Неметалічні включення

Неметалі́чні вклю́чення — хімічні сполуки металів з неметалами, що знаходяться в сталі та сплавах у вигляді окремих фаз.

Джерела походження включень

Неметалічні включення з'являються через цілий ряд фізико-хімічних явищ, що проходять у розплавленому та твердому металі в процесі його виробництва.

Усі неметалічні включення, що утворюються в результаті тих чи інших реакцій, що мають місце в процесі виробництва металу, зазвичай називають природними. До них відносять оксиди, сульфіди, нітриди та фосфіди.

Окрім природних включень в металі присутні також частинки шлаку, вогнетривів, матеріалів ливарної форми, тобто ті речовини, з якими метал безпосередньо контактує у виробництві. Такі неметалічні включення називають сторонніми, або випадковими.

Більшу частину включень в металі відновлюваної плавки складають включення, що утворилися в результаті зниження розчинності домішок при охолодженні та затвердінні металу. Окрім природних включень, в металі відновлюваної плавки присутні також сторонні включення.

Сучасний рівень технології виробництва сталі дозволяє значною мірою видалити із металу природні й сторонні включення. Однак їх загальний вміст у різних сталях коливається у широких межах й значно впливає на властивості металу.

Класифікація неметалічних включень

Неметалічні включення розділяються за хімічним та мінералогічним складом, витривалості та походженню. За своїм хімічним складом неметалічні включення поділяються на такі групи:

1. Оксиди (прості — FeO, MnO, Cr₂O₃, SiO₂, Al₂O₃, TiO₂ та інші; складні — FeO·Fe₂O₃, FeO·Al₂O₃, FeO·Cr₂O₃, MgO·Al₂O₃, 2FeO·SiO₂ та інші);
2. Сульфіди (прості — FeS, MnS, Al₂S₃, CaS, MgS, Zr₂S₃ та інші; складні — FeS·FeO, MnS·MnO и др.);
3. Нітриди (прості — ZrN, TiN, AlN, CeN та інші; складні — Nb(C, N), V(c, N) та інші), що зустрічаються у легованих сталях, мають у своєму складі потужні нітридоутворюючі елементи: титан, Алюміній, Ванадій, Церій та інші;
4. Фосфіди (Fe₃P, Fe₂P и др.)

Найбільшу кількість включень у металі складають Оксиди та Сульфіди, бо вміст фосфору низький. Нітриди зазвичай присутні у спеціальних сталях, що містять елементи з високою спорідненістю до азоту.

За мінералогічним складом кисневі включення поділяються на такі основні групи:

1. вільні Оксиди — FeO, MnO, Cr₂O₃, SiO₂ (Кварц), Al₂O₃ (Корунд) та інші;
2. шпінелі — складні Оксиди, що створені дво- та трьовалентними металами. До цієї групи належать ферити, хроміти й алюмінати.
3. силікати, що присутні в сталі у вигляді скла, утворюються за допомогою чистого SiO₂ або SiO₂ із домішками у ньому оксидів заліза, марганцю, хрому, алюмінію, вольфраму, а також кристалічних силікатів. Силікати створюють найбільшу групу неметалічних включень. У рідкій сталі неметалічні включення знаходяться у твердому або рідкому стані в залежності від їх температури плавлення.

За витривалістю неметалічні включення поділяють на стійкі та нестійкі. До нестійких належать включення, що розчиняються у розбавлених кислотах не більш 10%-ної концентрації. Нестійкими є сульфіди заліза й марганцю, а також деякі вільні оксиди.

Сучасний рівень виробництва сталі дозволяє у значній мірі видалити з металу різні включення. Однак загальний їх вміст у різних сталях коливається в широких межах й значно впливає на властивості метала.

Вплив неметалічних включень на властивості сталі та сплавів

Сучасні способи виробництва сталі та сплавів не надають можливості отримати Метал, що не має неметалічних включень. Більша чи менша кількість включень існує у будь-якій сталі відповідно до її складу та умовами виробництва. Звичайно кількість неметалічних включень в сталі не перевищує 0,1%. Однак у зв'язку з їх малими розмірами кількість включень у металі дуже велика.

Неметалічні включення в сталі порушують однорідність її структури, тому їх вплив на механічні та інші властивості може бути значним. При деформації у процесі вальцювання, ковки, штамповки неметалічні включення, особливо неправильної форми з гострими краями та кутами, відіграють роль концентраторів напруги та можуть спричинити створення тріщин, що є осередком наступного руйнування сталі.

Вирішальне значення при вивченні впливу неметалічних включень на якість сталі мають їх властивості: розмір, форма, хімічні та фізичні характеристики, а також характер розташування по відношенню до зерна литого металу. Вказані властивості включень залежать від хімічного складу сталі, методу її виплавки й для заданої марки сталі можуть змінюватись у широких межах навіть для однакового способу її виробництва.

Дотепер для аналізу неметалічних включень розроблені та широко використовуються різні методи, що дозволяють з великою точністю визначити склад, структуру и вміст неметалічних включень у сталі й сплавах як з виділенням їх із металу, так і в твердому металі.

Література

1. А.П. Гуляев. Металловедение. Учебник для ВУЗов. 6-е изд.,перераб. и дополн. – М: «Металлургия», 1986 – 544 с.
2. Н.А. Смирнов. Современные методы анализа и контроля продуктов производства. 2-е изд., дополн. и перераб. – М: «Металлургия», 1985 – 256 с.
3. Лаборатория металлографии/Под ред.Лившица Б.Г. – М: Гос. научно-техн. изд-во лит-ры по черной и цветной металлургии, 1957 – 696 с.

Посилання

• Металург - щотижневик ВАТ «Міттал Стіл Кривий Ріг»
• Метали та сплави: Довідник (рос.)
• Сайт професійного інформаційного товариства металургів (англ.)