Управление природой неметаллических включений

 

Неметаллические включения оказывают определяющее влияние на ха­рактер разрушения стали. Зарождение трещин у неметаллических включе­ний обычно происходит либо в результате разрушения включения и пере­ходе трещины из него в металл, либо при отделении включения от метал­лической матрицы с последующим ростом образовавшейся полости. Это связано с низкой прочностью как самих включений, так и контактного слоя металл - включение. Первичные микротрещины образуются вокруг наиболее крупных (более 10 мкм) включений, таких как MnS, CaS, AI2O3, SiO2. С понижением температуры влияние включений усиливается, причем особенно заметно с повышением общей загрязненности металла.
 
Наиболее значительным, с точки зрения обеспечения надежности де­талей, является влияние неметаллических включений на механизм разру­шения стали. Степень участия включений в процессах вязкого и хрупкого разрушения существенно различна. Это объясняется тем, что энергоем­кость вязкого и хрупкого разрушений определяется разными параметрами. Влияние включений на вязкое разрушение стали проявляется в механизме образования и коалесценции микропор, зарождающихся на неметалличе­ских включениях.
 
Хрупкие разрушения связаны с наличием внутренних дефектов с раз­мером больше критического. Если размер включений составляет 5-10 мкм и более, опасность хрупкого разрушения возрастает. Особенно опасны оксиды и нитриды, выделяющиеся по границам аустенитных зерен. В ок­рестностях неметаллических включений пластическая деформация стесне­на вследствие скопления дислокаций, выделения на дислокациях примес­ных атомов и т.д. Из-за стеснения пластической деформации напряжения растут, что приводит к возникновению микротрещин. Микронапряжения в окрестностях включений, вызванные различием физических свойств ме­талла и включения, достигают 250 МПа. Напряженное состояние вокруг включений усугубляется существующими в металле термическими напря­жениями.
 
Согласно классификации Симса - Даля различают три вида неметал­лических включений: глобулярные, пленочные по границам зерен и остро­угольные. Наиболее опасны включения второго типа - пленочные, встре­чающиеся сравнительно редко. Остроугольные включения значительно опаснее глобулярных. Поэтому важной задачей современного материалове­дения является управление природой включений с целью получения необ­ходимого комплекса механических свойств и повышения конструкцион­ной прочности материалов. Это достигается применением модификаторов с их высоким рафинирующим эффектом и способностью осуществлять глобуляризацию неметаллических включений.
 
Рис. 1. Влияние включений на пластичность:
1 - карбиды; 2 - оксиды (сульфиды); 3 - сфероидальные; 4 - перлит; 5 - глобулярные; б - остроугольные удлиненные
 
На рис 1. приведены данные, относящиеся к деформации при раз­рушении. При очень низком содержании серы и кислорода в стали могут быть достигнуты очень хорошие свойства. По литературным данным, в настоящее время содержание кислорода и серы может составлять менее 10 млн-1, однако в стандартной продукции максимальное содержание ки­слорода составляет 30 млн-1, а серы - 80 млн-1. Доминирующее влияние оказывает не природа оксидов или сульфидов, а их объемная доля, форма и распределение. Модифицированные включения смешанного типа, полу­ченные в результате обработки кальцием и состоящие из алюминатов кальция в сердцевине и сульфидов кальция и марганца на поверхности, имеют пониженную пластичность при повышенных температурах по срав­нению со сталью. Это позволяет избежать образования вредных удлинен­ных включений, например, MnS. Благодаря низкому содержанию неметал­лических включений не образуются кластеры оксидов алюминия, силика­тов или силикоалюминатов.  
На рис. 1 показано также влияние карбидов на снижение деформации. Причиной более благоприятного влияния кар­бидов по сравнению с оксидами и сульфидами является их существенно более высокая прочность сцепления со стальной матрицей.
В качестве модификаторов применяют небольшие добавки сплавов на основе редкоземельных (РЗМ) и щелочноземельных (ЩЗМ) металлов. Их важным свойством является высокое химическое сродство к растворенным в стали примесям серы, кислорода, азота и водорода. Модифицирование является одним из универсальных и эффективных способов повышения качества стали, особенно применяемой для работы при низких температу­рах. При минимальных затратах модифицирование позволяет измельчить микро- и макроструктуру, уменьшить развитие химической, физической и структурной неоднородности, снизить содержание газов, благоприятно изменить природу и форму неметаллических включений, повысить ком­плекс технологических и эксплуатационных свойств.
В качестве модификаторов на основе ЩЗМ обычно применяют силикокальций или его сплавы с марганцем, алюминием и другими элементами. Учитывая высокое давление насыщенных паров кальция при температурах сталеплавильных процессов, в состав сплава целесообразно вводить барий, снижающий скорость испарения кальция.
Раскисление силикокальцием благоприятствует глобуляризации вклю­чений за счет обволакивания оксидов алюминия сульфидами марганца и кальция. Добавка силикокальция уменьшает общую загрязненность стали неметаллическими включениями и способствует увеличению ударной вяз­кости в широком температурном диапазоне (рис. 2).
 
 
Рис. 2. Влияние количества (Si-Ca) лигатуры на ударную вязкость и индекс загряз­ненности литой стали 12ХГФЛ неметаллическими включениями:
1 - индекс загрязненности; 2 - ударная вязкость при температуре +20 °С; 3-0 °С; 4 - 6   -при -20, -40, -60 °С соответственно
 
Редкоземельные металлы цериевой группы, как и ЩЗМ, способствуют обособлению сульфидной или оксисульфидной фазы на ранних стадиях кристаллизации металла. При этом сульфиды (оксисульфиды) располага­ются преимущественно в осях дендритов в центральных областях литого зерна. Они, как правило, имеют глобулярную форму, что снижает их  отрицательное  влияние на свойства металла. Влияние РЗМ также проявляет­ся в снижении общей загрязненности стали неметаллическими включе­ниями, газами и примесями цветных металлов или в переводе этих элемен­тов из активных форм в пассивные, что также способствует очищению границ зерен.
ЩЗМ и РЗМ, вводимые в жидкую сталь, не входят в состав твердого раствора, не обогащают границ зерен, а полностью находятся в неметал­лических включениях глобулярной формы. В табл. 1 приведены резуль­таты влияния разных вариантов модифицирования на характер включений и вязкость низкоуглеродистой литой стали 08ГФЛ.
 
ТАБЛИЦА 1.

Влияние модифицирования на ударную вязкость и критическую температуру хрупкости стали 08ГФЛ

 

Количество вводимого модификатора, %
 
 
Остаточное содержание, %
Средний размер включе­ний, мкм
Коэффици­ент глобуля-ризации, %
ксu-60,
Дж/см2
Т50°С
 
 
Са
Се
 
 
 
 
 
 
 
 
Без модифицирования
—
—
7,8
22,2
45
-3
0,2 SiCa
0,0022
—
4,9
64,0
80
-15
0,2 FeCe
—
0,10
3,9
80,9
95
-24
0,15 SiCa + 0,15 FeCe
0,0014
0,10
3,6
83,1
120
-30

Наибольший модифицирующий эффект и максимальное повышение хладостойкости достигается при совместной обработке стали ферроцерием и силикокальцием.

 

    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.