Природа неметаллических включений в судостроительных марках сталей.
Казаков А.А., Ковалёв В.П., Малахов Н.В., Милейковский А.Б.

Сборник докладов Литейного консилиума №2 «Теория и практика металлургических процессов при производстве отливок из чёрных сплавов» - Челябинск: Челябинский Дом печати, 2007 - с. 132.

Целью настоящей работы является оптимизация технологии раскисления листовой стали судостроительного сортамента для обеспечения высокой пластичности в Z-направлении путем снижения загрязненности стали неметаллическими включениями. Для осуществления поставленной цели были проведены металлографические и микрорентгеноспектральные исследования образцов металла, обработанного по различным схемам раскисления и испытанных на растяжение в Z-направлении. Было установлено, что количество, тип и морфология неметаллических включений, обнаруженных в сталях, выплавленных по различным технологиям, отличаются друг от друга.

Результаты исследования показали, что в образцах из сталей, выплавленных по технологии “без перелива”, в областях, непосредственно прилегающих к месту разрушения, были обнаружены крупные скопления неметаллических включений различного состава и морфологии, причем размер отдельных включений достигал 70 мкм, а их объемное содержание в зоне разрушения превышало 1%. Более того, для исследованных образцов металла характерно крайне неравномерное распределение включений в металлической матрице, расположенных в виде скоплений, конгломератов и строчек. Полости, образованные вокруг включений, послужили источниками зарождения микротрещин при деформации в процессе испытаний и привели к разрушению металла. Металлографический и микрорентгеноспектральный анализ позволил идентифицировать продукты раскисления и другие включения следующих типов.

• гексаалюминат (CaO·6Al₂O₃) и биалюминат (CaO·2Al₂O₃) кальция. Эти включения представляют собой темно-серые рыхлые округлые включения размером до 70 мкм, пропитанные сталью, которые на плоских шлифах выглядят как металлические прослойки. Механизм образования таких бедных по кальцию пористых продуктов раскисления, заполненных сталью, состоит в следующем. В окрестности введения кальций бурно реагирует с растворенным в стали кислородом и оставшимися от предварительного раскисления корундовыми включениями с образованием соответствующих алюминатов кальция. Скопления алюминатов кальция коагулируют, спекаясь в конгломерат. Видимо, адгезия частиц алюминатов кальция к расплаву достаточно велика и соизмерима с когезией включений между собой, поэтому полного спекания конгломерата алюминатов не происходит и сталь не вытесняется из несплошностей между отдельными частицами, а в готовом металле мы обнаруживаем ее в виде металлических прослоек.
• включения сульфидов марганца (MnS) были обнаружены как в виде глобулей, так и в виде вытянутых цепочек по границам литого зерна. Последние, судя по морфологии, образовались на конечных стадиях затвердевания дендритной ячейки. Как было показано экспериментальными исследованиями, в изученных образцах были обнаружены обширные, втрое большие, чем сами включения, округлые зоны повышенного содержания серы вокруг включений. Эти зоны легко идентифицируются, как области повышенной травимости при металлографических исследованиях на оптическом микроскопе и выделяются характерным рельефом при исследовании в отраженных электронах. Присутствие в стали бедных по кальцию алюминатов, сульфидов марганца, а также сегрегационных областей вокруг этих включений является свидетельством того, что применяемая схема раскисления не может обеспечить необходимые концентрации кальция в растворе, что приводит к образованию неблагоприятных по морфологии и плохо удаляемых из стали неметаллических включений.
• включения магнезиальной шпинели (MgO·Al₂O₃), встречающиеся двух типов: мелкие (до 10 мкм) кристаллики правильной октаэдрической формы, выстраивающиеся в строчки при деформации, а также более крупные включения размером от 15 до 25 мкм, имеющие менее правильную форму. Такие включения присутствуют в виде крупных самостоятельных выделений, а более мелкие могут входить в состав многофазных глобулярных включений, являясь подложкой, на которой на более поздних этапах раскисления выделяются гексаалюминаты или биалюминаты кальция. Происхождение магнезиальной шпинели может иметь как эндогенную, так и экзогенную природу. Эндогенная природа этих включений связана с процессами восстановления оксида магния из футеровки алюминием, экзогенная – с отрывом частиц от магнезитовых огнеупоров, контактирующих с жидкой сталью
• включения системы FeO-Al₂O₃. Данный тип включений представляет собой продукты раскисления стали алюминием. Как показали результаты термодинамического моделирования, в процессе раскисления стали алюминием в виду неравномерного распределения алюминия и кислорода в объеме металла происходит образование не только корунда (Al₂O₃), но и включений системы FeO-Al₂O₃. Действительно, на некотором расстоянии от зоны растворения алюминия в стали, где все еще остается небольшое количество алюминия, а переокисленность метала все еще достаточно высока в соответствии с термодинамическими расчетами, образуются жидкие включения герценита - FeO·Al₂O₃. Эти включения, попадая в зоны раскисленной стали, частично восстанавливаются, поэтому в готовом металле мы наблюдаем весь спектр составов от чистого корунда до герценита.
• включения системы FeO-SiO₂, имеющие экзогенную природу образования и попавшие в сталь в результате взаимодействия с футеровкой или литниковой системой.

В образцах из стали выплавленной по технологии “с переливом”, которая включает полное отсечение печного шлака, предварительное раскисление металла ферросилицием и алюминием, а также модифицирование силикокальцием в виде порошковой проволоки, в зонах, непосредственно прилегающих к областям разрушения, были обнаружены лишь одиночные, равномерно распределенные неметаллические включения размером от 3 до 30 мкм. Также для этих образцов характерно практически полное отсутствие полостей и трещин в районе включений, что является следствием их благоприятной морфологии и размера, а также высокой адгезии по отношению к металлу. Объемное содержание неметаллических включений в районе разрушения по ASTM E 1245-03 составило 0,01% (об.). По результатам микрорентгеноспектрального анализа было установлено, что основная масса включений представляет собой эквимольные алюминаты кальция и сульфиды кальция. Эти включения имеющие, как правило, сферическую форму, образовались в результате модифицирования продуктов раскисления силикокальцием, причем при температуре внепечной обработки они были жидкими, что позволило им скоагулировать и практически полностью удалиться из расплава.

Таким образом, исходя из состава и количества, обнаруженных в стали неметаллических включений, можно утверждать, что применяющаяся в настоящее время технология выплавки стали “с переливом” обеспечивает достаточно полное усвоение вводимого силикокальция и позволяет существенно повысить эффективность воздействия кальция на морфологию включений, что инициировало образованию благоприятных по форме и легко удаляемые эквимольных алюминатов кальция, а также сульфидов кальция, которые связали серу. Использование новой технологии раскисления стали “с переливом” позволило не только сократить расход алюминия с 2,95 кг/тонну до 1,32 кг/тонну, но и снизить брак по пластическим свойства в Z- направлении с 33,3% до 3,35%.

Здесь представлена статья:

Казаков А.А., Ковалёв В.П., Малахов Н.В., Милейковский А.Б. Природа неметаллических включений в судостроительных марках сталей. - Сб.докладов Литейного консилиума №2 «Теория и практика металлургических процессов при производстве отливок из чёрных сплавов» - Челябинск: Челябинский Дом печати, 2007 - с. 132.

[на главную] | [новости] | [конференция] | [книги] | [статьи] | [патенты] | [вопрос-ответ] | [экология] | [персоны] | [предприятия] | [выставки] | [справочник] | [ссылки] | [реклама] | [галерея] | [форум] | [контакты]