Металлургические дефекты

Металлургические дефекты образуются при выплавке слитков и литье деталей.

Усадочная раковина - представляет собой полость, образовавшуюся вследствие уменьшения объема жидкого металла при его затвердевании. Внутренняя поверхность усадочной раковины неровная, с мелкими выступами и впадинами. В открытой раковине поверхность покрыта пленкой оксидов вследствие контакта металла с воздухом. В усадочной раковине скапливаются металлические включения, всплывающие из жидкого металла на его поверхность. Причина образования усадочной раковины - уменьшение объема металла при затвердевании. При разливке стали в изложницы, расширяющейся кверху, усадочная раковина образуется в центре верхней части слитка, а при разливке в изложницы, расширяющиеся книзу - в нижней части слитка.

При электрошлаковом, вакуумно-дуговом и электронно-лучевом переплавах усадочную раковину выводят в верхнюю часть слитка. Усадочная раковина при этих процессах менее развита, чем при разливке металла в изложницы.

Пузыри в литом металле представляют собой полости (округлые, овальные или продолговатые - в виде каналов), образовавшиеся в результате выделения газов при кристаллизации.

По расположению в слитках и литых слябах пузыри могут быть: а)внутренние, расположенные произвольно; б) подкорковые, расположенные у поверхности слитков и представляющие собой тонкие извилистые каналы; в) поверхностные.

Внутренние пузыри могут быть единичными, сдвоенными или строенными. Поверхность пузырей гладкая, блестящая. В пузырях встречаются неметаллические фазы; они заполняют определенные участки пузыря или отлагаются на его стенках.

Горячая деформация приводит к завариванию пузырей в том случае, если стенки их не содержат стойких оксидов иди силикатов. Если же в пузырях присутствуют силикатное стекло или другие стойкие оксиды, не растворяющиеся в металле при высокотемпературной деформации, то стенки пузыря сближаются и образуется прослойка оксидов. На поперечных шлифах незаварившиеся пузыри имеют вид полосок различной толщины (рис. 3.2.4). В микроструктуре в этом случае наблюдаются прослойки включений, соответствующие стенкам пузырей.

Газовые пузыри в литом металле образуются вследствие выделения газов (оксидов углерода, азота, водорода, монооксида кремния) в период кристаллизации, поскольку их раствори­мость в твердом металле значительно меньше, чем в жидком. Пузыри газа, возникающие в объеме металла, всплывают или частично фиксируются в затвердевающем металле.

Возникновение подкорковых пузырей связано чаще всего с недостаточным раскислением металла в процессе выплавки. К образованию подкорковых пузырей также может привести повышенное содержание влаги в защитной шлакообразующей смеси, завороты окисленной корки.

Выделение газов из жидкого металла с образованием поверхностных пузырей может происходить по двум причинам:

1) высокая концентрация растворенного в металле кислорода или азота;

2) поступление газов из внешних источников (выгорание смазки изложниц, неудовлетворительная очистка изложниц, использование влажных изложниц, завороты корки).

Корочки представляют собой участки металла, загрязненные неметаллическими включениями, располагаются в объеме слитков или у поверхности. Могут быть темными или светлыми.

Темная корочка - дефект макроструктуры, представляющий собой участки различной формы, характеризующиеся плохой полируемостью и повышенной травимостью из-за наличия неметаллических включений и повышенного содержания примесей (серы, фосфора). Темные корочки образуются следующим образом: корочки, опускаясь с поверхности жидкого металла, становятся "ловушками" для всплывающих включений. На нижней поверхности таких корок обнаруживается слой неметаллических включений. Если потонувшая корочка успевает расплавиться, в месте ее расположения обнаруживается зона скопления включений. Эффективный способ обнаружения корочек в заготовке - 100%-ный ультразвуковой контроль.

Светлая корочка - дефект макроструктуры нижней части слитка; имеет вид светлых полос, сопровождающихся неметаллическими включениями. Формирование светлых корочек связано с перерывами в разливке (металл успевает окислиться и загустеть, а следующие порции жидкого металла проталкивают его в тело слитка) и с медленной разливкой металла, имеющего низкую температуру.

Межкристаллитные трещины представляют собой тонкие нарушения сплошности, образующиеся по границам кристаллитов при низкой прочности этих границ. Пониженная прочность границ часто связана с присутствием на них прослоек неметаллической фазы и ликватов. Располагаются межкристаллитные трещины и прослойки преимущественно в осевой зоне слитков, а иногда и по всему сечению слитков. В результате деформации с большой степенью обжатия межкристаллитные трещины при небольшом их развитии могут частично завариваться (или полностью).

Причиной образования межкристаллитных трещин являются усадочные напряжения (термические и структурные) в участках металла, затвердевающего в последнюю очередь при малой прочности связи между кристаллитами, которая особенно резко проявляется в присутствии на их границах неметаллической фазы. Межкристаллитные трещины могут возникать при температуре конца затвердевания. При дальнейшем охлаждении усадочные напряжения, особенно структурные, могут приводить к развитию образовавшихся трещин или вызывать появление новых.

В жаропрочных сталях и сплавах трещины могут появляться в интервале температур дисперсионного твердения. В сталях мартенситного класса межкристаллитные трещины могут развиваться при температурах мартенситного превращения или при последующем хранении металла.

Трещины горячие (кристаллизационные) - извилистые, окисленные разрывы металла более широкие у поверхности и сужающиеся вглубь, образовавшиеся в период кристаллизации металла вследствие действия растягивающих напряжений, превышающих прочность наружных слоев слитка.

В поперечных макрошлифах трещины имеют извилистый, прерывистый ступенчатый характер и располагаются в междендритных промежутках - как бы состоят из нескольких разрывов, являющихся продолжением друг друга в глубину слитка и разделенных перемычками из металла. Продольные раскатанные трещины - это узкие продольные разрывы металла с плотно сжатыми стенками и редкими ступеньками. Поперечные и наклонные раскатанные трещины представляют собой грубые разрывы поперечной ориентации, часто языкообразной формы, сопровождающиеся иногда пленами.

В поперечном сечении дефекты имеют характерную форму: широкие у поверхности, суживаются вглубь, стенки полостей извилистые. Концы полостей могут иметь несколько ответвлений, постепенно утончающихся.

В изделиях из ферритоперлитных, перлитных и мартенситных сталей вокруг дефектов наблюдается ярко выраженная структурная неоднородность, массивное обезуглероживание у поверхности с плавным переходом к нормальной структуре, ликвация легкоплавких компонентов на концах ферритных дорожек.

Образование трещин предопределяет многочисленные технологические факторы, одновременно вызывающие понижение механической прочности первичной корочки и увеличение разрывающих усилий в момент образования трещин: - перегрев жидкого металла; - повышенная скорость разливки металла; - повышенное содержание серы; - пониженная теплопроводность металла; - повышенная способность затвердевающего металла к линейной усадке.

Трещины представляют собой нарушения сплошности в виде разрывов металла. Образование трещин в непрерывном слитке связано с напряжениями, возникающими в процессе его формирования, и обусловлено пониженной прочностью и пластичностью металла в различных температурных интервалах. При формировании непрерывного слитка могут возникать различного вида напряжения - термические, усадочные, адгезионные - как результат действия различных механических нагрузок, вызванных трением в кристаллизаторе, обжатием валков, разгибом слитков на радиальных установках, многократными фазовыми превращениями в определенных участках. На поперечных темплетах слитков трещины выявляются в виде отдельных широких скоплений.

В процессе прокатки непрерывно-литых заготовок с внутренними трещинами несплошности могут устраняться; химическая же неоднородность, сопровождающая трещины, проявляется в виде участков повышенной травимости. При прокатке образуются трещины искажения. В материале деталей трещины, образующиеся при литье, могут распространяться по извилистой и ветвящейся траектории, на отдельных участках могут наблюдаться уширенные полости, заполненные продуктами окисления. Материал деталей по краям берегов литейных трещин обеднен легирующими элементами в результате высокотемпературного окисления, происходящего в процессе охлаждения металла и термической обработки.

Плевы - пленки на поверхности или внутри отливки, состоящие из окислов, часто с включением формовочного материала. Плены в отливках возникают в результате того, что при заполнении формы составляющие расплава вступают в химическую реакцию с атмосферой и материалом формы, а из продуктов реакции на поверхности расплава образуется тугоплавкая и плотная пленка. При механическом разрушении этой пленки в процессе заливки отдельные куски ее оседают в различных местах формы.

Литейные подрезы - дефекты литья в виде углублений в местах конструктивных концентраторов напряжений. Образование литейных подрезов связано с недостаточной жидкотекучестью металла в процессе литья из-за понижения температуры.

В процессе литья слитков или деталей могут образовываться дефекты типа рыхлоты (скоплений усадочных пор), появляющиеся в результате уменьшения объема металла при затвердевании. Такие дефекты представляют собой несплошности материала неопределенных очертаний и имеют прерывистый или непрерывный характер.

Ликвация представляет собой неоднородность сплавов по составу, образующуюся при их затвердевании. Ликвацией называется также процесс создания такой неоднородности. Различают дендритную и зональную ликвации. Дендритная ликвация - неоднородность по составу осей и межосных участков в объеме дендрита. Зональная ликвация - неоднородность по составу различных зон слитков.

Появление дендритной ликвации обусловлено наличием легирующих элементов, которые увеличивают температурный интервал кристаллизации и способствуют неравновесной кристаллизации. После проката и ковки получаются волокна, вытянутые вдоль направления деформации. Некоторые механические свойства поперек волокна оказываются ниже, чем вдоль, что обусловлено наличием вдоль прокатки неметаллических включений (анизотропия механических свойств). Для уменьшения дендритной ликвации применяется диффузионный отжиг перед прокаткой при температуре до 1200 ⁰С.

Формирование осей дендритов первого порядка при направленном теплоотводе приводит к обогащению расплава легкоплавкими примесями, вследствие чего в конце зоны столбчатых кристаллов, где развиты оси первого порядка, накапливаются примеси (сера, углерод, кислород, фосфор). Таким образом, создается зональная ликвация.

Границы ликвационных зон при приложении внешних нагрузок могут явиться концентраторами напряжений, что обеспечивает зарождение и рост трещин. Газовая ликвация - характерный дефект слитка кипящей стали, представляющий собой участки структурной и химической неоднородности в виде стреловидной ликвации - каналов в зоне наружной корочки и сегрегационных пятен у внутренних концов сотовых пузырей.

Участки газовой ликвации в пузырях загрязнены неметаллическими включениями, главным образом сульфидами и оксисулъфидами в виде отдельных групп и цепочек и тонких пленок, располагающихся по межосным участкам, обусловливая иногда границу ликвационного участка.

Точечно-пятнистая неоднородность типична для высоколегированных жаропрочных сталей и сплавов представляет собой локальные участки, обогащенные ликвирующими примесями в виде избыточных фаз.

Точечно-пятнистая неоднородность образуется вследствие дендритной ликвации сплавов в период их кристаллизации в области равноосных кристаллов, где ликвация имеет наибольшее развитие. Обусловлено это тем, что формирование межосных участков в рассматриваемой области происходит в условиях замедленного охлаждения с резко выраженной разделительной диффузией, приводящей к значительному обогащению межосных участков углеродом, азотом, кислородом, бором, серой и некоторыми легирующими элементами (W, Мо, Сr). В этих участках образуются избыточные фазы: карбиды, карбонитриды, бориды, сульфиды и т.п.

Ликвационный квадрат (круг) - дефект, выявляющийся в поперечных макрошлифах деформированного металла; представляет собой структурную неоднородность в виде различно травящихся зон, контуры которых повторяют форму слитка (рис. 10.1). Причина образования ликвационного квадрата - зональная ликвация в сочетании с дендритной. Примеси (фосфор, кислород, сера и др.) оттесняются к концу зоны столбчатых кристаллов, обогащая слой жидкого металла, расположенный за этой зоной.

Инородные металлические включения отличаются по составу и структуре от основного металла и попадают в него из внешних источников, которые могут быть весьма разнообразными: ферросплавы и лигатуры, затонувшие куски прутков или маркировочных дужек, куски электродов.

Рис. 10.1. Ликвация

Маркировочные дужки попадают в слиток из прибыльной части: в случае раннего погружения дужки в металл, высокой температуры металла и шлака концы дужки подплавляются и погружаются в тело слитка, захватывая с собой и шлак.

Инородные металлические включения обнаруживаются при контроле микроструктуры или при ультразвуковом контроле.

Неметаллические включения (загрязнения) бывают двоякого рода происхождения: включения неметаллических частиц, попавших в металл извне (шлак, огнеупор, графит, песок); включения частиц окислов, сульфидов, силикатов, нитридов, образующихся внутри металла вследствие химического взаимодействия компонентов при расплавлении и заливке сплава.

Они располагаются в виде цепочек или сетки преимущественно по границам зерен; по форме бывают округлые и удлиненные; могут служить источниками зарождения трещин. При деформации в местах протяженных строчек включений образуются микротрещины, которые при слиянии формируют несплошность, а при выходе на поверхность - надрывы.

На рис. 10.2 приведен пример вытянутых вдоль направления прокатки строчечных включений сульфидов марганца и железа.

Рис. 10.2. Сульфиды

В деформированном металле загрязнения вытягиваются вдоль направления деформации и образуют нитевидные дефекты, называемые волосовинами. Волосовины могут быть в виде сплошных или прерывистых строчек, иметь различную длину (от 1 до 100 мм и более). Длина волосовин зависит от степени деформации и размера загрязнения. В прутках стали волосовины наиболее часто встречаются в поверхностной зоне и в осевой зоне равноосных кристаллов.

Флокены представляют собой в изломе пятна, а в поперечном сечнии - трещины, образующиеся вследствие структурных напряжений в металле, насыщенном водородом, а также в процессе охлаждения стали при горячей деформации, быстром охлаждении от 200 до 20⁰С. Водород, определяющий флокеночувствителъность металла, попадает в него преимущественно в процессе выплавки. При быстром охлаждении металла водород не успевает продиффундировать из него и создает в холодном состоянии большие внутренние напряжения. Устраняются горячей обработкой давлением на меньший размер (завариваются). В литом металле встречаются редко (в усадочных раковинах), преимущественно в конструкционных сталях с высоким содержанием легирующих элементов (рис. 10.3).

Рис. 10.3. Флокены

Шлаковые включения - неметаллические оксидные включения округлой формы, расположенные в теле отливки или на ее поверхности. Обнаруживаются внешним осмотром и рентгеноструктурным анализом.

Причины возникновения: - применение не очищенных от масла и коррозии шихтовых материалов; - недостаточное рафинирование расплава; - малое время выстаивания расплава после рафинирования; - плохая промывка и очистка разливочного ковша; - повышенная склонность расплава к окислению; - турбулентное (завихренное) поступление метала в форму и его вспенивание; - падение металла в форму; - прерывание струи металла при заливке.

Газовые раковины - полости округлой формы диаметром 1...3 мм и более с гладкой блестящей поверхностью. Располагаются в теле отливки отдельными включениями или гнездами. При литье магниевых сплавов наружные раковины имеют окисленную поверхность серого иле черного цвета, при взаимодействии металла с серой раковины имеют желтую окраску. При литье тяжелых цветных металлов раковины часто располагаются под коркой металла (подкорковые раковины) и обнаруживаются при обработке резанием.

Причины возникновения: - низкая газопроницаемость формы и стержней; - повышенное содержание газотворных веществ или посторонних включений в формовочной и стержневой смесях и кокильной краске; - высокая влажность формы и стержней; - захват воздуха при заливке, большая скорость потока сплава в форме; - недостаточная вентиляция кокиля; - плохая обработка холодильников; - избыточность припыливания струи металла серой (при литье магниевых сплавов); - плохо раскисленный и насыщенный водородом и серой металл (при литье оловянных, высокосвинцовистых и других бронз и никелевых сплавов); - местное скопление защитных присадок в формовочных смесях

Газоусадочная пористость образуется по следующим причинам: - повышенная газонасыщенность сплава; - недостаточное питание отливки; - повышенная влажность формы; - недостаточная просушка стержней и кокильной краски; - завышенная температура заливаемого сплава. В зависимости от скорости охлаждения отливки бывает центральная (рис. 10.4) и общая пористость (рис. 10.5).

Коробление - искажение геометрии и конфигурации отливки. Обнаруживается после остывания отливки в форме, выбивки и заварки.

Причины возникновения: - неравномерное охлаждение и усадка отдельных частей отливки, вызывающие появление внутренних напряжений, которые превосходят предел текучести металла; - малая жесткость конструкции отливки; - неправильная укладка деталей при термической обработке; - низкая температура охлаждающей среды; - неравномерный нагрев отливки при заварке дефектов.

Рис. 10.4. Центральная пористость Рис. 10.5. Общая пористость