Исследование неметаллических включений

В технических металлах всегда присутствует некото­рое количество частиц оксидов, сульфидов, фосфидов, нитридов и иногда карбидов специальных элементов.

Количество включений в затвердевшем металле обычно неве­лико и составляет доли процента к массе металла. Однако, несмотря на столь малое количество, они оказывают отрицательное влияние на свойства металла. Степень влияния включений на свойства металла зависит от целого ряда их качественных и количественных характеристик, изучение которых является одной из важнейших областей металлургии.

Все неметаллические включения, возникающие в результате тех или иных реакций в процессе произ­водства металла, обычно называют природными или эндогенными. Кроме природных вклю­чений в металле присутст­вуют также частицы шлака, огнеупоров, материала ли­тейной формы, т. е. те веще­ства, с которыми металл непосредственно соприка­сается и взаимодействует в ходе производства. По­добного рода неметалличе­ские включения называют посторонними, или экзогенными.

В сталях присутствуют неметаллические включения различ­ного состава и характера; наряду с простыми соединениями встре­чаются включения сложного состава и комплексного строения.

По химическому составу включения в сталях принято класси­фицировать на: простые и сложные (шпинели) оксиды, силикаты, сульфиды, фосфиды и нитриды.

Простые оксиды и силикаты являются чаще всего продуктами раскисления. В нераскисленных сталях оксиды представлены включениями закиси железа (рис.7.15). При добавке в металл ферросплавов, содержащих кремний, образуются силикатные включения разнообразного состава (рис.7.16).Состав и размеры силикатных включений зависят от содержания кислорода, раство­ренного в металле, количества и состава раскислителя, а также от скорости затвердевания стали. При раскислении стали алюми­нием имеет место образование мельчайших твердых частичек глинозема (рис. 7.17). Оксидные посторонние включения, попада­ющие в сталь в результате эрозии металлом огнеупорных мате­риалов, могут быть частицами кварца, кварцевого стекла, корунда со стеклом, муллита и др. Подобного рода включения отличаются от

Рисунок 7.15 – Включения закиси железа в чистом железе, насыщенном кислородом (×600)

Рисунок 7.16 – Включения силикатного стекла в малоуглеродистой стали, раскисленной ферросилицием (×600): а – при обычном освещении; б – в поляризованном свете

Рисунок 7.19 – Включения нитрида титана в малоуглеродистой стали (в литом металле) (×400)

продуктов раскисления неправильной формой, значительными размерами и случайным беспорядочным расположением в твердом металле. Включения шлака встречаются в стали довольно редко, они представляют собой сложные оксиды и силикаты: оливин, кнебеллит и др.

Простые оксиды и силикаты являются чаще всего продуктами раскисления. В нераскисленных сталях оксиды представлены включениями закиси железа (рис.7.15). При добавке в металл ферросплавов, содержащих кремний, образуются силикатные включения разнообразного состава (рис.7.16).Состав и размеры силикатных включений зависят от содержания кислорода, раство­ренного в металле, количества и состава раскислителя, а также от скорости затвердевания стали. При раскислении стали алюми­нием имеет место образование мельчайших твердых частичек глинозема (рис.7.17). Оксидные посторонние включения, попада­ющие в сталь в результате эрозии металлом огнеупорных мате­риалов, могут быть частицами кварца, кварцевого стекла, корунда со стеклом, муллита и др. Подобного рода включения отличаются от продуктов раскисления неправильной формой, значительными размерами и случайным беспорядочным расположением в твердом металле. Включения шлака встречаются в стали довольно редко, они представляют собой сложные оксиды и силикаты: оливин, кнебеллит и др.

Состав и кристаллическаяструктура сульфидных включений определяются содержанием в железе серы и металлических при­месей, способных ее связать.

В углеродистых сталях встречаются твердые растворы суль­фидов железа и марганца переменной концентрации, обычно с преобладанием MnS (рис.7.18).

Нередко в кипящих ста­лях присутствуют окси­сульфидные включения же­леза и марганца различного состава и строения. В легированных сталях, наряду с сульфидами мар­ганца и железа, присутст­вуют сульфиды легирую­щего элемента, которые образуют между собой твер­дые растворы сложного состава или выделяются в виде избыточных фаз. Содержание сульфида леги­рующего элемента во включениях зависит от сродства элемента к сере и концентрации марганца, серы и легирующей примеси.

Фосфидные включения, как правило, в сталях не встречаются.

Кислородные включения фосфора (твердые растворы FeO - Р₂0₅) и фосфид железа (Fe ₂Р) могут присутствовать в малоуглеро­дистых сталях с повышенным содержанием фосфора (более 0,1%).

Нитридные включения (рис.7.19) можно встретить в сталях, содержащих титан, цирконий и ванадий, т. е. те элементы, кото­рые с азотом образуют стойкие нитриды.

При изучении неметаллических включений ставится задача определения химического и минералогического составов включе­ний и установление на этой основе природы и источников вклю­чений.

Кроме того, преследуется цель определения количества и закономерностей распределения включений в слитке, отливке, полуфабрикате или в готовом изделии. Для изучения неметал­лических включений применяют две группы методов:

1. Металлографические методы, в которых объектом исследо­вания является тщательно подготовленная поверхность образца. На поверхности образца выявляются включения и путем примене­ния различных способов анализа устанавливается их количе­ственное содержание и качественная характеристика.

2. Методы выделения и последующего изучения изолированных от металла включений.

При металлографическом исследовании включения выявляют на поверхности образца металла. Объектом исследования может быть шлифованная, полированная или просто механически обра­ботанная поверхность образца металла, а также поверхности из­ лома или среза. Качественными признаками распознавания вклю­чений, обнаруживаемых невооруженным глазом или под микро­скопом, являются цвет, форма, размеры, изменение формы вслед­ствие пластической деформации, способность отражения света и отношение к различным химическим реактивам.

При изучении неметаллических включений рекомендуется начи­нать исследование с простого осмотра образцов металла, а затем переходить к просмотру под металлографическим микроскопом вначале при небольших и далее при более сильных увеличениях.

При микроскопических исследованиях из слит­ков или изделий в требуемых местах вырезают образцы с линейными размерами 10 - ­40 мм, одну из поверхностей которых полируют и рассмат­ривают под металлографиче­ским микроскопом. Тип и со­став включений определяют по их виду, цвету, форме, при различном освещении. Для четкой идентификации вклю­чений требуется определен­ный опыт. Загрязненность стали включениями оценивается по стандартным шкалам, обычно пятибалльным. Этот метод носит главным образом качественный характер.

В последние годы для исследования неметаллических включений используются микрозонды, основанные на отра­жении от образцов рентгеновского излучения. Наиболее из­вестны приборы типа «Камека». Они позволяют изучать химический состав включений на площади диаметром 2-5 мкм.

Для контроля качества стали по степени загрязненности вклю­чениями нет необходимости подсчитывать все включения и опреде­лять их общее содержание: обычно на небольшом числе образцов устанавливают наличие включений максимальной величины, так как именно они оказывают наиболее вредное влияние на свойства металла.

Методы определения общего содержания предусматривают подсчет всех включений, при этом исследуется обычно значитель­ное число образцов.

В зависимости от принципа определения количества включений применяемые методы подразделяются на две основные группы:

1) методы сравнения с эталонными шкалами;

2) методы измерения суммарной площади включений с после­дующим определением объемного или весового процента содер­жания включений в металле.

Метод сравнения с эталонными шкалами и метод определения суммарной площади включений отличается своей трудоемкостью и их результаты в какой-то мере зависят от субъективного подхода исследователя.

В этом отношении совершенным является новый метод автоматического подсчета включений, осно­ванный на различной отражательной способности включений и металлической матрицы. Сульфидные включения имеют бо­лее низкую отражательную способность, чем металл; в свою оче­редь отражательная способность оксидных включений ниже, чем у сульфидных.

Метод воплощен в электронную установку, которая позволяет быстро и дифференцированно подсчитать раздельно включения сульфидов и оксидов на обычных металлографических шлифах.Установка отличается компактностью и сравнительной простотой и дает возможность за одну операцию произвести подсчет включений на площади шлифа до 17 мм. Кроме того, на установке можно определить долю сульфидных и оксидных включений и распределение их по размерам (при минимальном размере частиц 2 мкм).

Металлографический метод изучения включений, несмотря на многие его преимущества, в ряде случаев не позволяет установить точный химический и минералогический состав включений и дает возможность довольно приближенно определить количественное содержание включений. Более удобным объектом исследования с этой точки зрения являются неметаллические включения, извле­ченные тем или иным способом из металла.

Выделять включения можно хими­ческим или электролитическим растворением металла.

При использовании этих методов необходимо стре­миться к тому, чтобы включения по возможности остались нераз­рушенными, были выделены в том виде, в каком они находятся в металле, и были свободны от посторонних загрязнений, не со­держали продуктов вторичных реакций, протекающих при раство­рении металла.

Электролитический метод заключается в анодном растворении образца металла в электролите, улавлива­нии остатка неметаллических включений c последующим всесторон­ним их изучением.

Из электролитов наиболее широко применяют 3%-ный водный раствор сернокислого закисного железа (FeSO₄^.7H₂0) с добав­ками 1%-ного хлористого натрия (NaC1) и 0,1-0,3% сегнетовой соли (KNaC₄H₄0₆). Сегнетову соль можно заменить лимонной кислотой. Сегнетова соль и лимонная кислота, образуя прочный комплекс c солями железа, устраняет возможность выпадения основных солей железа, которые могут загрязнить осадок неме­таллических включений. Кроме того, их добавки позволяют под­держивать почти постоянную кислотность раствора. Наличие в электролите хлористого натрия препятствует пассивированию поверхности образца и тем самым обеспечивает равномерное рас­творение его.

Растворение стали в этом электролите обеспечивает сохранение в неразрушенном виде включений сульфидов, закиси железа и других неустойчивых в химическом отношении и устойчивых включений.

Полученный осадок подвергают качественному и количественному химическому анализу. Для проведения таких исследований необходимо специальное лабораторное оборудование.

Дата добавления: 2014-11-18