шепию к металлу восстановительной, и кислород удаляется из ме талла в шлак,т. е. происходит раскисление. Так как такое раскис ление осуществляется путем диффузии, оно получило название диф фузионного раскисления.
Для диффузионного раскисления необходимо получить низкое содержание FeO в шлаке (менее 1%). Это достигается присадками
вшлак раскислителей (С, Si), восстанавливающих закись железа. Следует, однако, иметь в виду, что при диффузионном раскисле
нии в печи наряду с диффузией кислорода из металла в шлак про исходит диффузия раскислителей в обратном направлении. В ре зультате этого в металле повышается содержание углерода и крем ния и образуются продукты раскисления последним из них.
Диффузия раскислителей в металл имеет решающее значение при выплавке высокоуглеродистых сталей (например ШХ15), когда активность кислорода в металле не больше, чем в шлаке (при 0,3— 0,6% FeO), и он из металла не диффундирует. При выплавке мало углеродистой стали вследствие высокой активности в ней кислорода он диффундирует в восстановительный шлак.
Крупный недостаток диффузионного раскисления заключается
вбольшой продолжительности процесса вследствие медленной диф фузии. Продолжительность диффузионного раскисления превышает 1,5—2 ч, понижая производительность дуговых печей.
Положительная сторона диффузионного раскисления заключается
втом, что во время его проведения раскпслители в металл не при саживают и продукты раскисления образуются в небольшом коли честве лишь вследствие диффузии их из шлака (обычно Si) и пре имущественно в верхних слоях металлической ванны. Но при диф фузионном раскислении не удается достаточно полно удалить кисло род из стали, и в конце плавки приходится дополнительно приме нять глубинное раскисление кремнием и алюминием.
Исследования ряда советских ученых показали, что при глубин ном раскислении в начале восстановительного периода получается сталь, не уступающая по степени очистки от окисиых включений металлу, полученному при диффузионном раскислении. Восстано вительный же шлак необходим для предупреждения вторичного окис ления и для лучшей десульфурации. Такой метод раскисления
получил широкое применение при выплавке конструкционной стали в дуговых печах.
Основной недостаток диффузионного раскисления в печи — очень медленное протекание процесса — может быть устранен при обра ботке стали синтетическим шлаком в ковше. Такая обработка была рассмотрена при изучении процесса внепечной десульфурации. Сле дует лишь добавить, что при использовании упомянутого извест ково-глиноземистого шлака, содержащего не более 0,5% FeO, также происходит диффузионное раскисление металла. Flo вследствие обра зования огромной поверхности контакта металла со шлаком это рас кисление протекает очень быстро и завершается за время опуска ния капель стали через шлак. Содержание кислорода при этом по нижается до 0,003—0,009%.
Для более глубокого раскисления сталь во время обработки шла ком дополнительно раскисляют кремнием, а после обработки алюми нием, присаживаемыми в металл в небольших количествах. Вслед ствие высокого содержания А120 3 в шлаке и низкого содержания FeO алюминий мало окисляется, а иногда даже немного восстанавли вается. Поэтому усвоение присаживаемого в металл алюминия до стигает 100% и более.
Обработка стали в ковше восстановительным известково-глино земистым шлаком, обеспечивающая раскисление и десульфурацию стали, позволяет существенно сократить восстановительный период плавки или по существу отказаться от него.
ОКНСНЫЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ В СТАЛИ
Частицы окислов в большей или меньшей мере остаются в ме талле и, как и сульфиды и нитриды, образуют в стали отдельную фазу неметаллических включений. По происхождению окисные включения можно разделить на экзогенные и эндогенные.
Экзогенные включения вносятся в сталь извне в результате меха нического воздействия металла на футеровку. Так как такие вклю чения обычно бывают крупными, они быстро всплывают в металле и .среди остающихся в стали включений их доля не велика (до
5— 15%).
Основную часть окисных включений в стали составляют эндо генные включения, образующиеся в самом металле в результате из менения термодинамических условий и развития ряда физико-хими ческих процессов, а именно:
1)окисления примесей в окислительный период плавки;
2)раскисления;
3)изменения условий (констант) равновесия с понижением тем пературы;
4)уменьшения растворимости при охлаждении;
5)повышения концентрации в растворе в результате ликвации. Окисные включения, образовавшиеся в результате окисления
примесей, как и попавшие в металл из шихты и футеровки, в окисли тельный период в значительной мере удаляются в шлак и лишь не большая часть их остается в металле. В конце окислительного пери ода содержание окисных включений (А120 3 и S i0 2) обычно не пре вышает 0,002—0,004%.
Основная часть окисных включений в стали образуется в резуль тате раскисления. Следует отметить, что и другие причины образо вания окисных включений в спокойной стали (изменение условий равновесия — уменьшение констант равновесия, растворимости, лик вации) также вызывают взаимодействие кислорода с раскислителями, т. е. образование продуктов раскисления. Следовательно, рас кисление стали происходит не только во время присадки раскислителей, но и после этого вплоть до кристаллизации и на всех стадиях от присадки раскислителей до кристаллизации образуются окисные включения продуктов раскисления.
201
Первичные продукты раскисления образуются вовремя присадки раскпслптелей сообразно с подробно рассмотренными условиями.
Вторичные продукты раскисления образуются во время охлажде ния стали при выпуске, выдержке в ковше и разливке вследствие условий равновесия — изменения констант равновесия и уменьше ния произведения равновесных концентраций раскислителя и кисло рода. Важную роль в образовании окисных включений в этот период играет вторичное окисление стали при контактировании струи с воздухом во время выпуска и разливки.
Третичные продукты раскисления образуются во время кристал лизации, т. е. охлаждения металла в двухфазном состоянии, соответ ствующем области, расположенной на диаграмме состояния между линиями ликвидуса и солпдуса. Причинами их образования яв ляются понижение температуры и соответственно изменение условий (констант) равновесия и, главное, развитие ликвациопиых процес сов, преимущественно кислорода.
Удаление третичных продуктов раскисления вследствие запуты вания их в растущих кристаллах затруднено, а при образовании в междендритных пространствах почти невозможно. Более благо приятны условия удаления первичных и вторичных продуктов рас кисления, образующихся в гомогенной жидкой среде. Но и они частично остаются в металле.
Обычно содержание окисных неметаллических включений в спо
койной стали составляет 0,01—0,03%. В их состав входит 60—90% |
|
А1,03; 2—30% S i0 2; 1— |
10% FeO; 1— 10% МпО. Кроме этих окис |
лов, встречаются Сг20 3, |
MgO и др. |
Обычно окисные включения находятся в твердой стали в виде соединений разных окислов: силикатов, шпинелей и др. В виде чистого окисла часто встречается лишь корунд.
Корунд является «-модификацией глинозема А120 3. На металло графических шлифах при рассмотрении под микроскопом в отражен ном свете кристаллы корунда имеют обычно вид зерен неопределен ной формы или шестиугольников, чаще неправильной формы
(рис. 89, а).
Включения корунда обычно располагаются в виде отдельных дезориентированных гроздьев мелких, не сомкнутых между собой кристаллов. В катаной или кованой стали эти гроздья вытягиваются в направлении деформации металла, образуя строчки (рис. 89, б).
Всвязи с очень высокими твердостью (9 единиц по десятичной шкале)
итемпературой плавления включения корунда при обработке дав лением не деформируются.
Кроме корунда, в стали, раскисленной алюминием, имеются включения шпинели -на основе А120 3. Наиболее часто встречаются включения железной шпинели — герцинита (Fe0-Al20 3) и марган цевой шпинели-галаксита (Мп0-А120 3), образующие непрерывный ряд твердых растворов, а также другие включения систем FeO—
А120 3 и МпО—А120 3. На металлографических шлифах эти вклю чения имеют вид прямоугольных кристаллов правильной кубической формы (рис. 90, а) или треугольников.
202
ские смеси. |
Часто |
они имеют в стали вид сложных конгломератов, |
в которых |
можно |
различить ряд минералов. |
Наиболее часто в стали встречаются включения силикатов железа (2Fe0-Si03 — фаялит) и марганца (2MnO-Si02 — тефроит, MnO -Si02 ■— роданит). На металлографических шлифах они имеют вид глобулей с кристаллами других минералов на поверхности (рис. 91, а); иногда же они располагаются в виде сложных скопле нии (рис. 91, б). При температурах горячей обработки давлением они пластичны и во время прокатки или ковки вытягиваются. Часто встречаются также включения алюмосиликатов, в частности мул лита (ЗА120 3-2S10.,) и силиманита (Al„03-Si02) ромбической и оваль ной формы. Располагаются они преимущественно группами (рис. 91, в). Эти включения непластичны и они не деформируются.
В легированных сталях соответственно наличию тех или иных элементов в состав неметаллических включений могут входить окислы хрома, титана, ванадия и др.
Окпсиые включения оказывают отрицательное влияние на неко торые свойства стали. При обработке давлением скопления окисных включений, а часто и сами включения вытягиваются в направлении течения металла и поэтому оказывают существенное влияние на свойства в поперечном направлении течению металла при ковке пли прокатке. Влияние это является следствием нарушения однород ного напряженного состояния металла и концентрации напряжений возле включений, играющих роль надрезов, особенно при угловатой форме или острых краях. Так как концентрация напряжений вызы вает возникновение объемного напряженного состояния, включения ухудшают свойства металла, характеризующие его пластичность (относительное удлинение и относительное сужение) и ударную вяз кость. Наиболее сильно влияние включений обычно проявляется на ударной вязкости, особо чувствительной к надрезам металла и кон центраторам напряжений. Понижение ударной вязкости, например при наличии строчечных включений в плоскости излома, может до стигать 30—70%.
Строчечные включения могут вызывать расслаивание металла под действием внешних нагрузок. Это вызывает быстрый износ п забраковывание стальных изделий.
Глобулярные окисные включения, расположенные на контактной поверхности, понижают износостойкость и усталостную прочность стали. В условиях быстро меняющихся нагрузок включения выкра шиваются, вызывая откалывание и усиленный износ подшипников, а также их разрушение вследствие резкого падения усталостной проч ности при наличии дефектов поверхности, возле которых концентри руются напряжения и начинается усталостное разрушение.
Окисные включения вызывают возникновение в стали ряда спе
цифических дефектов — пористость, точечную неоднородность, воло совины и др.