Проблема неметаллических включений всегда была и остаётся одной из актуальных, стоящих перед металлургическими предприятиями, занимающихся производством и обработкой сталей. Неметаллические включения могут свести на нет все усилия, затраченные на разработку нового сплава. Поэтому на каждом производстве выполняется технический контроль загрязнённости металла неметаллическими включениями.
Неметаллические включения являются неотъемлемым элементом структуры любого сплава. Они участвуют во всех процессах, которым подвергается сталь в процессе производства. К примеру, они могут образовываться при плавке металла или при температурной обработке, при введении легирующих компонентов. Развитие технологий обработки сплавов под давлением, повышение скорости горячего или холодного проката, разработка и внедрение новых методов механической обработки, в том числе лазерной резки, вызывает необходимость изучать поведение неметаллических включений и их влияние на структуру кристаллической решётки.
Неметаллические включения принято разделять на 2 группы:
- эндогенные, которые получаются в процессе металлургических реакций;
- экзогенные, которые попадают в сталь механическим путём.
К первой группе относятся нитриды, оксиды и сульфиды.
Стоит отметить, что ряд неметаллический включений, к примеру, оксиды, оказывают положительное влияние на сталь и улучшают её характеристики. Так, за счёт карбидов достигают необходимой твёрдости. Но всё же большинство из них оказывает отрицательное или разрушительное воздействие.
- Оксиды. Содержание оксидов в стали обычно находится в пределах 0,007-0,045%. Сама сталь редко образует свободные оксиды. Зачастую они представляют собой сложные химические соединения, основой которых является глинозём или кремнезём. Оксиды подразделяются на простые и сложные. К сложным относятся включения типа шпинелей;
- Силикаты присутствуют в стали в виде стёкол, образованных чистой окисью кремния с примесью оксидов железа, алюминия и вольфрама;
- Сульфиды встречаются в сталях, не содержащих кремния, алюминия и марганца;
- Фосфиды – это соединения фосфора с металлами и неметаллами. Фосфиды получаются при прямом взаимодействии химических элементов при температуре 1000-1100 ° С;
- Нитриды встречаются в легированных сталях, имеющие в своём составе алюминий, ванадий, титан и церий;
- Гибриды – это химическое соединение титана или ванадия с водородом: TiH или VH
- Карбиды – неметаллические соединения, получаемые при вводе в сталь углерода. В некоторых сплавах карбиды получают искусственно, специально, т.к. они повышают пластичность, твёрдость и износостойкость стали;
- Селениды образуются в процессе горячей прокатки;
- Теплуриды – неорганические соединения плотностью до 6,8 г/см³ и температурой плавления 915°С;
- Бориды – неметаллические включения, отличающиеся жаростойкостью, химической устойчивостью и высокой твёрдостью. Стали с боридами часто используют при производстве сопел реактивных двигателей, лопаток газовых турбин, турбинных колёс.
Названия всех неметаллических включений заимствованы из минералогии. Большинство из них имеет точно такой же химический состав, как и природные материалы: шпинель, родонит, ильменит, кварц.
Влияние включений на свойства сталей
Неметаллические включения оказывают влияние прежде всего на механические свойства стали. Они напрямую зависят от объёмного содержания, размеров и формы включений.
Включения влияют на:
- ударную вязкость;
- прочность при растяжении;
- усилие разрыва.
Для каждого типа стали существует свой критический размер включений. Крупные включения опасны для всех марок и сплавов независимо от химического состава. Неметаллические включения малых размеров, или микровключения, не являются критическими и в металлургии дефектами не считаются. Наоборот, их используют для повышения отдельных свойств, к примеру, упрочнения стали дисперсными частицами.
Предел прочности стали и её относительное удлинение с увеличением неметаллических включений уменьшается. Они являются концентраторами напряжений и деформаций в кристаллической решётке и матрице, что часто является причиной местного разрушения структуры стали.
Неметаллические включения также способствуют охрупчиванию стали. Снижение механических показателей и неоднородность свойств стали зависит не только от количества включений, но и от их формы. В процессе обработки стали высоким давлением силикатные и сульфидные включения располагаются вдоль оси деформации и образуют строчечные скопления. Это способствует анизотропии стали – зависимости её твёрдости, относительного удлинения, износостойкости от направления волокон внутри материала.
Выводы
Механические свойства сталей зависят от природы, размера и формы неметаллических включений. Для уменьшения негативного воздействия необходимо предпринимать меры к их равномерному распределению в литых и деформированных сплавах. Образование локальных, «облачных» участков с высокой концентрацией неметаллических включений при холодной или горячей деформации стали влечёт появление строчечных скоплений. Они способствуют образованию дефектов деформированной стали и увеличению её анизотропных свойств.
Для снижения негативного влияния неметаллических включений используют различные методы: введение присадочных материалов, специальных добавок, химических компонентов.
Рекомендуем почитать
