Неметаллические включения и качество стали

Бельченко Г.И., Губенко С.И.

Киев Техника, 1980 г.

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