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 пepвую очередь относятся, например, оксиды FeO, сульфиды FeS и MnS в стали и оксиды СuО и СuО₂ 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 неметаллических 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 пленообразующих 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.