5. Неметаллические включения в стали

Общая характеристика неметаллических включений (НВ)

В конце окислительного рафинирования жидкий металл (по сравнению с твердым) по содержанию кислорода, серы, фосфора, азота и других вредных примесей является пересыщенным раствором. В процессе кристаллизации и охлаждения неизбежно выпадение примесей с образованием различных химических соединений, которые образуют самостоятельную фазу в виде НВ, фиксируясь в объеме твердой стали. Неметаллическими включенияминазывают содержащиеся в стали соединения металлов (железа, марганца, кремния) с неметаллами (кислородом, серой, азотом, водородом, фосфором).

Источниками образования НВ в стали являются также огнеупоры и шлаки, с которыми металл соприкасается во время плавления и разливки.

Следовательно, в любой твердой стали неизбежно содержание различных НВ, которые ухудшают ее качество и свойства:

 нарушают сплошность металла;

 имеют по сравнению с металлом разный коэффициент расширения и неодинаковую деформируемость.

НВ подразделяют на группы по разным признакам.

1. По источникам образования:

 экзогенные- включения, состоящие из огнеупорных материалов и шлака, механически увлекаемые потоком жидкого металла во время выпуска и разливки и фиксируемые в затвердевшей стали.

 эндогенные- включения, образующиеся в результате протекания различных физико-химических процессов в самом металле во время его раскисления, кристаллизации и охлаждения в жидком и твердом состояниях.

Различают еще и экзоэндогенные включения, когда эндогенные включения выделяются на экзогенных.

Большинство НВ, формирующихся в твердой стали, являются эндогенными.

2. По месту (времени) образования эндогенные включения подразделяются:

 на первичныеобразуются в момент раскисления;

 вторичныевыделяются во время охлаждения жидкого металла от температуры раскисления до температуры начала кристаллизации;

 третичныевозникают при кристаллизации стали (между температурами ликвидуса и солидуса);

 четвертичныевыделяются во время охлаждения затвердевшей стали.

Пока не установлено какое количество НВ выделяется в каждый момент. Однако можно утверждать, что основное количество НВ выделяется во время раскисления и кристаллизации стали.

3. По химическому составу:

 оксидныемогут состоять из отдельных оксидов (FeO, MnO, SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂ и др.) или их соединений (силикатов, алюминатов и т.д.). Соотношение компонентов зависит от вида и количества раскислителей; количество зависит от остаточного содержания кислорода.

 сульфидные состоят из FeS, MnS, Al₂S₃, ZrS₂и др. Наиболее эффективным способом уменьшения содержания сульфидных включений в готовой стали является снижение концентрации серы в металле.

 нитридные  могут иметь химический состав Si₃N, AlN, VN, TiN, ZrN и др. Число нитридов резко возрастает в случае, если сталь, раскисленная нитридочувствительными элементами, контактирует с воздухом.

 карбидные содержатся в высокоуглеродистой стали, когда в ней присутствуют карбидообразующие элементы (Ti, Nb и др.).

 фосфидные выделяются в виде эвтектики, состоящей в основном из Fe₂P, Mn₅P₂. Основным способом уменьшения содержания фосфидных включений в готовой стали является достижение низкой концентрации фосфора в металле (0,01%).

Встречаются комплексныевключения: сульфидные (FeSMnS), нитридные ((Ti,V)N), карбидные ((Ti,V)C, (NB,V)C), карбонитридные (V(C,N), (Ti,V)(C,N)).

В спокойной, особенно легированной, стали обычно преобладают оксидные включения, доля которых в общем количестве включений часто достигает 70-85%.

4. По размерам. Нет единого мнения в определении групп включений по размерам, обычно проводят градацию:

 макроскопические те включения, которые можно обнаружить невооруженным глазом или при увеличении, достигаемом при использовании лупы;

 микроскопические более мелкие частицы.

В стали всегда преобладают микроскопические включения, так как более крупные легко удаляются.

5. По форме и характеру расположения в объеме металла:

 расположенные по границам зерен являются самыми опасными, так как в наибольшей степени снижают свойства стали;

 имеющие острые грани, тоже представляют опасность, так как служат местом концентрации напряжений и началом разрушения изделия;

 округлой формы приносят меньший вред, а в некоторых случаях могут оказаться полезными;

 расположенные равномерно по всему объему металлаприносят наименьший вред, а в ряде случаев являются очень полезными.

Основную долю вредных НВ составляют оксиды и сульфиды.

Способы обеспечения чистоты стали

Большинство включений, образующихся в процессе производства, не могут оставаться долго во взвешенном состоянии в жидкой стали. НВ легче металла и под воздействием гравитационных сил они должны всплывать. Для крупных включений, если металл не перемешивается, скорость всплывания в жидкой стали может быть описана формулой Стокса

, (7.5‑57)

где Vскорость всплывания;_ме,_вклплотности жидкой стали и включения; rрадиус всплывающего включения;коэффициент динамической вязкости жидкой стали.

Формула Стокса выводится из условия, что подъемная сила, определяемая разностью плотностей и размерами включений, встречает сопротивление только вязкости жидкости. Соответственно, чем меньше вязкость жидкости и чем больше разность плотностей и особенно размер включения, тем больше скорость всплывания. Однако на практике, при интенсивном перемешивании металла, мелкие НВ, увлекаемые струями металла, могут весьма долго витать в расплаве, перемещаясь вверх и вниз вместе с металлом.

Согласно формуле Стокса, определяющим значением является радиус включения. Следовательно, успешное удаление НВ определяется условиями их укрупнения.

Укрупнение определяется:

1. Числом встреч частиц. Число встреч будет тем больше, чем выше интенсивность перемешивания.

2. Эффективностью встреч. Более эффективно укрупнение происходит при встрече жидких частиц. Следовательно, задача укрупнения сводится к задаче получения продуктов раскисления в жидком состоянии. Возникающие твердые продукты раскисления плохо укрупняются и плохо удаляются из стали.

Возможность получения жидких продуктов осуществляется при комплексном раскислении, например, марганцем и кремнием.