Неметаллические включения в стали: Влияние на качество

Понятие и классификация включений

1. Эндогенное включение

В процессе выплавки стали происходит реакция раскисления, в результате которой образуются оксиды и другие продукты. Если эти продукты не поднимаются на поверхность до застывания расплавленной стали, они остаются в ней. Происходят следующие реакции:

• Mn + FeO → Fe + MnO
• Si + 2FeO → SiO₂ + 2Fe
• 2Al + 3FeO → 3Fe + Al₂O₃
• Ti + 2FeO → 2Fe + TiO₂

Присутствие в расплавленной стали таких примесей, как кислород, сера и азот, приводит к их выпадению в твердый раствор при охлаждении и затвердевании, в итоге они оказываются в слитке. Распределение этих включений, известных как эндогенные включения, обычно равномерно и характеризуется мелкими частицами.

Хотя правильная эксплуатация и применение соответствующих технологических мер могут уменьшить количество включений и изменить их состав, размер и распределение, их присутствие, как правило, неизбежно.

2. Иностранные включения

Шлак, плавающий на поверхности расплавленной стали в процессе выплавки и разливки, а также огнеупорные материалы или другие обломки, которые могут отслаиваться от внутренних стенок сталеплавильной печи, желоба и ковша, не всегда удаляются до застывания расплавленной стали, что приводит к их присутствию в стали.

Эти включения образуются в результате контакта металла с внешними веществами в процессе плавки.

Как правило, эти включения имеют неправильную форму, большой размер и неровный вид, за что их прозвали "грубыми включениями".

Однако эти включения можно предотвратить с помощью правильной техники эксплуатации.

Классификация по химическому составу：

Неметаллические включения

• Сульфид: FeS, MnS
• Оксиды: FeO, Al₂O₃
• Силикаты: 2MnO-SiO₂
• Нитриды: TiN, ZrN

Классификация по способности к деформации：

Неметаллические включения:

• Хрупкое включение: Al₂O₃
• Пластичные включения: FeS, MnS, 2MnO-SiO₂
• Инвариантное включение: SiO₂

Классификация по морфологии и распространению：

Неметаллические включения:

• Класс A - гидрофобные соединения
• Класс B - глинозем
• Класс C - Силикаты
• Класс D - сферические оксиды
• Класс Ds - сфероид из одной частицы

Класс A (сульфид): Одиночные серые включения с высокой пластичностью и широким диапазоном морфологических соотношений, обычно с закругленными концами.

Класс B (глинозем): Большинство частиц не деформированы, угловатые, с малым морфологическим соотношением (обычно менее 3), черного или синего цвета. Должно быть не менее трех частиц в ряду вдоль направления прокатки.

Класс C (силикатный): Одиночные черные или темно-серые включения с высокой пластичностью и широким диапазоном морфологических соотношений (обычно больше или равно 3), как правило, с острым углом на конце.

Класс D (сферический оксид): Недеформированные, угловатые или круглые частицы с малым морфологическим соотношением (обычно менее 3), черного или синеватого цвета, распределенные неравномерно.

Класс Ds (сферические одиночные частицы): Круглые или почти круглые одиночные включения диаметром 13 мкм и более.

Таблица 1 Предельные значения (минимальные)

Таблица 2 Ширина включения

Влияние на качество обслуживания

• Усталостные характеристики снижаются.
• Вязкость при ударе и пластичность снижаются.
• Устойчивость к коррозии снижается.

Наличие включений размером менее 10 мкм способствует зарождению структуры, а рост зерна происходит в процессе сварки.

(1) Добавление элементы сплава такие как Nb, V, Ti и другие, может привести к выпадению соединений C и N (тип микровключений) во время непрерывного литья и нагрева.

(2) Сульфиды кальция, силикаты и мелкий оксид железа могут рафинировать кристаллические ядра, что благоприятно сказывается на вязкости, пластичности и прочности стальная пластина.

Однако, когда размер неметаллические включений превышает 50 мкм, снижается пластичность, вязкость и усталостная прочность стали, ухудшаются свойства холодной и горячей обработки, а также некоторые физические свойства.

Как правило, размер включений в нашей расплавленной стали превышает 50 мкм, что снижает вязкость, пластичность и прочность стального листа.

Помимо этих свойств, включения также негативно влияют на кислотостойкость, усталостные характеристики, качество поверхности и качество сварки.

Влияние на производительность процесса

1. Легко трескается при ковке, холодной обработке, закалке, нагреве и сварке.

2. Качество поверхности после прокатки и шероховатость поверхности деталей после шлифования снижается.

Влияние на прочность и удлинение стального листа

Если частицы включений относительно крупные, более 10 мкм в размере, особенно при низком содержании включений, то предел текучести и прочность стали на разрыв значительно снижаются.

Однако если частицы включений малы и составляют менее 10 мкм, предел текучести и прочность на разрыв стали повышаются.

С увеличением количества мелких частиц в стали увеличиваются предел текучести и предел прочности на растяжение, но наблюдается небольшое снижение удлинения.

Влияние на усталостные характеристики

Широко распространено мнение, что включения являются основной причиной усталостное разрушение в стали.

Хрупкие и сферические включения со слабыми силами сцепления и большими размерами оказывают значительное влияние на усталостные характеристики, причем более высокая прочность приводит к большей опасности, как показано на рис. 1.

Для высокопрочной стали, если поверхность детали хорошо обработана, зарождение и включение трещин становится доминирующим способом усталостного растрескивания.

Небольшие включения могут оказывать незначительное влияние на зарождение трещин, но играть благоприятную роль в распространении усталостных трещин.

Рисунок 2 представляет собой схематическое изображение образования и роста пустот вокруг небольших включений.

Считается, что ямочки связаны с включениями размером менее 0,5 мм.

Рис. 1 Размер включения и усталостная долговечность при одинаковом уровне напряжения

Рис. 2 Схема образования микропустот между несмежными включениями

Примеры неудач:

Упругий вал двигателя оборудования выходит из строя после длительной эксплуатации. На рисунке 3 показан макроскопический вид излома.

По направлению макроскопических линий усталости на поверхности излома и радиальных линий видно, что трещина берет начало с поверхности упругого вала и соответствует продольной линии на поверхности вала.

Однако исходные морфологические характеристики поверхности излома не ясны из-за сильного износа поверхности излома в месте зарождения трещины.

Как показано на рисунке 4, макроскопическое и микроскопическое исследование эластичного вала, который не разрушился, выявляет наличие продольных трещин различной степени выраженности на поверхности вала и неметаллических включений в области трещин.

Результаты анализа энергетического спектра показывают, что неметаллические включения в трещинах представляют собой оксид алюминия. Сферические оксидные включения и одночастичные сферические включения упругого вала двигателя имеют оценку 2,0.

Основной причиной преждевременного выхода из строя эластичного вала является усталостное разрушение в результате того, что включение выступает в качестве источника усталости ядра под воздействием переменных напряжений.

Рис. 3 Макроскопический вид излома эластичного вала разрушенного двигателя

Рис. 4 СЭМ-анализ включений в эластичном вале

Влияние на коррозионную стойкость

Наличие неметаллических включений в стали может значительно снизить ее коррозионную стойкость.

Разница в химическом составе между неметаллическими включениями и стальной основой позволяет легко образовывать между ними микроячейки. Это может привести к электрохимической коррозии в присутствии агрессивной среды, что приведет к образованию коррозионных ям и трещин. В тяжелых случаях это может привести к разрушению.

Например, труба для нагрева воды, изготовленная из Q235B углеродистой конструкционной стали произошла преждевременная утечка. На рис. 5(a) показан макроскопический вид протекающей водопроводной трубы с признаками коррозии вблизи места протечки. На рис. 5(b) показано, что после удаления продуктов окисления и коррозии в сварных швах в месте протечки остаются четкие канавки.

Всесторонний анализ металлографии, включений, энергетических спектров и имитационных ускоренных коррозионных испытаний как водопроводной трубы с утечкой, так и исходной водопроводной трубы показал, что наличие оксидных включений или композитных оксидных включений, проникающих на внутреннюю поверхность в сварном шве, является основной причиной локальной коррозии, образования коррозионных канавок и преждевременной утечки водопроводной трубы.

Присутствующие в трубе агрессивные среды, такие как O2, S и Cl, привели к тому, что неметаллические включения образовали коррозионную ячейку с соседним железом, что привело к электрохимической коррозии и, в конечном итоге, к протечке водопровода.

Рис. 5 Макроскопический вид протекающей водопроводной трубы

Влияние на индуцированное водородом замедленное разрушение

Проникновение водорода в материал или образование водорода в результате электрохимического взаимодействия между средой и поверхностью материала может продолжать диффундировать при определенных условиях и легко агрегировать и объединяться в молекулы водорода в таких ловушках, как включения.

Когда давление молекул водорода в этих ловушках превысит предел прочности материала, образуются ядра трещин.

При продолжающейся диффузии и скоплении водорода материал в конечном итоге подвергнется макроразрушению.

Существует множество факторов, влияющих на индуцированное водородом растрескивание, но для конкретного тип сталиВлияние включений является наиболее важным, помимо влияния технологических факторов. Включения являются сильными ловушками водорода, и давление вокруг неметаллических включений (особенно крупных) очень высокое, при этом прочность связи между включениями и матрицей относительно слабая.

При увеличении давления водорода на границе раздела между включениями и матрицей образуются трещины. Вероятность зарождения трещин, вызванных водородом, в включениях высока, и чем выше уровень и количество включений, тем больше восприимчивость к трещинам, вызванным водородом.

Примером разрушения может служить резервуар для хранения СУГ объемом 200 м3, изготовленный из сплава 16Mn с толщиной листа 24 мм и рабочим давлением 1,18 МПа. После многих лет эксплуатации 54 выпуклости на сферической поверхности резервуара растрескались, причем 20 уже растрескались. Металлографическое исследование, РЭМ и анализ энергетического спектра выявили серьезные включения MNS в барабане и вокруг него, а также водородное сдерживание.

Причиной образования выпуклости стало накопление водорода, который проникал в сталь, образуя выпуклости на дефекте границы раздела включение-матрица в результате катодной реакции выделения водорода. Поверхностная трещина выпуклости представляла собой индуцированное водородом замедленное разрушение под действием растягивающего напряжения.

На рисунках 6 и 7 показан макроскопический вид выпуклости на внутренней и внешней поверхностях резервуара, а также микроморфология внутренней поверхности стенки барабана и поверхностное распределение элементов Mn и S, соответственно. Серьезное неметаллическое включение явилось существенным фактором формирования водородных пузырей и растрескивания пузырей.

Рис. 6 Макроскопический вид барабана резервуара

Рис. 7 Микроморфология внутренней поверхности стенки барабана и диаграмма распределения элементов Mn и S