Вплив неметалевих включень на властивості та структуру сталі

Воденнікова Оксана Сергіївна

канд. техн. наук, доцент Запорізький національний університет

ТЕХНІЧНІ НАУКИ (Металургія)

 Вплив неметалевих включень на властивості та структуру сталі

На сьогодні одним з головних показників якості металу та відповідно якості готової продукції є вміст в них неметалевих включень, при чому значний вплив має не тільки кількість включень, але і їх природа та хімічний склад. Знаючи хімічно-мінералогічний склад неметалевих включень та механізм їх утворення, можна більш грамотно прогнозовано управляти процесами формування включень, науково обґрунтовано проводити технологічні процеси плавки та розкислення металу [1].

Неметалеві включення приймають участь в усіх структурних та фахових змін в сталях при термомеханічному впливі. Для практичних умов часто важливим є дотримання малою забрудненості сталі включеннями, а отримання включень, які мінімально впливають на технологічні та механічні властивості сталі [2].

Особливу увагу звертає роль дрібнодисперсних неметалевих включень в процесі формування мікроструктури сталі в рідкому та твердому станах. Показано, що вплив дрібнодисперсних неметалевих включень на формування первинної та вторинної мікроструктури сталі обумовлений їх взаємодією в рідкому металевому розплаві з кластерами, а також дією як зародків кристалізації та інгібіторів росту первинних кристалів [3].

Неметалеві включення істотно знижують технологічні та механічні властивості сталей, сприяючи утворення різного роду дефектів. Одним із шляхів рішення важливого завдання підвищення міцності та пластичних властивостей сталей є зменшення забрудненості неметалевими включеннями, зниження їх розмірів і забезпечення їх рівномірного розподілу. В процесі різних впливів в неметалевих включеннях відбуваються різного роду фазові та структурні перебудови, що сприяє зміні розмірів включень, їх фазового і структурного стану і безумовно впливає на локальні зони сталевої матриці поблизу неметалевих включень. Характер цих змін можуть істотно змінити адгезійні зв’язки на міжфазних межах включення-матриця [4].

Проблема контролю неметалевих включень заснована передусім на оцінці не тільки загальної кількості включень, а і впливі критичного розміру включень та оцінці впливу складу і розподілу включень за розмірами [5].

Однією з невирішених проблем теорії металургійних процесів залишається надійний розрахунок маси, розмірів та складу неметалевих включень в сталі. Існує великий масив експериментальних даних по цій тематиці, проте наявні теоретичні розробки можуть претендувати лише на рішення окремих аспектів проблеми для небагатьох класів неметалевих включень [6]. Так у роботах [7, 8] приведено огляд систем неметалевих включень FeO-MnO-SiO₂-Al₂O₃, які найбільше зустрічаються в практиці сталеплавильного виробництва.

У роботі [4] проаналізовано процеси руйнування сталей поблизу неметалевих включень та обговорюються особливості будови включень як фаз впровадження та їх вплив на виникнення термічних і деформаційних напружень. Автором показано вплив природи неметалевих включень на механізм утворення мікроруйнування в сталях при різних умовах деформації, а також в активних середовищах.

На основі методу хімічних потенціалів Гіббса у роботі [9] отримано термодинамічні співвідношення, що описують зародження та зростання неметалевих включень в сталі.

Вплив неметалевих включень на властивості, структуру різних видів сталей описано в роботах [10–12]. Зокрема вплив морфології неметалічних включень на руйнування високоміцної корозійностійкої сталі проведено в роботі [13]. У роботі [14] розглянуто умови зменшення вмісту неметалевих включень (оксидних та сульфідних) в корозійностійкій азотовмісній сталі. Авторами робити [15] запропоновано заходи для зменшення розмірів та кількості неметалевих включень в кордовій сталі. Ними використана методика оцінки неметалевих включень запропонована в роботі [16], при чому одним з критеріїв оцінки є доля площі, яку займають неметалеві включення.

Оцінка великих одиночних неметалевих включень в сталі за допомогою статистики екстремальних значень приведена у роботі [17]. Авторами розглянуто сучасні методи металографічної оцінки неметалевих включень в колісних сталях. Показано, що великі поодинокі неметалеві включення не можуть бути оцінені використовуваними в даний час в промисловості стереологічними методами при аналізі тільки однієї площини шліфа. Для оцінки таких включень в стандарті ASTM E 2283 запропоновано досліджувати чотири різні площини шліфа, а отримані результати обробляти за допомогою математичного апарату статистики екстремальних значень.

Аналіз впливу неметалевих включень у вигляді корунду на механічні та технологічні властивості сталі показує суперечливий характер досліджень. Так автори роботи [18] стверджують, що включення корунду погіршують технологічні властивості сталі, особливо якщо вони утворюють скупчення. А в роботі [2] зазначено, що корунд не робить негативного впливу на технологічну пластичність, а навпаки, навіть підвищує її, тоді як тріщини зароджуються зазвичай у силікатів.

У роботі [19] розглядаються механізми руйнування сталі під час різних операцій механічної обробки та поведінка різних неметалевих включень в зоні різання. Авторами розглянуто вплив хімічного складу, розміру, кількості та морфології неметалевих включень на фактори оброблюваності (зокрема зношування ріжучого інструменту, потужності, що споживається, та інших). Також розглядаються деякі методи модифікації неметалевих включень в рідкій сталі для досягнення бажаного балансу між механічними властивостями та оброблюваністю різних марок сталі.

Саме тому залишається актуальним питання розширення досліджень в області вивчення впливу неметалевих включень на фізико-хімічні властивості та структуру сталі.

Список використаних джерел:

1. Лунёв В.В. Природа неметаллических включений и свойства метала. Неметалеві вкраплення і гази у ливарних сплавах : збірник тез ХІІІ міжнародної науково-технічної конференції (Запоріжжя, 9–12 жовтня 2012 р.). Запоріжжя: ЗНТУ, 2012. С. 7–8.
2. Бельченко Г.И., Губенко С.И. Неметаллические включения и качество стали. Киев: Техніка, 168 с.
3. Титова Т.М., Полетаев В.П., Бешкенадзе М.С. Роль неметаллических

включений в стали. Неметалеві вкраплення і гази у ливарних сплавах: збірник тез ХІІІ міжнародної науково-технічної конференції (Запоріжжя, 9–12 жовтня 2012 р.). Запоріжжя : ЗНТУ, 2012. С. 19–20.

4. Губенко С. Неметаллические включения и прочность сталей. Физические основы прочности сталей. Palmarium Academic Publishing. 2015. 468с.
5. Григорович К.В., Красовский П.В., Трушникова А.С. Анализ неметаллических включений – основа контроля качества стали и сплавов. Анатилика и контроль. Т 6. №2. С. 133–142.
6. Харченко А.В., Синяков Р.В. Физико-химические закономерности формирования неметаллических включений в стали. Металургія. 2017. Вип. 1 (37). С. 17–23.
7. Kiessling R., Lange N. Non-metallic Inclusions in Steel. Parts I-IV. London : The Institute of Metals, 465 p.
8. Kiessling R., Pickering F. B. Non-metallic Inclusions in Steel. Part V. London: The Institute of Metals, 208 p.
9. Харченко А.В., Синяков Р.В. Термодинамика неметаллических включений в стали. Металлургическая и горнорудная промышленность. № 3. С. 15–21.
10. Влияние неметаллических включений в низколегированной углеродистой стали на ресурс трудоброводов АЭС/ Л. С. Ожигов и др. Вопросы атомной науки и техники. №4 (110). С. 59–64.
11. Серов Г.В., Комиссаров А.А., Тихонов С.М., Сидорова Е.П., Кушнерев И.В., Мишнев П.А., Кузнецов Д.В. Влияние раскисления на состав неметаллических включений низколегированной стали. Новые огнеупоры.

№12. С. 3-8.

12. Сычков А. Б., Жигарев М. А., Перчаткин А. В., Грицаенко В. И. Неметаллические включения в высокоуглеродистой стали. Литье и металлургия. №4. С. 7482.
13. Влияние морфологии неметаллических включений на разрушение перспективной высокопрочной коррозионностойкой стали 04Х20Н6Г11М2АФБ

/ Л. А. Смирнов и др. Чёрная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2020. №76(4). С. 372–381.

14. Крылов С. А., Щербаков А. И., Макаров А. А., Тонышева О. А. Снижение содержания неметаллическиъх включений в коррозионностойкой

азотсодержащей стали. Труды ВИАМ. 2017. №5(53). С. 3–13.

15. Вплив технологічних чинників на утворення неметалевих включень вуглецевої сталі та технологічні рекомендації по зниженню їх кількості/ Л.В. Камкіна та ін. Сучасні проблеми металургії. № 17. С. 106–115.
16. Губенко С.И., Парусов В. В., Деревянченко И. В. Неметаллические включения в стали. Днепропетровск: Арт-прес, 536 с.
17. Казаков А. А., Житенев А. И., Салынова М. А. Оценка крупных одиночных неметаллических включений в стали с помощью статистики экстремальных значений. Черные металлы. №11. С. 70–74.
18. Шпис Х. И. Поведение неметаллических включений в стали при кристаллизации и деформации. Пер. с нем. Москва: Металлургия, 125 с.
19. Ånmark N., Karasev A., Jönsson P.G. The Effect of Different Non-Metallic Inclusions on the Machinability of Materials. 2015. vol. 8(2). pp. 751–783.