Неметаллические включения и плены в сплавах

Неметаллические включения в сплавах представляют собой главным образом химические соединения металлов с кислородом, серой, азотом и другие неизбежные неметаллические примеси, как, например, шлаковые и песчаные включения.

Неметаллические включения ухудшают качество металла, так как в процессе эксплуатации могут служить очагами разрушения. Предельное содержание включений регламентируется техническими условиями. Чувствительность сплавов к неметаллическим включениям неодинакова. Например, в сталях чистота по неметаллическим включениям является одним из основных условий получения качественного металла. Чугуны же со своей структурой мало чувствительны к неметаллическим включениям.

По характеру происхождения неметаллические включения делятся на две группы: эндогенные и экзогенные. Эндогенные неметаллические включения образуются в сплаве в результате химического взаимодействия его компонентов с кислородом и азотом из атмосферы, с серой, являющейся примесью сплава, с футеровкой печи. Экзогенные включения представляют собой

продукты эрозии огнеупоров, литейной формы, а также шлаковые частицы. В первую группу входят главным образом (до 9/10 всех включений) оксиды, нитриды, сульфиды, во вторую – сложные оксиды металлов и неметаллических элементов, силициды и некоторые другие соединения. В некоторых случаях экзогенные включения вступают в химические реакции с металлом и превращаются в эндогенные.

Экзогенные включения можно отличить по их неправильной угловатой форме, большим размерам и сложной структуре.

Неметаллические включения делятся также на растворимые в основе сплава в жидком состоянии и нерастворимые (малорастворимые).

Растворимые включения формируются в качестве самостоятельной фазы только в процессе кристаллизации. К ним в первую очередь относятся, например, оксиды FeO, сульфиды FeS и MnS в стали и оксиды СиО и Cu0₂ и сульфиды Cu₂S и CuS в медных сплавах. Растворимые включения (например, сульфиды в стали) располагаются по границам зерен и существенно изменяются в зависимости от условий кристаллизации: при увеличении скорости кристаллизации уменьшается их размер и объемная доля, что можно объяснить следующим. При быстром охлаждении диффузия в жидкой фазе не успевает выровнять состав вблизи границ зерен. Кроме того, происходит измельчение самого зерна.

Нерастворимые включения, к которым относятся оксиды практически всех металлов, а также сульфиды магния, формируются в процессе плавки. При увеличении скорости кристаллизации в широком диапазоне они не изменяют своих размеров и объемной доли. Только при затвердевании очень крупных слитков наблюдается тенденция к их укрупнению. Нерастворимые включения имеют в большинстве случаев кристаллическую и глобулярную форму и располагаются в структуре сплава сравнительно равномерно.

Размеры неметаллических включений колеблются от нескольких миллиметров до долей микрометра. Различают макровключения (свыше 1 мм) и микровключения (до 1 мм).

В каждой группе литейных сплавов встречаются различные неметаллические включения, которые необходимо удалять из сплава. Естественно, что элементарные вещества, сплавляясь между собой, могут образовывать весьма сложные соединения.

Для литейных углеродистых и легированных сталей характерны следующие неметаллические включения: оксиды, сернистые соединения, силикаты, фосфиды, нитриды и др.

Для чугунных отливок в зависимости от состава и способа плавки чугуна характерными являются такие неметаллические включения, как сернистое железо, сернистый марганец, оксиды железа, кремния, марганца и др. В легированных чугунах в качестве неме-

таллических включений могут быть оксиды легирующих элементов и их соединений с другими веществами. В производстве высокопрочного чугуна встречаются неметаллические включения в виде «черных пятен», которые сильно снижают механические свойства этого чугуна, понижают его плотность. Такие отливки не выдерживают гидравлического или воздушного давления. Эти включения представляют собой сложные соединения, обогащенные магнием и серой, имеют небольшую плотность и всплывают в верхние части отливки.

В цветных сплавах кроме оксидов компонентов сплава неметаллические включения могут образовываться при взаимодействии флюсов и модификаторов с расплавленными сплавами.

Массовая доля кислорода, а следовательно, и оксидных включений характеризуется следующими данными, %: сталь – 0,01 ...0,03, чугун – 0,002...0,006; бронза – 0,08...0,15. Доля сульфидных включений в железных сплавах равна или больше доли оксидов.

Неметаллическая фаза в сплавах на основе алюминия и магния представлена в основном оксидами, имеющими форму плен. В сталях плены встречаются в больших количествах, когда металл содержит легирующие добавки элементов, образующих устойчивые оксиды, – хром, алюминий, титан. При заливке пленообразую-щих сплавов обеспечивается плавное заполнение, поэтому применяется расширяющаяся литниковая система. Для определения неметаллических включений используются химический, металлографический, рентгеноструктурный, ультразвуковой и другие методы.

При химическом методе образцы сплава растворяются в слабых кислотах, часто с наложением постоянного тока, а включения остаются в растворе в виде осадка и отделяются от него фильтрацией. Осадок изучают под микроскопом, а для определения его состава используют методы микрохимического анализа. К сожалению, при выделении часть включений, особенно сульфидных, разрушается.

При металлографическом методе неметаллические включения изучаются на шлифах. Оценку доли содержания включений ведут либо при просмотре определенного числа полей с последующим их сравнением с эталонами, либо сплошным обмером всех включений, находящихся на определенной площади. При обмере определяют диаметр каждого включения и их число. По результатам обмеров вычисляют средний процент площади, занятой включениями на шлифе.

Для предотвращения образования или уменьшения содержания неметаллических включений в отливках разработаны специальные мероприятия; отстаивание жидкого металла, продувка инертными газами, обработка флюсами, фильтрация через огнеупорные фильтры, задержание шлака в каналах литниковой системы и т.п.