Внепечная десульфурация чугуна и стали

Министерство образования Российской Федерации

Южно-Уральский государственный университет

Филиал в г.Златоусте

Кафедра общей металлургии

Практическая работа

по курсу «Внепечная обработка стали»

Внепечная десульфурация чугуна и стали

Руководитель: Рябов А.В.

Авторы работы:

Бачериков Е.Л., Худанова М.Б.

Златоуст

год

АННОТАЦИЯ

В данной курсовой работе исследовалось влияние неметаллических включений на надежность и долговечность машин и механизмов, работающих в различных рабочих средах. Были рассмотрены вопросы:

Неметаллические включения как вредная примесь стали. Уменьшение содержания включений - одна из основных металлургических проблем. "Источники загрязнения стали неметаллическими включениями. Эндогенные и экзогенные включения.

Классификация включений по химическому составу, формы выделения неметаллических включений, склонность включений к деформированию - включения пластичные и хрупкие; температура образования включений, место выделения неметаллических включений; распределение неметаллических включений по объёму слитка открытой выплавки.

Влияние на загрязнённость стали рафинирующих переплавов.

Металлографические признаки неметаллических включений.

Методы качественного и количественного анализа неметаллических включений.

ВВЕДЕНИЕ

Стремительное развитие современной техники сопровождается повышением требований к качеству применяемых металлических материалов. Одним из важных показателей качества металлов, определяющих их свойства и эксплуатационную стойкость, является степень загрязненности неметаллическими включениями.

В последние годы интенсивно ведутся работы по синтезу композиционных материалов, т. е. таких материалов, где основными компонентами являются основа-матрица и упрочняющий элемент-включение. Описание таких материалов, а также различных карбидов, их свойств и поведения при усталости не входит в задачу настоящей работы, и поэтому эти вопросы здесь не рассматриваются.[1]

Стали и сплавы, состоящие обычно из многих компонентов, наряду с полезными примесями, определяющими их применение для различных назначений, содержат некоторое количество нежелательных примесей, попадающих в сталь или сплав из шихтовых материалов и огнеупоров или образующихся в процессе выплавки. Общность способов производства стали и сплавов различного состава позволяет установить общие закономерности в процессах образования нежелательных примесей.[2]

Неметаллические включения в стали играют инициирующую роль в образовании трещин при сварке, термической обработке, динамическом нагружении деталей и, особенно, при усталостном разрушении металла. Поэтому вопросы влияния неметаллических включений в стали на долговечность работы изготовленных из нее изделий весьма актуальны. Проблема неметаллических включений в стали в последнее время привлекает внимание не только металлургов и металловедов, но и машиностроителей - основных потребителей стали.[1]

Одно из первых мест среди нежелательных примесей принадлежит кислороду и кислородным включениям, присутствующим в больших или меньших количествах во всех без исключения сталях и сплавах.

Другой обычной примесью в сталях и сплавах является сера. Сера и сернистые соединения для стали большинства марок также являются нежелательными примесями. Присутствие сернистых включений желательно только в отдельных случаях (для улучшения обрабатываемости автоматных сталей).

Нежелательной примесью является также азот, присутствующий в стали и сплавах в твердом растворе или в нитридных включениях. Лишь в отдельных случаях азот применяется для легирования стали.

Перечисленные примеси образуют в стали и сплавах твердые растворы и включения. Кроме указанных выше примесей, обычно нежелательными являются также фосфор, водород, медь и мышьяк, образующие даже при значительных концентрациях не включения, а твердые растворы. К нежелательным примесям могут быть отнесены также примеси свинца, сурьмы и др.

Уменьшение содержания этих примесей, в том числе присутствующих в виде включений, - одна из основных металлургических проблем, так как металлы и сплавы высокой степени чистоты обладают значительно более высокими свойствами.

Видимые невооруженным глазом крупные включения (волосовины в прокате, песочины в литье и в поковках) способствуют образованию очагов разрушения или коррозии. Включения небольших размеров (менее 1 мм) могут приводить к образованию очагов усталостного разрушения, если они расположены на рабочей поверхности таких деталей, как шарики, ролики и кольца подшипников. Дисперсные включения (менее 0,1 мк) также оказывают определенное влияние на свойства стали или сплава (пластические свойства, склонность к росту зерна и др.). Поэтому внимание металлургов обращено:

а) на изучение вида и количества включений;

б) на изучение влияния включений на свойства стали;

в) на разработку методов производства, уменьшающих содержание включений.

Большие затруднения вызывает исследование включений прежде всего вследствие их малого содержания в стали и сплавах. Однако развитие методов металлографического исследования включений на шлифах и широкое распространение различных других методов исследования включений (петрографического, химического, рентгеновского) позволяют объективно различать качественные и количественные характеристики загрязненности плавок металла, полученного различными технологическими процессами.

Проблема изыскания путей снижения загрязненности стали и сплавов включениями оказывается очень сложной не только ввиду того, что на загрязненность металла влияют очень многие элементы технологического процесса производства стали и сплавов, но также из-за трудоемкости оценки включений.

Источниками кислородных включений в металле являются шихтовые материалы, окислители (кислород или руда), шлакообразующие, ферросплавы и металлические легирующие, раскислители, воздух (при контакте с металлом во время плавки, слива из печи и разливки), огнеупорные материалы футеровок печи (желоба, ковша, стопора, стаканов, воронок, центровых, сифонных проводок и другие) в результате их размывания или вследствие химического взаимодействия с ними металла и шлака.

Загрязнение металла сульфидными включениями может происходить из-за повышенной загрязненности серой шихтовых материалов, шлакообразующих материалов (известь, плавиковый шпат), легирующих, ферросплавов и топлива мартеновских печей.

Систематическая работа металлургов в направлении улучшения технологии плавки, улучшения качества огнеупоров и повышения общей культуры металлургического производства позволила значительно улучшить качество стали и сплавов за последние годы.

Однако развивающееся машиностроение требует дальнейшего повышения качества металла, его чистоты, пластичности, прочности, технологических и других свойств. Для удовлетворения этих требований возникли новые технологические процессы (выплавка с применением кислорода, выплавка и разливка в вакууме, применение сильных раскислителей, обработка шлаком и др.), позволяющие резко улучшить чистоту стали в отношении кислородных, нитридных и сульфидных включений.

Систематические наблюдения за поведением включений по ходу металлургического процесса, сопоставление включений со свойствами стали самого разнообразного состава и использование литературных данных привели к созданию гипотезы, позволяющей объяснить ранее остававшиеся неясными причины получения отдельных плавок стали и сплавов с различными свойствами.[2]

Стали, наряду с полезными примесями (легирующие элементы и т. д.), определяющими их применение для различных целей, содержат некоторое количество вредных примесей, в частности, неметаллических включений.

Существует несколько классификаций неметаллических включений.

1. КЛАССИФИКАЦИИ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ

Существует несколько классификаций неметаллических включений:

1) по происхождению включения делятся на две большие группы - эндогенные, то есть включения возникшие в процессе раскисления стали при вьплавке, также выделившиеся из расплава при кристаллизации, и экзогенные, то есть включения образующиеся в результате контакта жидкого металла с футеровкой, которые являются включениями внешнего происхождения;

2) по геометрической форме включения могут быть глобулярные (шарообразные), неправильные (чаще всего остроугольные), строчечные (нитеобразные), плёночные (обычно располагающиеся по границам зёрен) и точечные;

) по степени пластичности включения разделяют на пластичные, которые при деформации хорошо изменяют свою форму и вытягиваются в строчки (сульфидные, пластичные силикаты), и хрупкие, которые при аналогичной обработке не вытягиваются, а дробятся (глинозём, кремнезём и т.д.). Как правило, пластичные включения имеют малый модуль нормальной упругости, в то время как у хрупких включений этот модуль достигает значительных величин, иногда больших, чем у стали (нитриды, глинозём и т.д.);

) по химическому составу принцип классификации включений основан на содержании одного из трех элементов, являющихся вредными примесями в стали: серы (сульфиды), азота (нитриды) и кислорода (оксиды).

Если разновидностей сульфидов и нитридов сравнительно немного (сульфид железа и марганца, нитриды титана), то соединений кислорода достаточно много. Большую группу оксидных включений составляет кремнезём (SiO2) и глинозём Al2O3, а также их производные силикаты и алюминаты. Кроме того, большинство включений представляет собой сплошные комплексные образования (алюмосиликаты, оксисульфиды и др.) и отнести их к какой-либо определенной группе довольно трудно.

Приведенная классификация не исчерпывает многообразия свойств неметаллических включений. Известно, в частности, что некоторые включения (более тугоплавкие, чем сталь) служат готовыми центрами кристаллизации стали. Другие кристаллизуются примерно в том же температурном диапазоне, что и сталь. Третьи (особенно сульфиды), обладая низкой температурой плавления, выделяются из расплава на последней стадии кристаллизации и, заполняя меж- дендритные зоны, располагаются по границам зерна [3].

Рис. 1. Неметаллические включения в конструкционных сталях; а - глобулярное включение в литом металле; б - пластичный силикат; в - железномарганцевый сульфид; г - хрупкоразрушенное малопластичное строчечное высокоглиноземистое включение в прокатанном металле; д - высоко-глиноземистое алюмосиликатное включение остроугольной формы в литом металле; е - алюмосиликатное строчечное включение.

Следует отметить, что большинство включений представляют собой сложные комплексные образования (алюмосиликаты, оксисульфиды и т. д.), и отнести их к какой-либо определенной группе иногда представляет значительные затруднения [1].

На рис. 1 приведены фотографии типичных неметаллических включений в конструкционных сталях разных методов выплавки [1].

Указанные классификации, конечно, не исчерпывают многообразия свойств неметаллических включений. Известно, в частности, что некоторые включения (более тугоплавкие, чем сталь) служат готовыми центрами кристаллизации стали. Другие кристаллизируются примерно в том же температурном диапазоне, что и сталь. Третьи (особенно сульфиды), обладая низкой температурой плавления, выделяются из расплава на последней стадии кристаллизации и, заполняя междендритные зоны, располагаются по границам зерен [3].

Тугоплавкие включения располагаются ближе к поверхности слитка, так как кристаллизуются при более высоких температурах, чем легкоплавкие, а следовательно раньше. Легкоплавкие же кристаллизуются позднее, поэтому они постепенно вытесняются к центру слитка.

Количество неметаллических включений в стали оценивается в настоящее время для всех конструкционных сталей по стандартной шкале (ГОСТ 1778-70), а для некоторых специальных сталей, например, шарикоподшипниковых, по отдельному стандарту или особым техническим условиям [1].

2. ВЛИЯНИЕ НА ЗАГРЯЗНЁННОСТЬ СТАЛИ РАФИНИРУЮЩИХ ПЕРЕПЛАВОВ

Поскольку нельзя получить сталь в промышленных условиях без неметаллических включений, их содержание всегда стремились ограничить или же обеспечить такой морфологический состав и размер включений, который бы в меньшей степени оказывал негативное влияние на физико-механические свойства. Рафинирующие переплавы, электрошлаковый переплав (ЭШП) и вакуумно-дуговой переплав (ВДП) позволяют существенно снизить содержание неметаллических включений, уменьшить их размеры и получить более равномерное распределение включений в объёме стального слитка, а следовательно, и в металлопрокате. Выплавка по оптимальной технологии в полном соответствии с требованиями технологических инструкций позволяет иметь в стали того или иного состава соответствующий уровень содержания неметаллических включений, которые определяются с помощью количественных методов. В тех случаях, когда производят упрочнение металла введением в его объём твёрдых тугоплавких частиц важно равномерно распределить их по всему объёму заготовки [3].

. ВЫНОСЛИВОСТЬ В РАБОЧИХ СРЕДАХ - ВАЖНЕЙШИЙ КРИТЕРИЙ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ

Большинство деталей современных машин испытывает повторные нагрузки, т. е. подвергается циклическому нагружению. В связи с этим критерием качества металла, идущего на изготовление этих деталей, являются не показатели статической прочности (sв,sт) и пластичности (d, y), а характеристики циклической прочности (s-1) и долговечности N, т. е. показатели выносливости стали.

Известно, что между статическими и циклическими прочностными показателями строгой корреляции не существует. Это положение особенно справедливо для случаев, когда те или иные факторы (например, поверхностное упрочнение, покрытия и т. п.) по-разному влияют на статическую и циклическую прочность стали. Все это создает необходимость тщательного учета циклического характера нагрузки и постоянного исследования усталости конструкционных сталей, поскольку без точного знания показателей выносливости сегодня нельзя серьезно говорить о каком-либо расчете деталей машин на прочность и долговечность. Таким образом выносливость в настоящее время становится важнейшим эксплуатационным критерием стали.

В большинстве ранее проводившихся исследований усталости имелся весьма значительный недостаток - не учитывалось влияние окружающей среды. В современной техникеповсеместно детали работают при очень высоких и сверхнизких температурах, в вакууме и глубоко под водой, в кислотах, щелочах и расплавах жидких металлов, под воздействием атомной радиации и ультрафиолетового облучения. Конечно, эти условия не могут не оказать влияния на выносливость металлов, которая значительно изменится в сравнении с аналогичными показателями, полученными в чистом сухом воздухе лабораторного помещения.

В настоящее время выносливость металлов рассматривают с позиций физико-химической механики материалов, т. е. с учетом влияния физико-химических факторов на процессы деформации и разрушения твердых тел. Открытие П. А. Ребиндером адсорбционного эффекта и дальнейшая разработка этих вопросов Г. В. Карпенко применительно к усталости металлов позволили пересмотреть ранее сложившиеся взгляды на эту проблему. Взаимодействуя с металлом, рабочая среда вызывает в нем либо необратимые явления (химическое растворение, коррозионное поражение, образование твердых растворов и химических соединений и т.д.), либо - обратимые (адсорбция, окклюзия газов). При движении внешней среды может возникнуть кавитационное или эрозионное разрушение. Соответственно, механизм влияния внешних сред не может быть во всех случаях единственным. Он бывает адсорбционным, коррозионным, абсорбционным, кавитационным, радиационным и т. д.

Однако первичным всегда является адсорбционный эффект. Следовательно, усталость металлов при воздействии рабочих сред не может быть обусловлена действием лишь механизма собственно усталости. Г. В. Карпенко разработана адсорбционно-электрохимическая теория коррозионной усталости , предложены оригинальные механизмы адсорбционной усталости, водородной усталости и т. п. Установлено, что на выносливость стали в рабочих средах оказывает влияние большое количество различных факторов, причем степень этого влияния значительна: зависит как от природы (вида) и состояния среды, так и от физико-механических свойств металла, особенно свойств его приповерхностных слоев.

Закономерности усталости, полученные при испытаниях в воздухе, нельзя автоматически переносить на тот случай, когда циклическое нагружение металла происходит в какой-нибудь другой среде. Для определения этих закономерностей необходимы соответствующие эксперименты. Например, была установлена неаддитивность отрицательного влияния на выносливость стали концентраторов напряжений и коррозионной среды . Оказалось, что эффективность концентраторов напряжений при циклических нагрузках в жидкой коррозионной среде меньше, чем в воздухе. В другом случае было показано, что в противоположность циклическому нагружению в воздухе, где наблюдается значительный масштабный эффект (снижение пределов усталости при увеличении диаметра образца), в жидкой коррозионной среде имеет место инверсия масштабного эффекта, т. е. с увеличением диаметра образца условный предел коррозионной выносливости стали повышается.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать заключение, что при сравнении эксплуатационных характеристик конструкционных сталей сведений об их статической прочности, пластичности и выносливости в воздухе недостаточно. Чтобы сделать окончательный вывод о свойствах определенных сталей или решить вопрос о применении какой-либо стали для изготовления конкретной детали, работающей в специфических условиях, необходимы так же данные о воздействии среды на выносливость стали. Естественно, что изучение влияния неметаллических включений на усталость конструкционных сталей не представляет исключения из этого общего правила.[1]

4. МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ ПРИЗНАКИ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ

Таблица 1. Характерные признаки идентификации неметаллических включений в стали.

. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ В СТАЛИ

неметаллический включение сталь загрязненность

Полный анализ неметаллических включений состоит из определения их химического состава, структуры и количественной оценки загрязнённости металла различными включениями. Металлографический метод является наиболее простым и надёжным для идентифицирования включений и подсчёта.

Неметаллические включения размером > 1 мкм в литых и деформированных сталях изучают на тщательно приготовленных нетравлёных микрошлифах. Для улучшения условий подготовки шлифов применяют предварительную термическую обработку образцов (закалку), повышающую твердость.

При изучении включений на металлографическом микроскопе используют светло- и тёмнопольное освещение, а также поляризованный свет. Определяют такие признаки включений, как форма, цвет, прозрачность, степень анизотропии, деформируемость, микротвёрдость, взаимодействие с определенными химическими реактивами и др. Сопоставление исследуемого включения с эталолонами и классификационными таблицами позволяет идентифицировать включение, а следовательно и качество металла.

Металлографический метод оценки неметаллических включений условно можно разделить на четыре самостоятельных метода, обозначаемых Метод Ш, К, П, Л. Метод Ш применяют для деформированного металла (катанного, кованного), методы К и П также и для литого, а Л - только для литого металла.

) По методу Ш, широко используемому в производственной практике металлургических и машиностроительных заводов, сравнивают наблюдаемые, нетравленом микрошлифе включения со стандартными эталонными пятибаль-нымишкалами. Шкалы охватывают включения нескольких видов, наиболее часто встречающихся в стали, имеющих различную природу и различных по качественным характеристикам.

Стандартные шкалы характеризуют следующие виды включений:

оксиды строчечные (ОС) - мелкие включения, обычно корунда и шпинели, расположенные группами в виде строчек;

оксиды точечные (ОТ) - кристаллы простых или сложных оксидов (корунд, шпинель и др.), рассредоточенные по всей площади шлифа;

силикаты хрупкие (СХ) - сплошные или прерывистые строчки кристаллических включений, частично сцементированные пластичными стекловидными силикатами, вытянутыми вдоль направления деформации;

силикаты пластичные (СП) - вытянутые вдоль направления деформации пластически деформированные силикаты;

силикаты недеформирующиеся (СН) - единичные или групповые глобулярные или неправильной формы включения силикатов, силикатных стёкол;

сульфиды (С) - пластичные, вытянутые вдоль направления деформации единичные или групповые включения, обычно двойной сульфид железа и марганца;

нитриды строчечные (НС) - единичные или групповые строчки нитридов и карбонитридов титана или ниобия;

нитриды точечные (НТ) - произвольно распределенные включения нитридов и карбонитридов титана или ниобия;

нитриды алюминия (НА) - мелкие строчечные или произвольно расположенные кристаллы нитрида алюминия.

Метод Ш имеет 14 вариантов (от Ш1 до Ш14), различающихся условиями испытаний (увеличение, диаметр поля зрения, способ оценки шлифов и критерий оценки плавок). Метод Ш позволяет оценивать также загрязненность сталей, полученных вакуумно-дуговым и электрошлаковым переплавом, при использовании увеличений 170.. .210 раз.

Шкалы, применяемые для оценки, пятибалльные. Наименее загрязнённый металл оценивается баллом 1, наиболее загрязнённый - баллом 5. В основу первого балла положена определенная площадь, занимаемая включениями и возрастающая при переходе к последующим баллам в геометрической прогрессии с множителем 2.

Оценку загрязнённости образцов стали неметаллическими включениями проводят путем просмотра всей площади нетравлёных шлифов. На каждом шлифе при увеличении 90... 110 (поле зрения 0,75... 1,3 мм) для каждого вида включений определяют наиболее загрязненное место шлифа, которое оценивают в баллах шкалы. При этом следует учитывать включения, которые видны невооруженным глазом,

Методом сравнения определяют загрязненность включениями отдельных образцов в стали, затем на основе результатов испытания определенного количества образцов оценивают загрязненность включениями плавки или партии металла. Число образцов устанавливается стандартами или техническими условиями на поставку стали и обуславливается назначением стали и точностью определения. Обычно число отбираемых образцов от плавки для анализа должно быть не менее 6 и кратным 3.

Плавка или партия металла считается годной, если установленный макси-балл, среднеарифметический балл или доля образцов не превышает определённых норм, которые предусматриваются соответствующими ГОСТ или ТУ на поставку стали.

) По методу К отдельно определяют число кислородных, сульфидных и нитридных включений, просматривая продольные нетравлёные шлифы при увеличении 170-180раз. С помощью окулярной шкалы с ценой деления 0,007±0,0005 мм измеряют диаметр или толщину включений, близких по форме к кругу или квадрату или максимальный и минимальный размеры включений другой формы. Если отношение максимального размера к минимальному не превышает двух, то размер включения определяют как среднее арифметическое. Размеры вытянутых включений (при отношении длины к толщине более двух) определяют по формуле

вкл=(1+a0l0)/2, (1)

где a0 и l0 ¾ замеренные величины соответственно толщины и длины включений.

Измеренные кислородные, сульфидные и нитридные включения классифицируют раздельно по пяти размерным группам:

-я группа - включения от 1 до 2 делений окулярной шкалы (7…14мкм);

-я группа - включения от 2 до 3 делений окулярной шкалы (15…21мкм);

-я группа - включения от 3 до 4 делений окулярной шкалы (22…28мкм);

-я группа - включения от 4 до 5 делений окулярной шкалы (29…35мкм);

-я группа - включения от 5 до 6 делений окулярной шкалы (36…42мкм).

Критериями оценки плавки служат: для варианта К1 число включений каждой группы на площади 24 см2 (шесть шлифов площадью по 4 см2); а для варианта К2¾ суммарное число включений (начиная со 2-й группы) на площади 24 см2

) По методу П подсчитывают под микроскопом включения определён-ных размеров на нетравлёном поперечном шлифе. По методу П используют 4 варианта наблюдений (П1...П4), различающихся по увеличению¾ 300, 400, 500 и 600 раз соответственно. На каждом шлифе оценивают не менее 125 полей зрения. Измеренные включения классифицируют по определённым размерным группам, раздельно для каждого вида оцениваемых включений.

Размер включений на шлифах определяют с помощью окулярной шкалы по группам 1... 13, отвечающим увеличению размера (диаметра или стороны квадрата ) включения в делениях окулярной шкалы для 1-й группы от 0,5 до 0,7 и от 10,3 до 42,9 для 13-й группы.

Критериями оценки загрязненности плавки по методу П служат: число включений определенных размерных групп на площади 100 мм2 :содержание включений в процентах по объёму.

Для подсчета площади, занятой включениями на шлифе, число включений каждой группы умножают на среднее значение площади включения данной группы. Полученные для всех групп произведения суммируют.

Среднюю площадь включений fср в одном поле зрения определяют по формуле:

ср=f/n (2)

где f - общая площадь включений; n - число полей зрения.

Содержание включений в процентах n по объёму определяют по формуле:

n=(fср/F)*100

где F = pD2/4 - площадь поля зрения на шлифе при выбранном увеличении в делениях окулярной шкалы в квадрате;

D - диаметр поля зрения в делениях окулярной шкалы, определяемый делением диаметра поля зрения в мм, измеренных с помощью объект-микрометра, на цену деления окулярной шкалы данного микроскопа.

Величины F и D - постоянные величины для данного микроскопа.

Методы К и П обычно применяют для оценки загрязнённости металла электрошлакового, вакуумного переплавов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Цель курсового проектирования: закрепить теоретические знания; приобрести навыки в разработке технологии выплавки ферросплавов, лигатур и стали; освоить методы расчета геометрических параметров электропечей, мощности печного трансформатора, энергетического баланса электроплавки; изучить методику работы с ГОСТами и научно-технической литературой; познакомиться с механическим и электрическим оборудованием электропечей и основными направлениями повышения эффективности их работ; знать область применения легирующих и их влияние на служебные свойства сталей и сплавов.

На базе курсового проекта студент должен уметь изложить суть обсуждаемых проблем, грамотно и по существу отвечать на вопросы комиссии при защите курсового проекта.

Доклад

Стремительное развитие современной техники сопровождается повышением требований к качеству применяемых металлических материалов. Одним из важных показателей качества металлов, определяющих их свойства и эксплуатационную стойкость, является степень загрязненности неметаллическими включениями.

В последние годы интенсивно ведутся работы по синтезу композиционных материалов, т. е. таких материалов, где основными компонентами являются основа-матрица и упрочняющий элемент-включение.

Стали и сплавы, состоящие обычно из многих компонентов, наряду с полезными примесями, определяющими их применение для различных назначений, содержат некоторое количество нежелательных примесей, попадающих в сталь или сплав из шихтовых материалов и огнеупоров или образующихся в процессе выплавки. Общность способов производства стали и сплавов различного состава позволяет установить общие закономерности в процессах образования нежелательных примесей.[2]

Неметаллические включения в стали играют инициирующую роль в образовании трещин при сварке, термической обработке, динамическом нагружении деталей и, особенно, при усталостном разрушении металла. Поэтому вопросы влияния неметаллических включений в стали на долговечность работы изготовленных из нее изделий весьма актуальны. Проблема неметаллических включений в стали в последнее время привлекает внимание не только металлургов и металловедов, но и машиностроителей - основных потребителей стали.[1]

Одно из первых мест среди нежелательных примесей принадлежит кислороду и кислородным включениям, присутствующим в больших или меньших количествах во всех без исключения сталях и сплавах.

Другой обычной примесью в сталях и сплавах является сера. Сера и сернистые соединения для стали большинства марок также являются нежелательными примесями. Присутствие сернистых включений желательно только в отдельных случаях (для улучшения обрабатываемости автоматных сталей).

Чаще всего нежелательной примесью является также азот, присутствующий в стали и сплавах в твердом растворе или в нитридных включениях. Но в отдельных случаях азот применяется для легирования стали. Для этого в сталь вводят нитридообразующие элементы: Ti, V и др. В металле они образуют очень прочные соединения-нитриды, которые при кристаллизации выделяются по границам зёрен, образуя сетку, что приводит к измельчению зерна, так как эта сетка не даёт ему расти, и к повышению механических свойств, в результате упрочнения границ зёрен нитридами.

Перечисленные примеси образуют в стали и сплавах твердые растворы и включения. Кроме указанных выше примесей, обычно нежелательными являются также фосфор, водород, медь и мышьяк, образующие даже при значительных концентрациях не включения, а твердые растворы. К нежелательным примесям могут быть отнесены также примеси свинца, сурьмы и др.

Уменьшение содержания этих примесей, в том числе присутствующих в виде включений, - одна из основных металлургических проблем, так как металлы и сплавы высокой степени чистоты обладают значительно более высокими свойствами.

Видимые невооруженным глазом крупные включения (волосовины в прокате, песочины в литье и в поковках) способствуют образованию очагов разрушения или коррозии. Включения небольших размеров (менее 1 мм) могут приводить к образованию очагов усталостного разрушения, если они расположены на рабочей поверхности таких деталей, как шарики, ролики и кольца подшипников. Дело в том, что нагрузка в шарикоподшипнике является локальной, и если в точках касания шарика (ролика) и кольца стали окажется то или иное включение, то может произойти местное разрушение выкрашивание, а вследствие этого долговечность работы подшипника резко снизится. Поэтому к подшипниковым сталям предъявляют весьма высокие требования в отношении чистоты по неметаллическим включениям и карбидной ликвации: согласно ГОСТ 801-78 каждая плавка тщательно контролируется на наличие пористости, неметаллических включений, на карбидную ликвацию, строчечность, сетку. Для всех этих дефектов составлены, шкалы (четырёх- и пятибальные системы), по которым оценивается пригодность стали.

Подшипники, подвергаемые в процессе эксплуатации значительным нагревам (до 400- 500 °C), изготавливают из сталей типа быстрорежущих. Обычно применяют сталь Р9, но с пониженным содержанием углерода и ванадия. Снижение углерода необходимо для уменьшения карбидной ликвации, снижающей долговечность подшипника.

 Дисперсные включения (менее 0,1 мк) также оказывают определенное влияние на свойства стали или сплава (пластические свойства, склонность к росту зерна и др.). Поэтому внимание металлургов обращено:

а) на изучение вида и количества включений;

б) на изучение влияния включений на свойства стали;

в) на разработку методов производства, уменьшающих содержание включений.

Систематическая работа металлургов в направлении улучшения технологии плавки, улучшения качества огнеупоров и повышения общей культуры металлургического производства позволила значительно улучшить качество стали и сплавов за последние годы.

Однако развивающееся машиностроение требует дальнейшего повышения качества металла, его чистоты, пластичности, прочности, технологических и других свойств. Для удовлетворения этих требований возникли новые технологические процессы (выплавка с применением кислорода, выплавка и разливка в вакууме, применение сильных раскислителей, обработка шлаком и др.), позволяющие резко улучшить чистоту стали в отношении кислородных, нитридных и сульфидных включений.

Систематические наблюдения за поведением включений по ходу металлургического процесса, сопоставление включений со свойствами стали самого разнообразного состава и использование литературных данных привели к созданию гипотезы, позволяющей объяснить ранее остававшиеся неясными причины получения отдельных плавок стали и сплавов с различными свойствами.[2]

Существует несколько классификаций неметаллических включений:

1) по происхождению включения делятся на две большие группы - эндогенные, то есть включения возникшие в процессе раскисления стали при вьплавке, также выделившиеся из расплава при кристаллизации, и экзогенные, то есть включения образующиеся в результате контакта жидкого металла с футеровкой, которые являются включениями внешнего происхождения;

2) по геометрической форме включения могут быть глобулярные (шарообразные), неправильные (чаще всего остроугольные), строчечные (нитеобразные), плёночные (обычно располагающиеся по границам зёрен) и точечные;

) по степени пластичности включения разделяют на пластичные, которые при деформации хорошо изменяют свою форму и вытягиваются в строчки (сульфидные, пластичные силикаты), и хрупкие, которые при аналогичной обработке не вытягиваются, а дробятся (глинозём, кремнезём и т.д.). Как правило, пластичные включения имеют малый модуль нормальной упругости, в то время как у хрупких включений этот модуль достигает значительных величин, иногда больших, чем у стали (нитриды, глинозём и т.д.);

) по химическому составу принцип классификации включений основан на содержании одного из трех элементов, являющихся вредными примесями в стали: серы (сульфиды), азота (нитриды) и кислорода (оксиды).

Если разновидностей сульфидов и нитридов сравнительно немного (сульфид железа и марганца, нитриды титана), то соединений кислорода достаточно много. Большую группу оксидных включений составляет кремнезём (SiO2) и глинозём Al2O3, а также их производные силикаты и алюминаты. Кроме того, большинство включений представляет собой сплошные комплексные образования (алюмосиликаты, оксисульфиды и др.) и отнести их к какой-либо определенной группе довольно трудно.

Приведенная классификация не исчерпывает многообразия свойств неметаллических включений. Известно, в частности, что некоторые включения (более тугоплавкие, чем сталь) служат готовыми центрами кристаллизации стали. Другие кристаллизуются примерно в том же температурном диапазоне, что и сталь. Третьи (особенно сульфиды), обладая низкой температурой плавления, выделяются из расплава на последней стадии кристаллизации и, заполняя меж- дендритные зоны, располагаются по границам зерна [3].

Поскольку нельзя получить сталь в промышленных условиях без неметаллических включений, их содержание всегда стремились ограничить или же обеспечить такой морфологический состав и размер включений, который бы в меньшей степени оказывал негативное влияние на физико-механические свойства. Рафинирующие переплавы, электрошлаковый переплав (ЭШП) и вакуумно-дуговой переплав (ВДП) позволяют существенно снизить содержание неметаллических включений, уменьшить их размеры и получить более равномерное распределение включений в объёме стального слитка, а следовательно, и в металлопрокате. Выплавка по оптимальной технологии в полном соответствии с требованиями технологических инструкций позволяет иметь в стали того или иного состава соответствующий уровень содержания неметаллических включений, которые определяются с помощью количественных методов. В тех случаях, когда производят упрочнение металла введением в его объём твёрдых тугоплавких частиц важно равномерно распределить их по всему объёму заготовки [3].

Большинство деталей современных машин испытывает повторные нагрузки, т. е. подвергается циклическому нагружению. В связи с этим критерием качества металла, идущего на изготовление этих деталей, являются не показатели статической прочности (sв,sт) и пластичности (d, y), а характеристики циклической прочности (s-1) и долговечности N, т. е. показатели выносливости стали.

Известно, что между статическими и циклическими прочностными показателями строгой корреляции не существует. Это положение особенно справедливо для случаев, когда те или иные факторы (например, поверхностное упрочнение, покрытия и т. п.) по-разному влияют на статическую и циклическую прочность стали. Все это создает необходимость тщательного учета циклического характера нагрузки и постоянного исследования усталости конструкционных сталей, поскольку без точного знания показателей выносливости сегодня нельзя серьезно говорить о каком-либо расчете деталей машин на прочность и долговечность. Таким образом выносливость в настоящее время становится важнейшим эксплуатационным критерием стали.

В большинстве ранее проводившихся исследований усталости имелся весьма значительный недостаток - не учитывалось влияние окружающей среды. В современной техникеповсеместно детали работают при очень высоких и сверхнизких температурах, в вакууме и глубоко под водой, в кислотах, щелочах и расплавах жидких металлов, под воздействием атомной радиации и ультрафиолетового облучения. Конечно, эти условия не могут не оказать влияния на выносливость металлов, которая значительно изменится в сравнении с аналогичными показателями, полученными в чистом сухом воздухе лабораторного помещения.

В настоящее время выносливость металлов рассматривают с позиций физико-химической механики материалов, т. е. с учетом влияния физико-химических факторов на процессы деформации и разрушения твердых тел. Открытие П. А. Ребиндером адсорбционного эффекта и дальнейшая разработка этих вопросов Г. В. Карпенко применительно к усталости металлов позволили пересмотреть ранее сложившиеся взгляды на эту проблему. Взаимодействуя с металлом, рабочая среда вызывает в нем либо необратимые явления (химическое растворение, коррозионное поражение, образование твердых растворов и химических соединений и т.д.), либо - обратимые (адсорбция, окклюзия газов). При движении внешней среды может возникнуть кавитационное или эрозионное разрушение. Соответственно, механизм влияния внешних сред не может быть во всех случаях единственным. Он бывает адсорбционным, коррозионным, абсорбционным, кавитационным, радиационным и т. д.

Однако первичным всегда является адсорбционный эффект. Следовательно, усталость металлов при воздействии рабочих сред не может быть обусловлена действием лишь механизма собственно усталости. Г. В. Карпенко разработана адсорбционно-электрохимическая теория коррозионной усталости , предложены оригинальные механизмы адсорбционной усталости, водородной усталости и т. п. Установлено, что на выносливость стали в рабочих средах оказывает влияние большое количество различных факторов, причем степень этого влияния значительна: зависит как от природы (вида) и состояния среды, так и от физико-механических свойств металла, особенно свойств его приповерхностных слоев.

Закономерности усталости, полученные при испытаниях в воздухе, нельзя автоматически переносить на тот случай, когда циклическое нагружение металла происходит в какой-нибудь другой среде. Для определения этих закономерностей необходимы соответствующие эксперименты. Например, была установлена неаддитивность отрицательного влияния на выносливость стали концентраторов напряжений и коррозионной среды. Оказалось, что эффективность концентраторов напряжений при циклических нагрузках в жидкой коррозионной среде меньше, чем в воздухе. В другом случае было показано, что в противоположность циклическому нагружению в воздухе, где наблюдается значительный масштабный эффект (снижение пределов усталости при увеличении диаметра образца), в жидкой коррозионной среде имеет место инверсия масштабного эффекта, т. е. с увеличением диаметра образца условный предел коррозионной выносливости стали повышается.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать заключение, что при сравнении эксплуатационных характеристик конструкционных сталей сведений об их статической прочности, пластичности и выносливости в воздухе недостаточно. Чтобы сделать окончательный вывод о свойствах определенных сталей или решить вопрос о применении какой-либо стали для изготовления конкретной детали, работающей в специфических условиях, необходимы так же данные о воздействии среды на выносливость стали. Естественно, что изучение влияния неметаллических включений на усталость конструкционных сталей не представляет исключения из этого общего правила.[1]