Неметаллические микровключения

Неметаллические включения в отливке — окислы, сульфиды, силикаты, нитриды — существенно влияют па механические свойства сплава. Влияние это определяется не столько количеством, сколько формой и расположением включений. Включения остроугольной или удлиненной формы являются концентратами напряжений и сильно снижают пластичность металла. Включения, расположенные по границам зерен в виде пленок или цепочек, резко уменьшают межкристаллитную прочность и пластичность. Только округлые включения, беспорядочно разбросанные или расположенные внутри зерен, мало влияют на механические свойства Влияние неметаллических включений на свойства чугуна несущественно, так как графит настолько ослабляет металлическую основу, что относительное влияние остальных включений невелико. В сталях же отрицательное влияние неметаллических микровключений проявляется очень резко.

Форма и расположение включений в стали зависят от их со става и условий выделения. Включения с высокой температурой плавления (например, силикаты) выпадают первыми и часто являются центрами кристаллизации. Если же строение и размеры этих включений не позволяют им стать центрами кристаллизации, то они могут оттесняться затвердевающим металлом к границами зерен и в средние зоны отливки, затвердевающие в последнею очередь.

Легкоплавкие включении могут легко коагулирован, (объединяться и укрупняться) и всплывать в жидком металле. При задержке всплывания они выделяются по границам зерен. Выделение их в виде непрерывной пленки, резко снижающей пластичность металла, или в виде цепочки округлых включений зависит от условий смачивания жидкими включениями металла. При хорошем смачивании образуются сплошные пленки, при плохом — округлые включения в виде строчек. Неметаллические включения попадают в металл во время плавки (из футеровки, из шлака) или образуются в расплаве при затвердевании (продукты продолжающего раскисления, сульфиды, нитриды). Включения, попавшие в металл извне, обычно бывают крупных размеров и свободно выделяются из металла в ковше и литниковой системе. Включения, образовавшиеся в металле (окислы, сульфиды, нитриды железа, марганца, алюминия, кремния), носят микроскопический характер.

Обычно сталь для фасонных отливок достаточно раскислена и FeO встречается в виде округлых включений, состоящих из окислов и силикатов. При неблагоприятных условиях раскисления и десульфурации FeO может выделяться в виде оксисульфидов, располагаясь по границам зерен.

В сталях с высоким содержанием кремния образуются мелкие сферические включения SiO2, которые легко коагулируют в более крупные.

Окись алюминия А12О3 образуется при раскислении стали алюминием. Эти включения часто обнаруживаются совместно с сульфидами железа, марганца, алюминия и могут быть зародышами кристаллизации. Однако часто мелкие включения коагулируют и располагаются в виде цепочек по границам зерен, снижая пластичность стали.

Сульфиды железа и марганца не встречаются в отливках в чистом виде, а входят в сложные комплексы, располагающиеся как внутри, так и по границам зерен. В последнем случае резко нарушается межкристаллитная прочность, что вызывает красноломкость и снижает пластичность при нормальной температуре.

Методы предотвращения вредного влияния включений сводятся к такому воздействию на сплав, при котором округлые включения выделяются внутри зерен металла. Уменьшение смачиваемости металла жидкими включениями способствует выделению их при затвердевании в виде отдельных округлых включений, а не сплошных пленок. Введение в сплав некоторых добавок помогает уменьшать смачивание. Так, в сталях с пониженным содержанием марганца сера выделяется в виде легкоплавких эвтектических соединений типа Fe-FeS, имеющих очень низкую температуру плавления (985° С). Такие включения располагаемся по границам зерен, ослабляя их связь между собой.

При оптимальном содержании марганца (не менее 0,8%) образуются сульфиды, богатые марганцем, мало растворимые в металле и плохо смачивающие поверхность зерен. Эти включения выделяются в виде отдельных частиц различной формы. Если они дисперсные, то даже являются центрами кристаллизации. Чтобы уменьшить растворимость сульфидов и добиться их выделения внутри зерен, необходимо в полностью раскисленный металл вводить алюминий, цирконий, кальций и другие элементы, дающие сульфиды типа Al2S3, ZrS, CaS. Получающиеся сульфиды не образуют соединений с Fe и FeO, обладают малой растворимостью, рано выделяются, располагаются главным образом внутри зерен, не понижая пластичности стали.

Особо следует отметить неметаллические включения, образующиеся в отливках из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом и известные под названием «черных пятен». Черные пятна видны в изломе отливок из высокопрочного чугуна в виде скоплений и отдельных темных включений черных пленок, резко выделяющихся на фоне светло-серебристого металла. Обнаруживаются эти дефекты главным образом в верхней части (по положению при заливке) отливок.

Черные пятна представляют собой включения, состоящие (Преимущественно из сульфидов и окислов магния, и они образуются в результате взаимодействия магния с серой и кислородом, содержащимися в расплаве. Об этом свидетельствует и химический состав черных пятен, и изменение содержания серы и кислорода после ввода магния. Если в чугуне до ввода магния содержится 0,02% S и 0,004% О, то после ввода магния содержаниеэтих элементов в чугуне составляет соответственно 0,003 и 0,002%.

Для предупреждения образования черных пятен в отливках расплав обрабатывают в ковше после ввода магния солями (криолит, сода), способствующими разжижению и всплыванию включений, применяют литниковые системы, способствующие плавному подводу металла в форму, и ставят выпоры для всплывания включений.

Однако радикальным средством предупреждения образования черных пятен является глубокое обессеривание расплава перед вводом магния. На Горьковском автозаводе при производстве высокопрочного чугуна для коленчатых валов расплав обессеривают в процессе плавки в дуговой основной электропечи путем обработки карбидным шлаком. Содержание серы при этом снижается до 0,003—0,005%. Одновременно снижается и содержание кислорода. В результате после ввода магния в отливках полностью отсутствуют черные пятна.