Неметаллические включения и качество стали

Бельченко Г.И., Губенко С.И.
Киев Техника, 1980 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
Бельченко Г.И., Губенко С.И. Неметаллические включения и качество стали

ВЛИЯНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛИ

 

В последнее время появилось много работ по изучению влияния включении на технологи­ческую пластичность, усталость, водородное охруп­чивание, коррозионную стойкость, абразивный из­нос и другие свойства стали.

Несмотря на большое количество исследований, до сих пор не установлена четкая зависимость между степенью чистоты стали и ее свойствами. Нет согласованности в вопросе — какая из харак­теристик включений наиболее опасна с точки зре­ния воздействия на свойства стали — химический состав, размер, количество или распределение. Про­тиворечивость данных о влиянии включений на свойства стали можно объяснить различием видов стали, технологии ее производства и условий ис­следования.

В работе 149] показано, что включения корунда ухудшают технологические свойства стал и, особенно

если они образуют скопления. Однако авторы ра­боты [9] утверждают, что корунд не оказывает от­рицательного влияния на технологическую пластич­ность, а напротив, даже повышает ее ]23], тогда как трещины зарождаются обычно у силикатов. По влиянию сульфидных включений на технологи­ческие свойства стали в литературе нет единого мнения. В работе [11] указывается на вредное влия­ние пленочных сульфидов на пластичность стали из-за низкой температуры плавления сульфидов. В то же время существует мнение [81 ], что сульфи­ды полезны в том случае, когда они образуют обо­лочку вокруг окислов и шпинели, тем самым сни­жая вредное влияние этих включений на пластич­ность стали. Пластичность стали при горячей деформации ухудшается при наличии в ней скоп­лений окислов хрома и марганцево-хромистой шпинели [40].

Отрицательное влияние включений на техноло­гическую пластичность стали при высоких темпе­ратурах особенно проявляется в случаях, когда включения окислов, сульфидов, нитридов и их эв­тектики имеют температуру плавления ниже тем­пературы горячей деформации стали или образуют стекловидные фазы с низкой температурой размяг­чения [9], а также когда включения образуют скоп­ления как следствие ликвации кислорода, серы или формируются на границах кристаллов в виде пленочных включений, ослабляющих связь между кристаллами.

Большинство дефектов деформированной стали,образующихся при прокатке, ковке, штамповке, так или иначе связано с неметаллическими включе­ниями. Такие дефекты можно разделить на две большие группы: внутренние и поверхностные.

Одним из наиболее распространенных внутрен­них дефектов стали являются волосовины, пред­ставляющие собой нитевидные несплошности, обра­зующиеся при деформации неметаллических вклю­чений. Включения окислов железа, корунда, си­ликатов, пластически не деформирующиеся при температурах горячей прокатки, разрушаются и об­разуют строчки, которые проявляются как волосо­вины. Пластичные сульфидные и силикатные вклю­чения, раскатавшиеся при прокатке, также вызыва­ют волосовины. Возникновение волосовин в стали зависит от величины и характера расположения неметаллических включений. Опасность представ­ляют отдельные крупные включения, а также боль­шие скопления мелких включений. Наличие воло­совин в деформированной стали значительно сни­жает ее прочность.

Типичным дефектом деформированной стали яв­ляется расслоение, представляющее собой наруше­ние сплошности стальной заготовки или готового изделия. Часто расслоение выходит наружу, на­пример на кромку листа. Расслоение появляется в местах скопления силикатов и окислов. Вследствие различия пластичности включений и стальной матрицы, а также из-за хрупкого разрушения включе­ний при деформации происходит нарушение сплош­ности по поверхности раздела включений с матрицей и в случае строчечного расположения включе­ний в стали образуется вытянутое в направлении прокатки расслоение (рис. 3). Небольшие расслое­ния могут исчезать в процессе горячей деформации в результате сваривания, однако присутствие неме­таллических включений мешает свариванию внут­ренних стенок расслоений. Наличие внутренних расслоений в стальных изделиях недопустимо, так как они служат готовыми центрами зарождения разрушения при воздействии на сталь внешней нагрузки. Например, при холодной штамповке лис­товой стали, имеющей расслоения, часто происходят разрывы. Изучение поверхности разрушения штам­пованной детали выявило в изломе неметалличе­ские включения (рис. 4).

К внутренним нарушениям сплошности стали относят рванины, представляющие собой полости неправильной формы, трещины напряжения раз­личного происхождения (рис. 5), имеющие окислен­ную поверхность. В структуре стали вблизи этих дефектов образуется обезуглероженная зона, за­грязненная окисными и сульфидными включениями. Наиболее часто встречаются окислы FeO и MnO, которые получаются в результате взаимодействия окалины, покрывающей поверхность дефекта, со стальной матрицей при горячей деформации. В этих случаях неметаллические включения являются не причиной, а следствием образования внутреннего дефекта. Наличие включений вблизи внутренних дефектов усложняет структуру последних и спо­собствует их росту при деформации стали.

Во время нагрева под прокатку до высокой тем­пературы может происходить окисление и частич­ное оплавление границ зерен, когда на границах зерен образуются хрупкие пленочные включения окислов, разобщающие зерна (рис. 6). Вследствие

этого в процессе последующей прокатки по границам окисленных кристаллов образуются рванины пережога и трещины. В этом случае неметалличе­ские включения служат причиной образования в стали внутренних дефектов — рванин и трещин.

Рванины пережога могут выйти на поверхность стального изделия. В этом случае они представляют собой раскрытые разрывы, расположенные под уг­лом к направлению прокатки.

Многие дефекты слитка, такие, как газовые пу­зыри, трещины напряжения, корочки, при после­дующей горячей деформации изменяют свою форму и проявляются как дефекты деформированной стали. Раскатанные пузыри представляют собой наруше­ния сплошности вдоль направления прокатки, образующиеся в результате раската подкорковых пузырей слитка, на поверхности которых находились окалина и неметаллические включения, препятст­вующие их свариванию при прокатке. Раскатанные трещины образуются при прокатке слитка, имею­щего трещины напряжения, и представляют собой внутренние и внешние разрывы металла, покрытые слоем окислов. Прокатка слитка, загрязненного крупными экзогенными включениями, приводит к появлению дефектов, названных раскатанными загрязнениями, представляющих собой вытянутые в направлении прокатки крупные шлаковые вклю­чения или частицы огнеупоров. Темные и светлые корочки, а также заворот корочки преобразуются при прокатке стали в местные расслоения металла, образовавшиеся в результате раскатки завернув­шихся корочек в виде скоплений неметаллических включений, окисленных заливин и плен, вблизи которых в структуре обнаруживается обезуглероженный слой с частицами окислов и сложных вклю­чений. Неоднородность макроструктуры слитка наследуется деформированной сталью и при трав­лении темплета представляет локальный растрав металла в виде пятен и полос в местах скопления неметаллических включении.

Поверхностные дефекты прокатанной стали мо­гут быть вызваны неметаллическими включениями, присутствующими в стали, и неметаллическими фазами, попадающими на поверхность слитка или заготовки извне или образующимися на поверхно­сти в результате реакции компонентов стали с ок­ружающей средой во время нагрева под прокатку.

Источником посторонних неметаллических фаз, попадающих на поверхность слитков и стальных заготовок, являются частицы огнеупоров из раз­рушенной футеровки нагревательных устройств (колодцев, печей). В процессе деформации частицы неметаллических включений вкатываются в поверх­ностные слои стали, вызывая надрывы. Нa поверх­ности видны отдельные вкрапления или строчки вкраплений, ухудшающие качество стали. В тон­ких местах при вкатывании инородных частиц могут образоваться сквозные разрывы.

Выдержка слитков или заготовок при высоких температурах во время нагрева под прокатку мо­жет привести к окислению кремния, марганца, алю­миния и других элементов, присутствующих в стали, и к образованию на поверхности заготовок шлака сложного состава. При последующей горя­чей деформации шлак деформируется вместе со сталью и раскатывается вдоль поверхности сталь­ного изделия или вкатывается в поверхностные слои стали. Пластичность шлака зависит от его состава и температуры деформации. Поверхность прокатанной стали оказывается пораженной темными пятнами и полосами, являющимися шлаковыми вклю­чениями. Листы из такой стали плохо протравли­ваются и непригодны для эмалирования и нанесе­ния покрытий из других металлов (цинка, свин­ца).

Поверхность проката всегда в большей или мень­шей степени покрыта окалиной, т. е. слоем окислов железа, получившихся в результате окисления

стали при нагреве в печи или в процессе самой прокатки. Окалинообразование вредно по своим последствиям. С экономической точки зрения оно приводит к большой потере металла. Частицы окалины, вкатанные в поверхность стали при деформации, существенно снижают качество по­верхности, что недопустимо, например, для го­рячекатаной и холоднокатаной листовой стали. Окалина вызывает шероховатость поверхности и ухудшает внешний вид прокатанной стали. Раз­личают несколько видов поверхностных дефектов, вызванных окислением деформированной стали. Рябизна представляет собой углубления на по­верхности листа, образовавшиеся при вдавлива­нии частиц окалины во время прокатки. Ра­ковины от окалины также образуются при вда­вливании частиц окалины и их выпадении во время прокатки. Отстающая окалина представ­ляет собой отдельные участки на поверхности деформированной стали с отслоившейся или рых­лой окалиной, образовавшиеся при деформации стали. На поверхности тонких листов после вкатывания окалины обнаруживают поперечные надрывы.

При значительном окалинообразовании могут обнажаться подкорковые пузыри, что является при­чиной возникновения при прокатке стали поверх­ностных дефектов — раскатанных пузырей и про­катных плен. Другая причина образования плен — высокое содержание в стали окисных и сульфид­ных включений, присутствующих на внутренней

поверхности сотовых пузырей и препятствующих их свариванию при горячей прокатке. Плены пред­ставляют собой отслоения в виде тонких пластин языкообразной формы, соединенных с основной частью стального изделия. В местах соединения плен с основной массой металла существует обез- углероженный слой с неметаллическими включе­ниями, преимущественно окислами, а также шла­ковыми включениями. Плены совершенно недопу­стимы в тех случаях, когда требуется получение чистой поверхности прокатанной стали.

К поверхностным дефектам стали, возникаю­щим под влиянием неметаллических включений, от­носится также рваная кромка, представляющая собой разрывы по кромке стальной полосы. Причи­ной появления этого дефекта является наличие в стали включений окислов, препятствующих сва­риванию газовых пузырей при горячей прокатке и способствующих появлению новых расслоений в этих участках. Кроме того, если в стали присут­ствуют сульфиды железа, то возможно образование легкоплавких эвтектик, вызывающих краснолом­кость стали при прокатке. Снижение пластично­сти стали при высоких температурах в результате перегрева, вызванное образованием на границах зерен легкоплавких неметаллических включений и их эвтектик, вызывает такой поверхностный дефект, как чешуйчатость, представляющую собой отслое­ния и разрывы в виде сетки на поверхности листа. Устранить такие дефекты можно путем увеличения содержания в стали марганца, что приведет к образованию сульфидов марганца, более тугоплавких, чем сульфиды железа.

В случае близкого расположения неметалличе­ских включений к поверхности стальной заготов­ки при деформации они выходят на поверхность вследствие неодинаковой пластичности стальной матрицы и включений. В местах нахождения вклю­чений вблизи поверхности скапливается водород или другие газы и в результате внутреннего дав­ления при прокатке на этих участках образуются вспучивания металла — пузыри-вздутия, что зна­чительно ухудшает качество поверхности стали. Скопление чередующихся вздутий, идущих поперек прокатки, образует так называемую гармошку. Под таким дефектом в приповерхностных слоях стали наблюдаются скопления включений и зоны ликвации.

Неметаллические включения, наряду с ликва­цией кремния, углерода и фосфора, служат причи­ной появления структурной неоднородности горя- чедсформнрованной стали — полосчатости, которая возникает вследствие зарождения избыточного фер­рита при охлаждении стали после прокатки на строчках включений, образовавшихся в про­цессе деформации (рис. 7). Сталь с полосчатой структурой обладает анизотропией механических свойств.

Рассмотренные дефекты существенно снижают качество проката. В большинстве случаев причи­ной их образования является неудовлетворительное качество стального слитка, поэтому бороться с ними

нужно путем правильного выбора состава стали, а также соблюдения технологического режима вы­плавки стали и охлаждения стального слитка.

Механические свойства стали зависят от содер­жания в ней неметаллических включений. В лите­ратуре приведены данные по влиянию включений

на циклическую прочность, ударную вязкость, проч­ность при растяжении, показывающие отрицатель­ное влияние включений на механические свойства, однако существуют и противоречивые мнения, что вызвано разнообразием типов неметаллических включений. Например, некоторые авторы считают, что свойства стали не зависят от содержания вклю­чений J63], другие полагают, что главную роль играет тип включений [69], а их количество не влияет на механические свойства. В то же время существует мнение, что тип включений не влияет на механические свойства [78]. Многие исследователи определяющим фактором считают критический размер включений, который установлен для мно­гих материалов. По-видимому, для каждой стали существует критический размер включений, зави­сящий от типа включений и стали. Более крупные включения опасны для стали, независимо от их состава. Микровключения, размер которых меньше критического, не ведут себя как дефекты: они часто используются для улучшения некоторых свойств, например для дисперсионного упрочнения стали. Частицы упрочняющей фазы должны быть коге­рентными с матрицей, их морфология, размер и рас­пределение должны затруднять движение дисло­каций и протекание процессов возврата (881-

Форма включений существенно влияет на проч­ностные и пластические свойства стали (рис. 8). Сталь, содержащая пластинчатые включения, раз­рушается значительно раньше стали с глобуляр­ными включениями. Авторы работы [50] считают, что неблагоприятное влияние пластинчатых вклю­чений зависит от их ориентировки. Например, пове­дение сульфидов наиболее благоприятно, когда кри­сталлографическое направление включения I 001 I совпадает с осью деформации [611. В литературе существуют противоречивые мнения о влиянии включений на предел текучести стали. По мнению авторов работы [80), предел текучести определяет­ся свободным расстоянием между частицами. В то же время авторы работы [75] считают, что предел текучести определяется только объемной долей час­тиц второй фазы и не зависит от распределения

включений. Р. Ф. Хегманн и другие (711 считают, что предел текучести сплава определяется приро­дой включений. Б. И. Эдельсон и В. М. Болдуин (63) полагают, что предел текучести стали зависит и от количества частиц, и от их размера, а также

от расстояния между ними. Недостатком многих работ по определению влияния включений на пре­дел текучести сталей и сплавов является то, что они выполнены в лабораторных модельных спла­вах и не учитывают многих факторов, действую­щих в реальных промышленных сплавах и сущест­венно влияющих на механические свойства. Харак­тер распределения неметаллических включений в горячекатаной и отожженной после холодной

прокатки стали 0810 оказывает существенное вли­яние на ее механические свойства. С увеличением содержания включений от головной к донной части раската (см. табл. I) снижаются относительное

удлинение, предел текучести и предел прочности стали (рис. 9). Это происходит потому, что вклю­чения служат концентраторами напряжений и де­формаций в матрице, что вызывает локальное раз-

рушение при более низкой средней деформации. По данным работы (681, разрушение вблизи вклю­чений начинается при достижении напряжений, равных половине предела текучести матрицы. По­следний уменьшается с увеличением содержании включений. Это связано с тем, что уже на стадии упругой деформации около включений в локаль­ных областях матрицы начинается пластическая деформация, являющаяся результатом концентра­ции напряжений [691]. Кроме того, необходимо учи­тывать имеющуюся до проведения испытаний не­однородность остаточных напряжений в матрице, вызванную неоднородным распределением включе­ний различного типа и размера.

Распределение микротвердости в матрице слу­жит косвенным показателем распределения в ней напряжений. В табл. 3 приведены результаты рас­пределения микротвердости в матрице вблизи раз­личных включений в горячекатаной, холоднока­таной и отожженной стали 08Ю. Во всех случаях мнкротвердость матрицы вблизи включений выше, чем вдали от них, и зависит от природы и формы включения. В горячекатаной стали наиболее вы­сокая микротвердость матрицы в строчечных скоп­лениях включений корунда и шпинели, где из-за большого количества близко расположенных вклю­чений происходит наложение полей напряжений от соседних включений и в результате их взаимного влияния труднее происходит релаксация напряже­ний при горячей деформации и охлаждении