Влияние газов и включений на свойства стали

Газы и неметаллические включения, как правило, отрицательно влияют на качество металла. С вредным влияни­ем газов связаны такие дефекты, как подкорковые и внутренние пузыри (рис. 13.2), осевая пористость, пятнис­тая (или газовая) ликвация (рис. 13.3), волосовины, флокены (рис. 13.4) и др. С вредным влиянием неметалличес­ких включений связаны такие дефек­ты, как точечная и точечно-пятнистая неоднородность, загрязнения и воло­совины (рис. 13.5, 13.6), шиферный излом, камневидный излом и др. Многие дефекты связаны одновре­менно с присутствием и газов, и неме­таллических включений, причем чис­ло и размеры дефектов возрастают при содержании в стали вредных примесей (серы, фосфора и др.), снижающих температуру плавления сплава. Это связано с развитием ликвационных

Рис. 13.2. Подкорковые и внутренние пузыри в подголовном темплете слитка

явлений при кристаллизации слитка. Как известно, затвердевание сталей и сплавов происходит в некотором ин­тервале температур (интервале затвер­девания). Вначале затвердевают оси дендритов состава, имеющего более высокую температуру затвердевания; на заключительной стадии затвердева­ния в незакристаллизовавшихся участ­ках остается жидкость, обогащенная легкоплавкими примесями, которая затвердевает в последнюю очередь. В этот момент в слитке формируется оп­ределенное дополнительное количе­ство неметаллических включений.

В период окончательного затверде­вания из стали выделяется вследствие снижения растворимости некоторое количество газов. В связи с уменьше­нием растворимости газов при пони­жении температуры, особенно при пе­реходе из жидкого состояния в твер­дое при кристаллизации слитка или отливки, сталь, содержащая большое количество газов, получается пузыри­стой, с низкими механическими свойствами и непригодной к исполь­зованию. Повышенные концентра­ции кислорода в спокойной стали мо­гут вызвать образование пузырей вследствие реакций с углеродом [О] + [С] = СО_Г.

Кроме того, при высоких концент­рациях кислорода в стали образуются значительные количества легкоплав­ких оксидных и оксисульфидных включений, застывающих по грани­цам зерен, в результате чего понижа­ется прочность металла при высоких температурах (красноломкость). Азот понижает пластические свойства ста­ли, повышает хрупкость при низких температурах (хладноломкость), склонность стали к старению. Водо­род является причиной образования ряда дефектов стали (флокенов и т. д.). Эти дефекты связаны с выделением при застывании растворенного в ме­талле атомарного водорода (в основ­ном при температуре превращения y—> ) и его молизацией, в результате чего давление выделившихся молекул Н₂ оказывается настолько высоким, что сплошность металла нарушается и в нем образуются видимые невоору­женным глазом трещины.

Выделение молекулярного водорода

Рис. 13.6. Неметаллические включения в зоне волосовины (микрошлиф стали 12Х18Н9Т) х 100.

(и последующее разрушение сплошно­сти металла) происходит в местах скопления неметаллических включе­ний, микропор, ликватов и т. д. На практике используют способность во­дорода интенсивно диффундиро­вать, особенно при повышенных тем­пературах. Флокеночувствительные стали подвергают замедленному ох­лаждению (обычно после прокатки на обжимных станах и порезки на мер­ные длины); стальные заготовки часа­ми (иногда сутками) находятся в спе­циальных пролетах в емкостях (ямах), где штабеля металла, засыпанные сло­ем изолирующего щебня, медленно охлаждаются, а растворенный водород диффундирует к поверхности заготов­ки и удаляется. Однако снизить до безопасного уровня содержание водо­рода таким способом удается далеко не всегда (особенно при отливке круп­ных слитков), поэтому для качествен­ной стали такие операции, как обра­ботка вакуумом или продувка инерт­ным газом, являются обязательными. Обработка металла вакуумом во мно­гих случаях позволяет вообще отка­заться от дорогостоящей противо-флокенной обработки замедленным охлаждением. Повышенное содержа­ние газов в стали вызывает не только понижение ее механических свойств, но и непостоянство механических свойств образцов металла, взятых из разных участков слитка; «пятнистую» ликвацию, трещины, расположенные внутри заготовки и обнаруживаемые при ступенчатой обточке (так называ­емые волосовины), дефектные виды излома и т. д.

Некоторое количество растворен­ных в металле газов при кристаллиза­ции выделяется в виде пузырей, часть которых остается в слитке. На меж­фазной границе металл—газовый пу­зырь могут концентрироваться неме­таллические включения. Этому спо­собствует лучшая смачиваемость включением газовой фазы, чем метал­ла. В результате вокруг газового пузы­ря обнаруживается повышенная кон­центрация включений, что особенно заметно ухудшает качество металла. Неметаллические включения ухудша­ют механические и другие свойства стали (магнитную проницаемость, электрическую проводимость и т. п.), так как нарушают сплошность метал­ла и образуют полости, которые явля­ются концентраторами напряжения. Хотя отрицательное влияние большо­го содержания включений известно, очень многое зависит от размеров включений, состава и расположения их в готовом изделии. При этом не­большое содержание включений в ста­ли еще не является гарантией высоко­го качества. При общем малом коли­честве включений в отдельных местах слитка или отливки возможны их скопления. Особенно опасными для качества стали являются включения, расположенные по границам зерен в виде тонких пленок. Большую опас­ность представляют также включения, имеющие острые грани; обычно это тугоплавкие включения, температура плавления которых выше температуры жидкого металла. Эти включения час­то являются местом концентрации на­пряжений в металле и источником на­чала процесса разрушения изделия. В случае, когда такое включение оказы­вается на поверхности изделия (на­пример, шарика в подшипнике, же­лезнодорожного рельса и т. д.), воз­можно выкрошивание включения с последующим преждевременным вы­ходом изделия из строя.

Включения округлой формы, счи­тающиеся менее вредными, образу­ются в том случае, если температура плавления их невелика и они плохо смачиваются металлом. Менее вред­ны также включения в виде располо­женных равномерно по сечению ме­талла субмикроскопических частиц. В некоторых случаях даже принимают специальные меры к тому, чтобы та­кие очень мелкие включения (напри­мер, включения нитридов и карбо-нитридов в термоупрочняемых ста­лях) образовались. Подобные вклю­чения образуются при введении в металл элементов с высоким хими­ческим сродством к таким примесям, как кислород, сера, азот, углерод, в случае получения при этом тугоплав­ких соединений (при введении в от­дельных случаях алюминия, РЗМ, вольфрама, титана и др.).

Большое значение имеет измене­ние состава и количества включений при кристаллизации и охлаждении слитка. Во время прокатки или ковки форма включений, их размеры и рас­пределение также могут существенно изменяться. Одни включения при кристаллизации могут выделиться по границам зерен, другие — внутри зе­рен; некоторые при обработке давле­нием дробятся и образуют цепочку вдоль оси прокатки, другие вытягива­ются, третьи не изменяют своих раз­меров и т. д.

В результате оказывается, что ви­димая (под микроскопом) чистота ста­ли по включениям зависит не только от их содержания, но и от степени обжатия при прокатке и т. п. Механичес­кие свойства металла при испытании образцов, вырезанных вдоль (продоль­ные образцы) и поперек (поперечные образцы) оси прокатки, различаются и зависят от включений. Содержание неметаллических включений особен­но заметно влияет на показатели ис­пытаний поперечных образцов. Допу­стимые пределы содержания газов и неметаллических включений в каждой группе марок сталей определяются со­ответствующими стандартами. Стан­дарт определяет также методику отбо­ра проб и методику проведения анали­за и контроля.