Неметаллические включения в готовом металле
Неметаллические включения, обнаруживаемые в исследуемых образцах готового металла, даже в чистой системе Fe-O-R (где R – элемент-раскислитель), представляют собой зафиксированные кристаллизацией металла и его последующим охлаждением продукты раскисления металла на различных этапах самого этого процесса и следующих за ним процессов изменения химического состава, размеров и формы образовавшихся оксидных продуктов:
1. Встречного массопереноса атомов 0 и R в металле и химического взаимодействия раскислителя и кислорода;
2. Зарождения и укрупнения теми или иными путями продуктов раскисления - отдельной фазы оксидов в металле;
3. Всплывания включений в металле под влиянием тех или иных сил;
4. Проникновения включений через пограничный слой на поверхности радела металл-шлак и ассимиляция их шлаком.
В промышленных условиях форма, количество и размер включений определяются также скоростью кристаллизации металла, развитием в нем ликвационных явлений, изменением константы равновесия реакции взаимодействия О-R и энергией активации этого процесса. На рисунке 48 представлен один из примеров зафиксированного развития всех выше перечисленных процессов для случая раскисления металла кремнием, исследовавшимся в работах [132, 155]. Однако, важно отметить, что подобные очень трудоемкие и сложные исследования имеют в основном научный, и в меньшей мере практический интерес, поскольку:
1. В подавляющем большинстве случаев эксплуатационные свойства сталей определяются не относительными количествами и размерами неметаллических включений различной крупности, а их физическими свойствами (физическим согласием или несогласием их с окружающим металлом). К таким свойствам относятся твердость, прочность, коэффициент термического расширения включений и т.д., определяемых в свою очередь химическим составом включений;
2. Весьма важно то, что на практике часто наблюдаются не простые, а многофазные неметаллические включения, образуемые путем отложения на поверхности уже имеющихся первичных докристаллизационных включений, выделяемых позднее кристализационных, например, сульфидных включений;
3. Огромное значение имеет и то, что в современных условиях сталь представляет собой весьма сложный по составу сплав, компоненты которого в форме оксидов, сульфидов, нитридов и т.д. входят в состав многокомпонентных, а часто и многофазных неметаллических включений.
В связи с этим, в современных условиях, имея в виду весьма сложные и разнообразные требования, предъявляемые к готовому металлу, можно говорить о тех или иных рекомендациях по технологи раскисления стали лишь с учетом всех перечисленных выше обстоятельств. Наибольшее значение из них имеет то обстоятельство, что большинство раскислителей одновременно являются и хорошими десульфураторами.
По данным работы [156], изотермы равновесных концентраций R и S имеют как и в случае концентраций кислорода в системе Fe-R-O, экстремальные для каждого десульфуратора значения [S]min (см. рис. 49).
Как и для случая изотерм равновесия в системе Fe-R-O, экстремальный ход кривых равновесных концентраций в системе Fe-R-S объясняется изменением коэффициента активности серы и параметра взаимодействия ее с десульфуратором R при изменении концентрации [R],отличающимся от соответствующего изменения концентраций [S] и [R]. Однако, полученные в работе [156] результаты нуждаются в уточнениях, например, в части изотерм для бора, кремния и алюминия.
Сульфиды большинства из ныне применяемых десульфураторов значительно лучше растворимы в жидком металле по сравнению с оксидами тех же металлов. В большинстве случаев выделение сульфидов или оксидосульфидов из раствора в отдельную фазу происходит уже при прохождении металлом температурного интервала между ликвидус и солидус. Поэтому во многих исследованиях зафиксировано присутствие на поверхности оксидных неметаллических включений сульфидной оболочки. Примером этого может служить зафиксированное с помощью рентгеновского микрозонда распределение Zr, Mn и S во включениях, наблюдаемых в сталях, раскисленных цирконием [158]
В связи со сказанным выше, можно согласиться с рядом исследователей, считающих, что применение щелочноземельных, редкоземельных металлов и других "сильных раскислителей" целесообразно осуществлять таким образом, чтобы эти элементы в меньшей степени расходовались непосредственно на раскисление стали. С этим успешно справляется и алюминий. Вышеуказанные дорогие, а иногда и малораспространенные элементы должны в большей степени расходоваться на взаимодействие с серой и другими вредными элементами и на создание включений, наименее вредных для служебных свойств металла, что часто называют "модифицированием" самих неметаллических включений [125].
В течение ряда лет после Второй Мировой войны в CCCP и ряде других стран выполнено огромное количество исследовательских работ, посвященных проблеме достижения состава, физических свойств и формы неметаллических включений, наименее вредных для служебных свойств металла. Естественно, что невозможно дать общие решения для металла различного химического состава, разного назначения и выплавленного разными методами и поэтому подробно этот вопрос не будет рассматриваться. В литературе довольно часто встречаются утверждения, что "модифицирование" неметаллических включений должно быть тесно увязано с классическими представлениями о вводе в металл тех или иных элементов, как микролегирующих элементов и как модификаторов самого металла. Во многих работах подчеркивается, что оптимальное соотношение концентрации вводимого, облагораживающего сталь элемента и концентрации наиболее вредного для служебных свойств стали элемента, чаще всего, серы, различно для разных металлов. Оно часто определяется простым стехиометрическим соотношением, присущим для того или иного сульфида вводимого элемента. Например, для многих углеродистых и низколегированных сталей, предназначенных для фасонного литья и модифицируемых редкоземельными элементами, оптимальным считается соотношение суммарных весовых концентраций :
=1,5¸2,5.
В специальной литературе имеется много аналогичных примеров, которые хорошо обоснованы и иллюстрируются микрофотографиями и описаниями неметаллических включения. Все эти примеры относятся к сталям определенного химического состава, определенного назначения и предназначенных для вполне определенной пластической и термической обработки.
В последние годы металлурги все чаще применяют новые микролегирующие элементы и их комбинации, в том числе щелочноземельные (барий, стронций), редкоземельные (иттрий, неодим, празеодим) и ряд нитридообразующих элементов (ванадий, титан, цирконий и др.). Применение этих элементов имеет цель не только понизить растворимость, а значит и остаточные концентрации в твердом растворе в готовой стали вредных элементов (кислорода, серы, азота и т.д.), но также и совершенствование природы неметаллических включений. Последовательность и размеры отдельных присадок при производстве сталей различных назначений весьма разнообразны и часто даже труднообъяснимы. Поэтому сейчас не представляется возможным вывести общие законы и рекомендации по методике и порядкам раскисления сталей различных назначений, выплавляемых в различных сталеплавильных агрегатах. В заводской практике оптимальные решения для каждого конкретного случая обычно находятся опытным, часто очень дорогостоящим и длительным, путем. Поэтому до сих пор при производстве сталей ответственных назначений большое значение имеет опыт, накопленный тем или иным заводом. Обстоятельный научный анализ накопленного опыта позволяет, как правило, внести упрощения усовершенствования и уточнения в технологию производства той или иной марки стали.
ГЛАВА 5
ГАЗЫ В СТАЛИ