Практика металлографического исследования материалов

Анисович А.Г., Румянцева И.Н.

Минск: Беларус. навука, 2013 г.

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ И ФАЗЫ СТАЛЕЙ В СПЛАВЕ

Проблема идентификации неметаллических включений напрямую связана с качеством металлопродукции. Этой проблеме посвящено довольно большое количество исследований, например [2, 28]. В основном в них рассматриваются методы количественной оценки (например, согласно ГОСТ Р ИСО 4967-2009), а также проблематика идентификации состава. Многие стандарты на металлопродукцию содержат требования к неметаллическим фазам.

Нами здесь не рассматриваются вопросы идентификации включений, а также методы их количественной оценки. С развитием точных методов анализа (растровая микроскопия, рентгеновские анализаторы и т. д.) вопрос состава включений решается успешно. В данной главе рассматриваются способы их обнаружения. К неметаллическим фазам относятся остеклованные включения, карбиды, оксиды, нитриды, силикаты и т. д. Остеклованные включения формируются в процессе выплавки металла при соединении легирующих элементов и примесей с газами, неизбежно присутствующими в процессе плавки. Вообще стекла как таковые появляются в процессе сплавления смеси оксидов заданного состава. Зачастую присутствие в металле остеклованных фаз вызывает недоумение у людей, не знакомых с данной проблематикой. Поэтому остановимся коротко на вопросе о происхождении остеклованных включений в продукции металлургического производства. Подробнее данная тема рассмотрена в специальной литературе [38].

Стеклами называют переохлажденные расплавы смесей оксидов и бескислородных соединений с высокой вязкостью, которые после охлаждения обладают механическими свойствами твердого тела. В структуре стекла существуют аморфная и кристаллическая фазы, находящиеся в состоянии неустойчивого равновесия. Вследствие высокой вязкости стеклянного расплава скорость кристаллизации его очень низка и равновесие сдвинуто в сторону аморфной фазы. Поэтому стеклам присущи свойства, характерные для аморфных тел. Поскольку в качестве основной примеси в металлах и сплавах выступает кремний, в металлургическом процессе формируются в первую очередь силикатные стекла.

Все стекла характеризуются рядом общих свойств: прозрачностью, низкой теплопроводностью, высокими диэлектрическими свойствами, высокой химической стойкостью к кислотным реагентам.

Сырьем для производства стекол служат разнообразные природные и синтетические материалы, которые по их роли в образовании стекла делятся на пять групп:

1. стеклообразователи, создающие основу стекла: оксиды кремния и свинца, карбонаты калия, натрия и кальция, сульфаты натрия и бария, борная кислота, бура (натрий тетраборнокислый), оксид алюминия;
2. красители, придающие стеклу необходимый цвет: оксиды и соли меди, железа, кобальта, хрома, хлорид золота, сульфат меди и др.;
3. глушители, делающие стекло матовым и молочным: оксиды мышьяка, олова, сульфид олова и др.
4. обесцвечиватели, устраняющие желтую и зеленоватую окраску стекла (например, оксид марганца);
5. осветлители, устраняющие из стекломассы газовые включения: нитрат натрия, хлорид аммония, оксид мышьяка и др.

Формирование стекла связано со сложными физико-химическими процессами. Процессы стеклообразования происходят при температуре порядка 1200 °С. Силикаты образуются при температуре 300-900 °С. С учетом температур металлургического процесса формирование остеклованной фазы возможно при наличии стеклообразующих соединений в составе металлургического сырья. Примеси, которые могут являться базой для формирования остеклованных включений, появляются в металле за счет расплавления нерудных минералов, всегда содержащихся в металлических рудах, и флюсов, добавляемых для придания шлакам легкоплавкости [39]. Кроме того, шлаки служат для очистки жидкого металла от нежелательных примесей (серы, фосфора, марганца). Эти шлаки представляют собой силикатные сплавы разнообразного состава. Если же технологии очистки металлургического сырья и выплавки металла не соблюдаются, то в составе металла присутствуют стеклообразующие примеси в значительных количествах. Поэтому в процессе выплавки металла возможно формирование остеклованных включений самого различного состава и цвета.

Представление о соединениях, присутствующих в металлургическом процессе, могут дать, например, доменные шлаки, имеющие следующий химический состав [39]: Si0₂, ТiO₂, А1₂O₃, Fe₂O₃, FeO, MnO, MgO, CaO, S. Потенциальным силикатным сырьем следует считать шлаки, получаемые в производстве меди, никеля, свинца [39]. Все перечисленные соединения могут формироваться в металле в процессе его выплавки и образовывать остеклованные фазы [25]. Формирование остеклованных включений можно связывать с несоответствием сплава по составу. В табл. 4.1 приведен состав сплава, заявленного как АК7. По всем элементам, обнаруженным в сплаве, наблюдается существенное расхождение с ГОСТом по магнию, олову, титану, железу, меди, цинку, свинцу. Формирование остеклованных включений в таком сплаве вполне вероятно. Поскольку в процессе микроанализа в этом сплаве были обнаружены дефекты, подобные флокенам (рис. 4.1, а), то есть основание считать, что сплав в процессе выплавки был насыщен газами, что может привести к формированию оксидов и других сложных неметаллических соединений. НегМеталлическое включение в этом сплаве представлено на рис. 4.1, б.

Таблица 4.1. Состав алюминиевого сплава, мас.%

Другой пример представлен в табл. 4.2 и на рис. 4.2. Требовалось определить марку стали. Наиболее близкой по составу к исследуемой стали является марка 4Х5МФС. Однако на основании табл. 4 сталь классифицировать как данную марку невозможно. Наблюдается превышение содержания легирующих элементов, а также наличие никеля и меди, которые в соответствии с [40] не входят в состав стали 4Х5МФС. Образцы стали загрязнены неметаллическими включениями (рис. 4.2). Они имеют вид типичных остеклованных включений.

Таблица 4.2. Состав стали, мас.%

Характерным признаком остеклованных включений, в том числе шлаковых стекол [39], является наличие в них газовых включений, которые видны в остеклованных участках, преимущественно в темном поле. На рис. 4.3 показано остеклованное включение, расположенное в плоскости нетравленого шлифа. Мелкие включения по полю — карбиды. В светлом поле видна поверхность включения, проявляются неплоскостные участки, поры, газовые включения; царапина на поверхности шлифа видна и в темном, и в светлом поле.

На рис. 4.4 изображено практически плоское остеклованное включение, детали которого выявляются сравнением светлого и темного поля. Включение прозрачное. На рис. 4.5 представлена совокупность крупного и мелких включений, дающих свечение в темном поле. Мелкие включения могут быть карбидами. Крупное включение по признаку его прозрачности можно отнести к остеклованным. Стрелкой отмечено пятно воды, оставшееся после сушки шлифа. В темном поле оно не проявляется.

На рис. 4.6 представлено объемное включение, выступающее над плоскостью шлифа. Фрагмент 1 находится в плоскости шлифа, 2 — над плоскостью. В темном поле видно только остеклованное включение. Дефектов поверхности, которые видны в светлом поле, не наблюдается.

Следует отметить, что на всех приведенных выше рисунках остеклованные включения не имеют ярко выраженного цвета; их видимая цветовая гамма определяется цветом лампы осветителя, а также настройкой видеокамеры или фотоаппарата. На рис. 4.7 (см. цв. вклейку) приведено сложное включение с фрагментом красного цвета. В темном поле оно имеет естественный цвет. Фотографии а и б сделаны при одинаковой наводке на резкость (фокусировке).

Как правило, после травления резкость наводится так, чтобы наблюдать структуру металла. Поэтому выступающие над поверхностью включения находятся не в резкости и проявляются в виде мутных пятен (рис. 4.8). В пользу того, что это именно остеклованное включение, свидетельствует то, что при светлопольном освещении через него может быть видна структура сплава (рис 4.8, а). Структура включения проявляется при наводке резкости на его поверхность (рис. 4.8, б) в темном поле.

При рассмотрении самого включения (рис. 4.9) и наводке резкости на поверхность включения структура сплава может быть не видна (рис. 4.9, а). Характерным для остеклованных включений является эффект гало вокруг включения, видимый в темном поле (рис. 4.9, б) в результате рассеивания света на внешних поверхностях включения.

На рис. 4.10 приведен пример остеклованного включения в кислородной меди. Выделения по полю шлифа - включения эвтектики Си - Си₂0. В светлом поле включение не проявляет своего цвета и имеет цвет меди. Само включение не лежит в плоскости шлифа. Участок 1 совпадает с плоскостью шлифа, участок 2 расположен над плоскостью. Часть включения в светлом поле прозрачна, через него видны включения кислородной эвтектики (рис. 4.10, а). В темном поле частично видна структура поверхности включения (рис. 4.10, б).

Травление затрудняет выявление остеклованных включений; в светлом поле они могут быть приняты за грязь (стрелка 1, рис. 4.11, а). Темное поле выявляет такие включения достаточно хорошо (стрелка 1, рис. 4.11, б). Феррит при этом виде освещения выглядит черным, перлит - серым, остеклованное включение - белым. На рис. 4.11, б выявляется включение 2, не замеченное при просмотре в светлом поле. При большем увеличении (рис. 4.11, в) включение 1 в светлом поле выглядит как мутное пятно. В темном поле оно дает яркий блеск (рис. 4.11, г). При этом увеличении проявляется остеклованное включение 3. В светлом поле его можно принять за феррит, в темном - за перлит. Оно находится «в резкости» со структурой за счет малой толщины и высокой прозрачности.

Пример включений, расположенных в различных плоскостях относительно плоскости шлифа, приведен на рис. 4.12: 1 — в плоскости шлифа, 2 - выше. Оба выявляются в темном поле. Через включение 2 видна межзеренная граница.

Остеклованные включения на кромке образца могут быть и не видны в светлом поле (рис. 4.13, а). В темном поле кромка образца светится за счет «завала». Но это хороший шлиф, а завал минимальный. Можно наблюдать остеклованное включение на самом краю образца (стрелка), которое не проявлялось в светлом поле. В принципе такое остеклованное включение не представляет ничего особенного с точки зрения снижения свойств, когда оно является одиночным. Когда такие включения встречаются в каждом поле зрения (рис 4.14, а), хотя и при увеличении 2000, это может быть причиной снижения качества металла, тем более что на том же участке шлифа при увеличении 400 (рис. 4.14, б) определить наличие остеклованных включений затруднительно.

На рис. 4.15 (см. цв. вклейку) показана возможность анализа неметаллических включений в стали ШХ15. Преимущество анализа парных фотографий в том, что темнопольное освещение (рис. 4.15, а) позволяет установить наличие небольших включений (стрелки 1-3) которые декорируются травлением и не видны при светлопольном освещении (рис. 4.15, б). Крупное остеклованное включение прозрачно независимо от способа освещения и окрашено в светлом поле. Включение на рис. 4.15, в, г слоистое, что выявляется при освещении его по методу светлого поля.

На рис. 4.16 представлены остеклованные включения в чугуне ЧН15Д7. Включение на рис. 4.16, а легко идентифицируется по характерному виду. Включение на рис. 4.16, в в светлом поле можно принять за графит. В темном поле (рис. 4.16, г) включение светится, что для графита не характерно.

На рис. 4.17 показано сульфидное включение внутри шлакового. В темнопольном освещении оно не выявляется (рис. 4.17, б). В поляризованном свете (рис. 4.17, в) сульфид выглядит так же, как и при светлопольном освещении (рис. 4.17, а). В темном поле светятся остеклованные включения, отмеченные стрелками на светлопольном изображении. Таким образом, при исследовании сульфидных включений достаточно использовать светлопольное освещение.