Неметаллические включения

 

Понятия о неметаллических включениях

Неметаллические включения можно разделить на две группы: включения, которые образуются  внутри расплавленного или  твердого сплава в результате реакций, которые протекают между компонентами сплава, и включения, которые попадают в сплав в виде флюсов, шлаков, частей  футеровки и других загрязнений.  Неметаллические включения, отлагаясь по границам зерен, могут энергично реагировать с газами, ухудшать структуру сплавов и сильно снижать их физико-механические свойства. Их присутствие понижает ударную вязкость, износостойкость, усталостную прочность, пластичность,  коррозионную стойкость,  жаростойкость, жаропрочность и т.д.  Во многих случаях неметаллические включения в отливках служат  причиной их поломки.

В последнее время для исследования источников загрязнения сплавов неметаллическими включениями применяют радиоактивные  изотопы. С помощью радиоактивных изотопов было установлено, что во время выпуска стали из печи содержание осадков за счет  окисления увеличивается на 35-40%. Доля посторонних включений, вносимых футеровкой ковша и желоба, зависит от качества огнеупоров:  так,  шамотная футеровка ковша вносит  включений 4,6%; каолинитовая – 2,7%; высокоглиноземистая – 1,5%. Соответственно шамотная футеровка желоба вносит включений 0,4%, каолинитовая – 0,7%, а высокоглиноземистая – 0, 0%.

По величине неметалличекие включения можно разделить на два вида: микровключения, обнаруживаемые в шлифе под  микроскопом при увеличении в 50-1500 раз, и макровключения,  которые различают в изломе или на поверхности отливки или на полированной поверхности невооруженным глазом либо при помощи лупы.

Источниками засорения сплава неметаллическими включениями в основном являются продукты реакций,  которые  протекают в  результате  взаимодействия расплавленного сплава с печными газами и металлоидами; продукты, получающиеся в результате  взаимодействия флюсов, шлаков,  раскислителей и футеровки печей, а также  в результате взаимодействия сплава с футеровкой ковша и с материалами литейной формы.

Образующиеся неметаллические включения могут  растворяться в жидком сплаве и не растворяться в твердом сплаве. Такие неметаллические  включения при охлаждении сплава в момент его  затвердевания выделяются из сплава.

Форма неметаллических включений в сплавах в большой степени  зависит от температуры плавления. Неметаллические включения, имеющие более низкую температуру плавления,  чем температура  плавления сплава, лучше коагулируется и могут оставаться в затвердевшем металле в шаровидной форме.

Неметаллические включения,  которые имею  температуру плавления более высокую, чем температура плавления сплава,  выделяются в твердом состоянии и имеют беспорядочную форму с остроугольными краями, иногда в виде развитого кристалла.

К такого рода включениям относятся силикаты, чистый сернистый марганец, глинозем и другие.

Чем выше растворимость неметаллических включений в сплаве, тем труднее бороться с ними при охлаждении и затвердевании сплава.  Для борьбы с растворяющимися в сплаве  неметаллическими включениями необходимо знать закономерности изменения  растворимости этих веществ в сплаве при понижении температуры. Исследованиями установлено, что неметаллические вещества, выделяющиеся из сплава в последний момент затвердевания, располагаются по  границам зерен и ослабляют связь между ними.

Вещества, нерастворимые в сплавах, выделяются из сплава задолго до затвердевания; в этом случае они располагаются внутри  зерен или кристаллических образований.

Температура плавления и удельный вес наиболее широко встречающихся неметаллических включений приведены в таблице.

температура плавления и и удельный вес наиболее распространенных неметаллических включений

   При литье сплавов неметаллические включения должны иметь температуру плавления ниже, чем температура плавления данного сплава.

Основные неметаллические включения в различных литейных сплавах

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. Окислы: железа Fe O, Fe 2O2. Fe 2O4, марганца MnO, титана TiO2. Хрома Cr2O2, никеля NiO, ванадия V2O2, алюминия Al2O2. Кремния SiO2, магния MgO и  другие. Сернистые соединения6 сернистый марганец MnS, сернистое железо FeS, возможны сернистые соединения: Al2S2, MgS; ZrS; CaS. Силикаты железа – FeSiO2,  Fe2SiO4, марганца – MnSiO2. Mn1SiO4, FeO-Al2O3-SiO2 и MnO-Al2O2-SiO2; фосфиды железа – Fe3P; нитриды : TiN;ZrN;VN;Si3N4;BN и др.

Для чугунных отливок, в зависимости от состава и способа выплавления чугуна характерны следующие неметаллические включения:  сернистое железо FeS; сернистый марганец MnS; окислы железа FeO; Fe2O3; Fe3O4; окись кремния SiO2; окись марганца MnO и др. Кроме того, могут быть окислы,  которые попадают из флюсов, футеровки и формовочных материалов: CaO, MgO, SiO2, Al2O3 и др.

В легированных чугунах в качестве неметаллических включений могут быть окислы 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, и отливки не выдерживают  гидравлического или  воздушного давления.  Природа «черных пятен» пока недостаточно изучена, исследования этих включений показывают,  что они представляют собой  сложные соединения, обогащенные магнием и серой, имеют небольшой удельный вес и всплывают в верхние части отливки.

Для получения отливок без «черных пятен»  рекомендуется производить заливку форм чугуном с  температурой не ниже 1300-1320ᴼ, давать выдержку металла, разливать чугун стопорными ковшами, а также обрабатывать чугун обезвоженным хлористым  натрием (0,3-06% веса жидкого металла).

 

В медных сплавах неметаллические включения могут быть в  виде закиси меди Cu2O; окиси цинка ZnO; окиси фосфора P2O5; окиси олова SnO2; окиси алюминия Al2O3; окислов железа FeO; Fe2O3; Fe2O4; окислов марганца MnO; окиси кремния SiO2; окиси свинца PbO  и др.

Различные окислы образуются во время плавки, однако исходные  материалы могут также вносить в сплав неметаллические включения.

В сплавах на основе алюминия особое  внимание обращают на  окислы алюминия, которые образуются при окислении  алюминия  во время плавки. Кроме окислов алюминия, в этих  сплавах могут  находиться и другие неметаллические включения, образовавшиеся  от окисления компонентов алюминиевого сплава; SiO2; CaO; ZnO; Fe2O3; MgO; TiO2  и др.

В магниевых сплавах основное внимание обращают на окись магния,  которая может оставаться в отливках в качестве  неметаллических включений. Наряду с окисью магния могут быть и лругие неметаллические включения,  которые образуются от окисления компонентов сплава: Al2O3, MnO, ZnO, SiO2. CaO, Fe2O3 и др.

Кроме включений, образующихся в цветных сплавах от окисления компонентов сплава,  неметаллические включения могут  образовываться при взаимодействии флюсов и модификаторов с расплавленными сплавами.

Определение и исследование неметаллических включений в сплавах производятся с помощью металлографического или химического анализа. В последнее время для исследования характера  расположения неметаллических включений в отливках стали применять радиоактивные изотопы.

Методы  борьбы с неметаллическими включениями в отливках

Главное внимание при борьбе с неметаллическими включениями направлено на  очищение жидкого  сплава от  этих включений и  на предохранение жидкого сплава во время плавки и разливки от  попадания в него неметаллических включений.

Исходные материалы и особенно машинный лом и отходы литейного производства должны тщательно очищаться от ржавчины и пригоревшего песка.

Во время плавки необходимо сплавы предохранять от  сильного  окисления печными газами и очищать  расплавленный металл от неметаллических включений.

В практике для удаления неметаллических включений применяют следующие методы.

Раскисление

При раскислении неметаллические включения становятся нерастворяющимися. Это дает возможность удалять включения из сплава  задолго до его затвердевания. Поэтому подбираются такие раскислители, которые дают продукты раскисления, не растворяющиеся в металле. Особенно эффективно действуют раскислители, которые дают газообразные продукты раскисления, как, например, магний в чугуне и стали, фосфор в медных сплавах и хлористый алюминий в алюминиевых сплавах.

Отстаивание сплавов

Этот метод наиболее простой и широко применяется в литейной практике для удаления неметаллических включений. Его эффективность зависит от  температуры перегрева сплава, от величины частичек неметаллических включений и от их  удельного веса. Скорость всплытия неметаллических включений пропорциональна квадрату радиуса частичек и разности  удельных  весов сплава и неметаллических включений и обратно пропорциональна вязкости сплава. Отсюда во время выстаивания необходимо создавать  благоприятные условия для коалесценции  неметаллических частиц. В этом отношении в отдельных случаях хорошие результаты дают встряхивание и вибрация жидкого сплава.

Метод отстаивания имеет тот недостаток, что требует перегрева сплава и времени доля выдержки перед заливкой. Последнее не  всегда выполнимо, так как температура сплава при выдержке его  в ковшах быстро снижается. Кроме того, сплавы, в которых неметаллические включения находятся в дисперсном состоянии, слабо очищаются от неметаллических включений при выстаивании.

Флотация

Флотационный метод основан на том, что неметаллические включения, обладая способностью прилипать в жидком сплаве к газовым пузырькам, всплывают в шлак. Так, например, при  плавке стали для удаления включений используют при окислении углерода  образующуюся в ванне окись углерода.  В отдельных случаях применяют раскислители, дающие газообразные продукты, или продувают сплавы активными и нейтральными газами. Последнее широко применяется при плавке алюминиевых сплавов.

Флюсование

   Этот метод состоит в том, что неметаллические включения растворяют во флюсе или сплавляют с ним и переводят их в шлак. Применение тех или иных методов флюсования зависит  от характера подлежащих удалению неметаллических включений. Эти включения могут растворяться во флюсах, находящихся на поверхности сплава, — верхнее флюсование – или осаждаться на дно тигля – нижнее флюсование. В отдельных случаях флюсы вводятся в сплав по всей его массе. Для удаления включений, которые  легче  сплава,  флюсы должны быть более легкими и облегчать  всплывание  их на поверхность; для удаления более тяжелых включений, чем сплав, флюсы должны быть также более тяжелыми, чтобы  осаждать эти включения на дно тигля.

Во время заливки необходимо предохранять сплавы от попадания шлаков и других  посторонних неметаллических включений. Для этой цели разливка ведется стопорными или другими специальными ковшами. Кроме того, в литниковой системе устраивают специальные  шлакоуловители.

Источник: Литейные сплавы П.П. Жевтунов.