Лабораторная работа №3 Влияние раскисления и модифицирования стали на состав, форму и расположение неметаллических включений в отливках

Цель работы: изучение неметаллических включений в литой углеродистой стали, влияния конечного раскисления на природу неметаллических включений и механические свойства стали, а также изучение методики подсчета неметаллических включений литой стали одним из стандартных методов.

1. Общие положения

Неметаллические включения являются основной плавочной характеристикой стали, в значительной степени определяющей её свойства. Степень загрязненности включениями, их природа и характер распределения оказывают однозначное влияние на процессы охрупчивания стали при низких температурах. Включения как концентраторы напряжений способствуют зарождению трещин и предопределяют переход стали из вязкого состояния в хрупкое. Повышение общей чистоты стали и получение благоприятной формы включений существенно снижают критическую температуру хладноломкости.

Виды неметаллических включений в литой стали

По характеру происхождения неметаллические включения, встречающиеся в сталях, принято делить на две группы: эндогенные, образующиеся в процессе реакций металлургического передела, и экзогенные, попадающие в сталь механически.

К эндогенным включениям относят следующие соединения - оксиды, сульфиды и нитриды. В литой стали, они присутствуют в форме кристаллов и глобулей. Кристаллическую форму принимают включения, выделяемые из жидкой стали в твердом состоянии. Глобулярную форму принимают неметаллические включения, образующиеся в виде жидкости и кристаллизующиеся позже окружающего их металла. В больших отливках включения значительно крупнее, чем в малых, что видно из рис. 1.

Рис. 1. Влияние сечения отливки на размеры образую­щихся включений

Экзогенными включениями являются посторонние частицы, запутавшиеся в жидком металле. Их источниками являются форма, огнеупоры или печной шлак. Обычно они представляют собою сложные оксиды. Реагируя с элементами жидкой стали, они приобретают сходство с эндогенными и часто трудно отличимы от последних.

Эндогенные включения образуются при плавке стали, при нахождении её в ковше, в процессе разливки, кристаллизации отливки и при охлаждении твердой стали. По В.И. Явойскому принято различать эти включения по времени их появления:

а) первичные, выделяющиеся в процессе плавки стали, в основном при её раскислении;

б) вторичные, образующиеся при охлаждении жидкого металла от конца его раскисления до температуры кристаллизации;

в) третичные, выделяющиеся в процессе кристаллизации стали;

г) четвертичные, образующиеся в твердой стали при дальнейшем ее охлаждении.

В соответствии с ГОСТ 977-88 основными включениями в углеродистой стали являются сульфиды и оксисульфиды (вследствие допустимого высокого содержания серы до 0,06 %). В стали, раскисленной алюминием и содержащей 0,05 % S и 0,004 % O₂, относительное количество сульфидов (в виде MnS) и окислов (в виде Al₂O₃) составляет соответственно 94 и 6 %. На шлифе наблюдаются в основном сульфидные включения, а оксиды располагаются внутри сульфидов (в виде зернышек корунда или шпинели). В связи с этим свойства углеродистой стали определяются преимущественно формой и характером расположения сульфидов. На эти параметры сульфидов решающее влияние оказывает присадка алюминия. Так, при 075-0,05 % Al, углеродистая сталь имеет минимальные значения эластичности и вязкости стали. Увеличение присадки алюминия до 0,07 % приводит к повышению механических свойств стали (рис. 2).

В стали, раскисленной алюминием, сульфиды заметно измельчаются. В стали, раскисленной марганцем и кремнием, сульфиды встречаются в виде глобулей.

Титан, имеющий большее по сравнению с марганцем сродство к сере, образует сульфиды неблагоприятной сетчатой формы, заметно снижающие механические свойства литой стали. С увеличением содержания Тi в стали форма сульфидов не изменяется, возрастает загрязненность периметра зерен. Таким образом, в стали, включающей Ti, содержание серы должно быть минимальным.

Влияние алюминия на механические свойства углеродистой стали находит следующее объяснение.

П

а_н МДж/м²

ри охлаждении и кристаллизации жидкой стали раство­римость серы падает и сульфиды выделяются из пер

Рис. 2. Влияние содержания алюминия на ударную вяз­кость (а) и относительное удлинение (б)

есыщенного раствора. Это выделение может про­исходить на различных ста­диях затвердевания отливок в зависимости от степени растворимости серы. Рас­творимость же последней зависит от содержания сво­бодного кислорода в стали. При повышенном содержа­нии кислорода раствори­мость серы понижается на­столько, что сульфиды вы­деляются совместно с окси­дами в начальной стадии кристаллизации. Такие ок­сисульфиды имеют форму сравнительно крупных гло­булей, относительно равно­мерно распределенных в твердой стали. Окислы и сульфиды взаимно раство­рены в жидком состоянии, но npи затвердевании рас­стекловываются, давая ха­рактерные структуры рас­пада. Включения этого типа ( I тип) образуются в литой стали, раскисленной мар­ганцем и кремнием без присадок алюминия или других силь­ных раскислителей (рис.3.а). При малых присадках алюминия, не связывающих кислород полностью, включения этого типа сохраняются.

При критической присадке алюминия (до 0,02 %), когда с

Рис. 3. Типы включений сульфидов в литой углеродистой стали, раскисленной алюминием: а - тип I - глобулярные дезориен­тированные (без при­садки алюми­ния);

б - тип II - эвтектические (0,005-0,010 % алюми­ния); в - тип III - непра­вильной формы, дез­ориентированные (0,03-0,05 % алюминия)

одержание кислорода снижается до минимума, а сам алюминий полностью расходу­ется на образование глинозема, растворимость сульфидов пре­дельно увеличивается, они выпа­дают из раствора только в по­следний момент кристаллизации. Эти включения (II тип) выделя­ются после образования скелетов дендритов и поэтому располага­ются по границам зерен в форме прерывистых пленок сульфидной эвтектики, сильно ослабляющей межкристаллитные связи (рис.3,б).

При дальнейшем увеличе­нии присадки алюминия (>0,03 %) он частично растворяется в стали, влияя на изменение её по­верхностного натяжения и уменьшая тем самым раствори­мость серы, что приводит к более раннему выделению сульфидов на многочисленных центрах (ко­рунде, шпинелях, нитридах). Это включения III типа (рис.3,в). Этот тип включений наиболее оптимален с точки зрения плот­ности (отсутствует ситовидная пористость, присущая I типу) и механических свойств (дезори­ентированное распределение включений).

Конечное раскисление является важнейшим этапом плавки, поэтому размер присадки и метод введения алюминия должны гарантировать стабильность процесса и оптимальное содержание алюминия в стали, обеспечивающее образование дезориентированных сульфидов III типа. На практике этому обычно соответствует ввод присадки алюминия в жидкую сталь из расчета 1 кг на 1 т стали.

Снижение механических свойств при увеличении присадки алюминия свыше 0,05 % объясняется появлением в стали наряду с сульфидами Ш типа зерен корунда и шпинелей. Последние являются результатом повторного окисления, возникающего при переливе стали из печи в ковш, из ковша в форму. Защита от повторного окисления сводится к применению защитных атмосфер (в крупных сухих формах), к покраске крупных форм обезвоженной каменноугольной смолой или специальным лаком, к присадке поверхностно-активных металлов, образующих газовую завесу над поверхностью жидкой стали, и др. Защита жидкой стали от повторного окисления - одно из важных направлений современной металлургии стали.

Все типы образующихся в стали оксидных включений имеют характерные признаки и могут достаточно точно определяться металлографическими методами контроля. Глинозем, корунд (Al₂O₃) встречаются во всех марках стали. На шлифах эти включения имеют вид мелких кристаллов неправильной формы. В литой стали они располагаются чаще дезориентированно, реже гроздьями.

Железная шпинель FeО  Al₂O₃ (герценит) встречается в сталях, раскисленных малыми добавками алюминия. На шлифах герценит имеет вид кристаллов правильной кубической формы.

Силикат марганца - тефренит 2MnO  SiO₂ - встречается в сталях, раскисленных без алюминия и содержащих мало кремния; он аморфен, темного цвета. Чаще встречаются сложные силикаты nFeO mMnO  pAl₂O₃, имеющие вид стекол с характерными розетками.

Алюмосиликаты nMnO  mSiO₂  pAl₂O₃ - легкоплавкие глобулярные включения, дезориентированно расположенные в литой высокомарганцевой стали. Они имеют темно-серый цвет.

Исключительно большую роль в структурообразовании стали играют нитриды алюминия. Они являются основными регуляторами роста аустенитного зерна, определяющего комплекс свойств стали. Вследствие высокой степени дисперсности и трудности металлографического контроля нитриды алюминия изучены недостаточно. При увеличениях более х3000 под электронным микроскопом нитриды алюминия имеют обычно форму игл или тонких пластинок по границам зерен.

Нитриды других элементов изучены еще менее, чем нитриды алюминия. Источниками экзогенных включений являются огнеупоры, печные шлаки, материал форм.

Методы определения неметаллических включений

Постоянно возрастающие требования к чистоте стали привели к необходимости применения объективных, надежных и достоверных методов контроля. Широкое использование их на практике, в свою очередь, требует, чтобы они были достаточно точными, нетрудоемкими и оперативными. Принятый в металлургии метод оценки загрязненности стали неметаллическими включениями весьма субъективен и не позволяет установить строгой зависимости между баллом загрязненности стали и её физико-механическими свойствами. Поэтому наряду с эталонными методами оценки неметаллических включений разработаны и предлагаются для практического использования и количественные методы оценки, основанные на подсчете включений на шлифах. Для количественной оценки неметаллических включений в литой стали рекомендуется метод Л, разработанный в Запорожском машиностроительном институте. Прототипом метода линейно-поперечного подсчета включений является точечный метод количественного анализа, разработанный А.А. Глаголевым и уточненный С.А. Салтыковым. В его основе лежит принцип Б. Кавальери - А. Акера, который утверждает, что объем, занимаемый некоторой фазой в объеме сплава; площадь, занимаемая этой же фазой на единице площади шлифа; суммарная длина отрезков прямой, проходящих через эту фазу и отнесенная к длине прямой, пересекающей поверхность шлифа или образца, численно равны между собой. Иначе говоря, процентное содержание определенной фазы (неметаллических включений) в объеме сплава, на поверхности шлифа или на длине прямой выражается одной и той же величиной.

В соответствии с ГОСТ 1778-70 для определения загрязненности неметаллическими включениями отбирается количество образцов, указываемое в технической документации (обычно не менее 6 от каждой плавки). Количество образцов зависит от требуемой точности определения. Для контроля литого металла шлифы обычно изготовляются из проб (клиновидных, трефовидных) для механических испытаний. Площадь одного шлифа должна составлять 450+50 мм. Суммарная длина подсчета включений должна быть 15-20 см.

Оценка загрязненности стали включениями производится под микроскопом на нетравленных шлифах.

Шлиф расчерчивает параллельными линиями в произвольном направлении таким образом, чтобы выбранная длина для подсчета была не менее 3 см и охватывала периферийные и центральные зоны литых проб.

Установленный на предметный столик микроскоп, шлиф перемещают с помощью микрометрических винтов в одном направлении вдоль отмеченных линий. Замеряют максимальные размеры включений Q, попадающих в перекрестие нитей окуляра (рис. 4), и фиксируют их в соответствии с группами, указанными в таблице.

Рис. 4. Схема подсчета вклю­чений

Группа включений	Размеры включений в делениях окулярной шкалы	Средние размеры включений в делениях окулярной шкалы
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15	0-2 2.1-4.0 4.1-6.0 6.1-8.0 8.1-10.0 10.1-12.0 12.1-14.0 14.1-16.0 16.1-18.0 18.1-20.0 20.1-22.0 22.1-24.0 24.1-26.0 26.1-28.0 28.1-30.0	1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

Загрязненность шлифов оценивает отдельно по кислородным, сульфидным и нитридным включениям или совокупно по всем видам включений. Вид включений, подлежащих оценке, зависит от цели исследования.

Загрязненность включениями плавки (U) вычисляют по формуле

где b - цена деления окулярной шкалы при данном увеличении в мкм;

а_i - среднее значение размеров включений в делениях окулярной шкалы;

m_i - количество включений данной группы;

l - длина подсчета в мкм.