ние.

В момент случайного соприкосно­вения одного включения с другим между ними на какой-то момент со­храняется тонкая металлическая про­слойка; толщина этой прослойки мо­жет быть настолько малой, что она (прослойка) благодаря силам адгезии и к одному и к другому включению бу­дет удерживать эти включения рядом. В дальнейшем может произойти и полное их слияние. Большое влияние на протекание процессов соприкосновения и последующего укрупнения включений оказывают вязкость рас­плава и интенсивность перемешива­ния. Приближенно можно считать, что скорость слияния включений пря­мо пропорциональна межфазнъму на­тяжению _м._вкл и обратно пропорцио­нальна вязкости . При очень боль­шой интенсивности перемешивания и соответственно больших скоростях движения слоев металла связи между слипшимися включениями могут быть нарушены и включения «ото­рвутся» одно от другого. Опыт пока­зал, что для укрупнения включений необходима оптимальная интенсив­ность перемешивания расплава.

Расчет скорости всплывания вклю­чений часто проводят по формуле, следующей из закона Стокса, который определяет силу сопротивления F, ис­пытываемую твердым шаром при его медленном поступательном движении в неограниченно вязкой жидкости:

F= 6 rv,

где — коэффициент вязкости жидкости; r — радиус шара и v — его скорость.

Закон Стокса справедлив лишь для малых значений критерия Рейнольдса Re«l. В соответствии с законом Стокса предельную скорость падения шарика малых размеров в вязкой жид­кости определяют по формуле

где р и р' — плотность соответственно жидко­сти и вещества шарика.

Эту формулу часто используют в тех­нике. Поскольку неметаллические вклю­чения легче металла (см. табл. 13.1), то под действием гравитационных сил они должны всплывать. Если принять, что включения в стали твердые и име­ют форму шара, то скорость подъема включений в неподвижной жидкой ванне определяется формулой Стокса

где р_м и р_вкл — плотность металла и включе­ния; r — радиус включения; — вязкость ме­талла.

Во многих случаях всплывают не твердые включения, а жидкие (т. е. капли включений). Вследствие воз­никновения вихревых потоков жидко­сти, составляющей каплю включения, скорости всплывания жидких капель могут отличаться от скоростей подъе­ма твердых шариков. Для учета этого отличия используют формулу (с по­правкой к формуле Стокса) Рыбчинского — Адомара:

v =2/9[gr2(p' - р)/ ] [ (3 + 3 ')/(2 + З ') ],

где ' — коэффициент вязкости жидкости, из которой состоит всплывающая капля.

Расчет показывает, что скорость всплывания жидких включений при про­чих равных условиях выше, чем твердых.

В случае мелких включений капил­лярное давление 2 /r придает им прак­тически сферическую форму; при уве­личении размеров включений капил­лярное давление 2 /r вследствие увели­чения r уменьшается и капли начи­нают деформироваться, что необходи­мо учитывать при расчетах. Формулу Стокса выводят для условия, что подъемная сила, определяемая разно­стью плотностей и размерами (радиу­сом) включений, встречает сопротив­ление только вязкости жидкости. Со­ответственно чем меньше вязкость и больше размеры включений, тем выше скорость их всплывания. Однако на практике часто приходится сталки­ваться со случаями, когда металл очень интенсивно перемешивается. При не­больших размерах включений большое значение имеют силы адгезии. Мелкие включения, увлекаемые струями пере­мешивающегося металла, могут очень долго «витать» в расплаве, перемеща­ясь вверх и вниз с металлом. Чем меньше степень смачиваемости (больше _м._вкл), тем меньше силы, удерживающие включение в соприкосновении с ме­таллом, и тем легче оно от металла от­деляется и всплывает. И наоборот, включения, которые хорошо смачива­ются металлом, плохо от него отделя­ются. В качестве примера включений, плохо смачиваемых жидких железом, можно привести включения глинозема ( м-вкл = 1 Дж/м 2 ). Примером включе­ний, хорошо смачиваемых жидким же­лезом (и поэтому плохо отделяемых от него), могут быть включения силика­тов железа ( _м__ВkЛ = 0,4 Дж/м 2 ). Включения, плохо смачиваемые металлом, иногда называют феррофобными, а хо­рошо смачиваемые — феррофилъными (т. е. «любящими» железо).

Газовые пузыри, проходящие через ванну (при кипении металла, продув­ке ванны инертным газом и т. п.), спо­собствуют флотации включений. По­верхностное натяжение _вкл._г меньше адгезии включения к металлу _м__вкл, т.е. _вкл._г< _м._вкл. В результате вклю­чение будет «прилипать» к пузырю газа и уноситься с ним в шлак.

Очень интенсивное перемешива­ние может вызвать разобщение, разру­шение образовавшихся ранее скопле­ний, конгломератов включений и тем самым ухудшить процесс их удаления. Кроме того, при чрезмерно интенсив­ном перемешивании ванны в металл могут «затягиваться» частички шлака; при этом содержание включений не уменьшается, а увеличивается. Может иметь место также ускорение процес­са эрозии огнеупоров, соответственно возрастает содержание в металле и эк­зогенных включений.

На практике для каждого конкрет­ного случая существует оптимальная интенсивность перемешивания, при которой обеспечивается всплывание включений. Важно организовать тех­нологию так, чтобы всплывающее включение в момент соприкосновения со шлаком успело им ассимилировать­ся прежде, чем нисходящие потоки металла увлекут его опять вниз. Ско­рость «захватывания» шлаком включе­ния зависит от многих факторов, в том числе от межфазного натяжения на границе шлак—включение о_ш._вкл. Чем меньше эта величина, т. е. чем лучше смачиваемость включения шлаком, тем легче идет процесс ассимиляции включений шлаком. Таким образом, чем больше _м__ВКл, тем легче включе­ние отделяется от металла, и чем меньше _ш__вкл, тем легче включение ассимилируется шлаком.

Скорость удаления включений из металла в шлак зависит также от пло­щади поверхности контакта (отноше­ния поверхности шлак—металл к массе металла), степени перемешивания ван­ны, физических свойств шлака и др.

Итак, на скорость удаления включе­ний из металла влияют: 1) размеры включений, их состав, температура плавления и плотность; 2) способность включений к укрупнению; 3) межфаз­ное натяжение на границе металл-включение и шлак-включение; 4) ин­тенсивность перемешивания ванны; 5) физические характеристики металла и шлака (температура, вязкость) и др.

Руководствуясь общими соображе­ниями, в каждом конкретном случае на практике определяют пути сниже­ния содержания включений в металле при данной технологии его производ­ства, а также способы перевода вклю­чений в такое состояние, при котором вредное их влияние на свойства метал­ла было бы минимальным.

Включения в легированных сталях и сплавах

Изучение влияния включений на пластические свойства позво­лило авторам установить зависимость пластичности сталей У10, 30ХГСА, 08Х20Н10Г6, Х20Н80 и др. от состава включений и условий их образования [8; 49, с. 14; 72, с. 51; HO, 170, 172]. Было показано, что снижение пластичности при температурах горячей деформации обусловлено присутствием в металле отдель­ных плавок значительного количества силикатных включений в виде стекловидных пленок. Пленочные включения иногда могут сопровождаться сульфидами или другими окислами.

Жаропрочные сплавы содержат значительное количество ти­тана и алюминия, что, казалось бы, исключает возможность обра­зования стекловидных силикатных включений. Однако именно жаропрочные сплавы имеют низкую пластичность при горячей деформации. В связи с этим исследование структуры металла жаропрочных сплавов с низкими технологическими пластиче­скими свойствами, состава и формы включений с целью выяснения причин пониженной пластичности имело не только практическое, но и теоретическое значение.

Для исследования были взяты жаропрочные сплавы, получен­ные в промышленных условиях.

Изучались сложнолегированные сплавы ХН77ТЮР (ЭИ437Б), ХН70ВМТЮ (ЭИ617), ЭП109 и лигатура Л-3 ·.

В дальнейшем описании приняты следующие условные обозна­чения: сплавы с низкими технологическими свойствами обозна­чены НП, а сплавы с высокими свойствами — П.

В начальный период (1960—1961 гг.) производства жаро­прочного сплава ХН77ТЮР (ЭИ437Б) на одном из заводов при ковке слитков и при ультразвуковом контроле наблюдались случает значительного брака.

По просьбе завода в ЦНИИЧМ была проведена работа [21, с. 29; 168] по изучению причин низкой пластичности этого сплава. Было проведено сравнительное исследование литой структуры высоколегированного металла плавок с резко различными пла­стическими свойствами при высоких температурах. Для исследо­вания были отобраны четыре слитка массой 700 кг приблизительно одного периода выплавки. Плавки П-5 и П-6 по заводской характеристике были прокованы без брака, а слитки плавок НП-3 и НП-4 либо разрушались при ковке, либо ковались с грубыми рванинами.

Эти стали выплавляли на свежей шихте, температура во время рафинирования была приблизительно одинаковой (1490—1515° С). Перед выпуском и в ковше металл всех плавок имел темпера­туру 1500—1520° С. По другим технологическим параметрам, фиксируемым в плавильных картах, различий между плавками не было. По химическому составу плавки не различались (табл. 31).

При производстве сплава ХН70ВМТЮ (ЭИ617) в открытых электропечах причиной брака металла являлась пониженная пластичность при горячей деформации как при ковке слитков, так и при прокатке заготовки на сорт. Во время ковки слитков была полностью забракована плавка НП-7. Часть слитков этой плавки развалилась при первых ударах молота, а часть проковалась на заготовки размером 140х 140 мм, но с грубыми рванинами. Вторая плавка НП-8 забракована по трещинам при ковке заготовок размером 140x140 мм и прокатке заготовок диаметром 38 мм. Исследования литой структуры этой плавки проводилось на слитке в два раза меньше нормального. Сравнительное изучение проводили на слитке от плавки П-9, имевшей удовлетворительную пластичность при деформации сорта диаметром 32 мм.

Химический состав как по основным элементам, так и по со­держанию цветных мёталлов всех плавок был примерно одинаков (табл. 31).

Шихтовые материалы при выплавке были одинаковы, но при •сравнении технологических параметров выплавки было уста­новлено, что для плавок НП-7, НП-8 период расплавления харак­теризовался высокой температурой (1500—1530° С), тогда как температура плавки П-9 в этот период не превышала 1480° С.

Никельтитаналюминиевая лигатура JI-3 была выбрана для изучения причины низкой технологической пластичности по сле­дующим соображениям. Этот сплав на основе никеля является наиболее простым по составу (из легирующих элементов в нем содержатся только алюминий и титан). Кроме того, он исполь­зуется главным образом при производстве сложнолегированных жаропрочных сплавов, в частности ХН70ВМТЮ. Известно, что качество шихтовых материалов в отношении , их загрязненности вредными примесями и неметаллическими включениями может существенно сказаться на технологических свойствах выплавляе­мого металла.

В производственных условиях при ковке технологической пробы сплава «713 была выявлена очень низкая пластичность плавки НП-1. Для сравнительного исследования одновременно была отобрана плавка П-2 с отличной ковкостью [60, 152]. Металл плавки НП-1 выплавляли методом прямого легирования алюминием и титаном, после присадки алюминия температура металла составляла 1650° С. Плавка П-2 была проведена по обычной тех­нологии, принятой на заводе.

Готовый металл плавки НП-1 имел повышенное содержание кремния, содержание кальция и магния было почти в три раза больше, чем в плавке П-2, по остальным элементам (см. табл. 31),. в том числе и по содержанию примесей цветных металлов, хими­ческий состав этих плавок практически не различался.

Сплав ЭП109 с высоким содержанием алюминия (до 6%), но без титана представлял особый интерес. Исследовали плавки НП-10 и НП-11, которые имели очень большой брак по трещинам, на первых операциях штамповки, и плавки П-12 и П-13, обла­давшие хорошей штампуемостью [152]. Металл плавок НП-10 и НП-11 изготовлен из литых электродов вакуумно-дугового пере­плава; электроды для вакуумно-дугового переплава двух других плавок (П-12 и П-13) были катаными.

Металл для электродов в обоих случаях выплавляли в откры­тых индукционных печах.

Принципиальное отличие технологий непластичных и пластич­ных плавок заключалось в том, что первые две плавки вели с боль­шим количеством шлака и выпускали при высокой температуре (1620° С), а две другие плавки вели с меньшим количеством шлака и выпускали металл при более низкой температуре (не более 1560° С). Химический состав (см. табл. 31) сплава ЭП109 различался- по содержанию магния и кремния: в плавках с трещинами содер­жание кремния (0,12—0,14%) и магния (0,022—0,025%) было выше, чем в плавках без трещин (0,07—0,08% и 0,008—0,012% соответственно).

Для оценки качества металла с различными пластическими; свойствами при горячей деформации была разработана методика, с использованием комплекса современных анализов, позволившая объективно в одинаковых условиях определить механические свойства, сопоставить характер разрушения, выявить различие в макро- и микроструктуре, а также установить влияние неметал­лических включений на пластичность металла при высоких тем­пературах [24, с. 261 ].

Типичными для плавок с низкой пластичностью оказались пленочные включения, содержащие окислы кремния. В участках слитков с резко выраженной ликвацией (в осевой зоне обычных слитков и литых электродов) окислы кремния наблюдаются в виде пленок почти чистого кремнеземистого стекла (или кристобалита), хорошо различимых при исследовании на световом микроскопе. В слитке вакуумно-дугового переплава эти окислы находятся в верхней части слитка вблизи усадочной раковины. В зоне столб­чатых кристаллов и в наружной зоне мелких кристаллов, а также в деформированном металле с помощью светового микроскопа не удается обнаружить структурных составляющих, характерных для металла с пониженной пластичностью. Заметно лишь повыше­ние степени дендритной ликвации в непластичном металле.

В тех случаях, когда световой микроскоп не обнаруживает фаз, типичных для непластичного металла, с помощью микро­дифракции можно установить структуру типичных неметалличе­ских включений. На границах кристаллов в межосных простран­ствах и на поверхностях разрушения были обнаружены неметал­лические включения, представляющие собой сложные окислы. Основной составляющей окислов, типичных для непластичного металла, являются окислы кремния. Наиболее часто встречаются окислы состава CaO-MgO-2SiO₂ и MgO-SiO₂. В металле с удовлетворительной пластичностью окислы встречаются реже, и в их составе преобладают окислы кальция и алюминия (2СаО - Al ₂O₃ -SiO₂), а не кремнезем.

Кристаллические фазы включений, присутствующих в ме­талле с низкой пластичностью после охлаждения до комнатной температуры, имеют высокое содержание кремния, указывающее на образование их из соответствующих стекол при охлаждении. В работе [21, с. 66] показано, что включения состава CaO-MgO -2SiO₂ (диопсид) при горячей деформации подвергаются вяз­кому течению, т. е., по-видимому, находятся в стекловидном состоянии. Температура размягчения стекол на 25—35% ниже, чем температура плавления соответствующих сложных окислов (табл. 33).

Присутствие при горячей деформации окислов в стекловидной форме, в особенности в виде пленок, может привести к образова­нию очагов разрушения, вследствие очень низкой прочности стекол при высокой температуре, а также вследствие того, что присутствие стекол в виде пленок вызывает нарушение металли­ческой связи между кристаллами и внутри кристаллов (межосные участки).

Пленки стекол образуются при кристаллизации сплавов. Кислород, находящийся в жидком металле, в виде растворенных кремнекислородных комплексов (Si—O-Si—О), практически не растворимых в твердом металле, вследствие дендритной ликвации обогащает межосные участки и их стыки на границе кристаллов. Из объемов жидкого металла, пересыщенного кремнекислород­ными комплексами, в последний момент кристаллизации выде­ляются пленки окислов. Наиболее вероятной формой выделения являются пленки или эвтектики металл—стекло, образующиеся в вязкой форме на внешней поверхности осей второго (и выше) порядков (в межосных участках) и на стыках кристаллов.

Образование жидкой или вязкой (аморфной) фазы при температурах, близких к температуре солидус, энергетически более вероятно, чем образование кристаллических фаз. Некоторая растворимость кремнекислородных комплексов уменьшает работу образования включений, содержащих окислы кремния. Этим объясняется образование стекол, содержащих только крем­незем.

Образование включений, содержащих наряду с кремнеземом окислы кальция, магния и алюминия, можно объяснить тем, что эти элементы, обладая значительной поверхностной активностью на границе металл—стекло, образуют сложные окислы, имеющие наиболее низкую температуру плавления (например, диопсид). Возможно, что образование стекол, близких по составу к диопсиду, происходит в момент совместного выделения из жидкого металла шлаковой фазы такого же состава. Стекла, кремнеземи­стые или сложные, при охлаждении расстекловываются полностью или частично, с образованием дисперсных кристаллов типа кристо балита, диопсида, энстатита и др.

Контакт жидкого металла, содержащего алюминий, с футе­ровкой или шлаком, содержащими окислы кремния, кальция и магния, при высоких температурах (выше 1560° С) приводит к на­сыщению металла кремнекислородными комплексами, кальцием и магнием. Присутствие в жидком металле кремнекислородных комплексов приводит к образованию неметаллических включений, снижающих горячую пластичность жаропрочных сплавов.

Интересным фактом является установление высокой концен­трации магния по границам пор и трещин. Это может быть объяс­нено тем, что магний, обладающий высокой поверхностной актив­ностью, насыщает поверхность металла около образовавшихся трещин или усадочных пор. По-видимому, поверхностная актив­ность магния будет проявляться как на границе раздела металл— вакуум или металл—воздух, так и на границе раздела металл— стекло. Диалогичным должно быть поведение кальция. Подтверж­дение этого было получено в исследовании сплава Х20Н80, где было установлено высокое содержание магния, кальция и. крем­ния на поверхности пузырей. По-видимому, после образования пузыря поверхность его покрывается пленкой стекла и обога­щается особенно активно магнием и в меньшей степени кальцием.

При отсутствии границ раздела металла с другими средами (воздух, газ, шлак) высокие концентрации магния и кальция не имеют места вследствие выравнивающей диффузии.

Читайте также:

  
• Лак vixen для металла
  
• Изделия из металла индийские
  
• Сетка для огорода металлическая
  
• Щетка зачистная металлическая гост
  
• Допишите определение металлической кристаллической решеткой называют