Неметаллические включения

Неметаллические включения — химические соединения металлов с неметаллами, находящиеся в стали и сплавах в виде отдельных фаз.

Источники образования включений

Неметаллические включения возникают в результате целого ряда физико-химических явлений, протекающих в расплавленном и затвердевающем металле в процессе его производства.

Все неметаллические включения, образующиеся в результате тех или иных реакций, имеющих место в процессе производства металла, обычно называют природными. К ним относятся оксиды, сульфиды, нитриды и фосфиды.

Кроме природных включений в металле присутствуют также частицы шлака, огнеупоров, материалов литейной формы, то есть те вещества, с которыми металл непосредственно соприкасается в ходе производства. Подобного рода неметаллические включения называют посторонними, или случайными.

Основную массу включений в металле восстановительной плавки составляют включения, образующиеся в результате снижения растворимости примесей при охлаждении и затвердении металла. Кроме природных включений, в металле восстановительной плавки присутствуют также посторонние включения.

Современный уровень технологии производства стали позволяет в значительной мере удалить из металла различные включения. Однако общее содержание их в различных сталях колеблется в широких пределах и значительно влияет на свойства металла.

Классификация неметаллических включений

Неметаллические включения разделяют по химическому и минералогическому составу, стойкости и происхождению. По своему химическому составу неметаллические включения делятся на следующие группы:

1. оксиды (простые — FeO, MnO, Cr₂O₃, SiO₂, Al₂O₃, TiO₂ и др.; сложные — FeO·Fe₂O₃, FeO·Al₂O₃, FeO·Cr₂O₃, MgO·Al₂O₃, 2FeO·SiO₂ и др.);
2. сульфиды (простые — FeS, MnS, Al₂S₃, CaS, MgS, Zr₂S₃ и др.; сложные — FeS·FeO, MnS·MnO и др.);
3. нитриды (простые — ZrN, TiN, AlN, CeN и др.; сложные — Nb(C, N), V(c, N) и др.), встречающиеся в легированных сталях, имеющих в своем составе сильные нитридообразующие элементы: титан, алюминий, ванадий, церий и др.;
4. фосфиды (Fe₃P, Fe₂P и др.)
5. силикаты

Наибольшее количество включений в металлах составляют оксиды и сульфиды, так как содержание фосфора низкое. Нитриды обычно присутствуют в специальных сталях, имеющих в своем составе элементы с высоким сродством к азоту.

По минералогическому составу кислородные включения делятся на следующие основные группы:

1. свободные оксиды — FeO, MnO, Cr₂O₃, SiO₂ (кварц), Al₂O₃ (корунд) и др.;
2. шпинели — сложные оксиды, образованные двух и трехвалентными металлами. К этой группе принадлежат ферриты, хромиты и алюминаты.
3. силикаты, присутствующие в стали в виде стекол, образованных чистым SiO₂ или SiO₂ с примесями в нём оксидов железа, марганца, хрома, алюминия, вольфрама, а также кристаллических силикатов. Силикаты составляют самую большую группу неметаллических включений. В жидкой стали неметаллические включений находятся в твердом или жидком состоянии в зависимости от их температуры плавления.

По стойкости неметаллические включения разделяют на устойчивые и неустойчивые. К неустойчивым относят включения, которые растворяются в разбавленных кислотах не более 10%-ной концентрации. Неустойчивыми являются сульфиды железа и марганца, а также некоторые свободные оксиды.

Влияние неметаллических включений на свойства стали и сплавов

Современные способы производства стали и сплавов не дают возможности получить металл, не содержащий неметаллических включений. Большее или меньшее количество включений существует в любой стали в соответствии с её составом и условиями производства. Обычно количество неметаллических включений в стали не превышает 0,1 %. Однако в связи с их малыми размерами число включений в металле очень велико.

Неметаллические включения в стали являются инородными телами, нарушающими однородность её структуры, поэтому их влияние на механические и другие свойства может быть значительным. При деформации в процессе прокатки, ковки, штамповки неметаллические включения, особенно неправильной формы с острыми краями и углами, играют роль концентраторов напряжения и могут вызвать образование трещины, являющейся очагом последующего усталостного разрушения стали.

Решающее значение при изучении влияния неметаллических включений на качество стали имеют их свойства: размер, форма, химические и физические характеристики, а также характер расположения по отношению к зернам литого металла. Указанные свойства включений зависят от химического состава стали, метода её выплавки и для заданной марки стали могут изменяться в широких пределах даже для одинакового способа её производства.

К настоящему времени для анализа неметаллических включений разработаны и широко используются различные методы, позволяющие с большой точностью определить состав, структуру и содержание неметаллических включений в стали и сплавах как с выделением их из металла, так и в твердом металле. Основной метод контроля содержания включений - анализ с помощью световой микроскопии макро- и микрошлифов определенного размера и места вырезки (ГОСТ 1778-70). Подсчет и определение размеров проводят вручную или с помощью автоматизированных видеосистем. В некоторых случаях применяют следующий метод. Заданную массу исследуемого металла плавят в медном тигле электронным лучом, а затем проводят анализ включений, всплывших к поверхности закристаллизовавшейся в последней момент корки слитка.

Литература

1. А. П. Гуляев. Металловедение. Учебник для ВУЗов. 6-е изд.,перераб. и дополн. — М. : Металлургия, 1986. — 544 с.
2. Н. А. Смирнов. Современные методы анализа и контроля продуктов производства. 2-е изд., дополн. и перераб. — М. : Металлургия, 1985. — 256 с.
3. Лаборатория металлографии/Под ред. Лившица Б. Г. — М. : Гос. научно-техн. изд-во лит-ры по чёрной и цветной металлургии, 1957. — 696 с.

Ссылки

• Металлы и сплавы: Справочник
• Сайт профессионального информационного общества металлургов (англ.)