Влияние водорода

Для получения стали высокого качества содержание неметаллических  включений должно быть не более 0,005—0,006%,. а для сталей некоторых марок (шарикоподшипниковой и др.) меньше и этих значений. Решающее влияние на технологические и эксплуатационные свойства стали имеет характер образующихся неметаллических включений.

Неметаллические включения  различного типа неравномерно распределены в стальных слитках. Распределение оксидных включений в стальном слитке связано с условиями его кристаллизации или его макроструктурой. В местах дефектов макроструктуры (усадочная рыхлость, осевая пористость) содержание, размеры и площадь включении наибольшие.

2. Специальная часть

Отбор проб для определения  содержания кислорода в жидком металле  во время плавки производится непосредственно из ванны печи специальными закрытыми пробницами, что исключает попадание шлака в них вместе с металлом. Если в пробницу попадает шлак, пробы обычно содержат повышенное количество кислорода. Завышенные результаты получаются также в случае, если пробница наполняется жидким металлом вне печи и раскисление, производят алюминием в ложке или в пробном стаканчике.

Разъемная пробница состоит  из двух симметричных частей. Горловину  пробницы перекрывают медной или латунной пластинкой толщиной 0,25—0,4 мм, расплавляющейся в металле после погружения пробницы в ванну печи. Внутрь пробницы помещают спираль из очищенной алюминиевой проволоки диам.1—1,5 мм. Количество алюминия должно составлять не менее 0,5——0,8% от веса пробы при определении содержания кислорода глиноземным методом, и  0,15—0,25% —при определении методом плавления в вакууме.

Пробницу заклинивают  в кольце с длинной рукояткой. При погружении в ванну рекомендуется пробницу сначала повернуть медной фольгой вниз, а после прохождения слоя шлака повернуть для заполнения металлом. Для отбора проб жидкого металла лучше применять неразъемные  пробницы с полостью в виде усеченного конуса. Вместо металлических пластинок для защиты от попадания шлака пробницы можно накрывать дощечками из сухого дерева, закрепляемыми железной проволокой. В этом случае особенно важно погружать пробницу в перевернутом состоянии и быстро проходить сквозь слой шлака. При погружении холодной пробницы в жидкую сталь в последней возникает реакция С + О = СО, вследствие чего содержание кислорода в металле, затекающем в пробницу, получается несколько уменьшенным.

В момент заполнения пробницы сталью растворенный в ней кислород, взаимодействуя с алюминием, образует глинозем, остающийся в твердой пробе в виде включений. Содержание глинозема может быть определено химическим методом и пересчитано на кислород.

Глиноземный метод определения  кислорода достаточно прост, не требует  сложной аппаратуры и применяется  на заводах для определения содержания кислорода в жидкой стали. Им, однако, нельзя определять содержание кислорода в прокатных изделиях. Метод вакуум-плавления в заводских условиях используется редко, так как применение его связано с дорогостоящей, сложной аппаратурой, которая часто выходит из строя вследствие поломки стеклянных частей.

Существует спектральный метод определения кислорода  в стали. Следует ожидать, что спектральный метод определения кислорода в стали получит широкое распространение в ближайшее время.

Для определения включений  в стали применяются, в основном три  метода: химический, петрографический (микроскопический) и металлографический.

Сущность химического  метода сводится к тому, что образец стали путем электролиза подвергают анодному растворению, а выделенные из металла включения собирают в виде осадка в коллодиевый мешочек или специальный сосуд. Полученный осадок после обработки его соответствующими реактивами анализируют. При массовых определениях для растворения используют медную ванну специальной конструкции. Во время электролиза корпус ванны служит катодом, а медная шина, к которой присоединяют образцы, анодом; в результате электролиза образец растворяется, а включения выпадают. При единичных анализах для растворения образцов применяют стеклянные стаканы. Выделение включений обычно производят из образцов круглого сечения диам. 15—20 мм и длиной 150—120 мм, помещаемых в специальные коллодиевые мешочки.

После окончания электролиза  образцы вместе с коллодиевыми мешочками  выгружают из ванны высушивают, взвешивают и определяют вес растворенного металла. Полученный осадок отмывают от электролита и используют для химического или петрографического анализа, а также для определения общего веса включений.

Вместе с неметаллическими включениями в осадок выпадают гидроокись железа, образующаяся от частичного окисления железа образца, и карбиды, количество которых обычно значительно больше, чем включений, поэтому осадок должен быть предварительно очищен от этих и от других загрязнений.

Для очищения от карбидов осадок последовательно обрабатывают слабыми  растворами различных солей и  кислот. После обработки осадок отфильтровывают через безвольный фильтр, остаток сжигают вместе с фильтром, прокаливают до постоянного веса и окончательно взвешивают на микровесах. Полученный вес характеризует общее количество включений в стали. Химический состав осадка исследуется (микрохимическим или  полумикрохимическим методом.

При разрушении карбидов растворяется и часть окисных включений, так  как многие из них неустойчивы  против действия даже слабых кислот, поэтому  при очищении осадка подобные включения  разрушаются полностью или частично, что искажает результаты анализа.

К результатам химического  анализа неметаллических включений, выделенных электролитическим методом, надо подходить критически, так как этот анализ не дает представления об истинном составе включений, находящихся в металле. Кроме того, химический метод анализа не может дать сведений о форме включений, их распределении в металле, способности деформироваться и других характеристиках, иногда более важных для металлургов, чем состав включений.

Частично эти сведения можно получить, исследуя очищенный  осадок с небольшим количеством воды под микроскопом. Сначала в проходящем (обычном) свете отмечают все имеющиеся виды включений, описывают их форму, цвет и прозрачность, а затем при окрещенных николях и при вращении столика микроскопа наблюдают наличие эффекта анизотропии у каждого вида включений и устанавливают их показатель преломления. Для исследования используют поляризационный микроскоп. Исследование производит на часовом стекле.

Наблюдение под микроскопом  позволяет установить изменение  частиц выделенных включений под действием различных реагентов, определить форму и размер включений, а иногда и их состав. Применяя петрографический метод исследования в комплексе с, металлографическим можно получить более полную характеристику включений, содержащихся в металле.

Металлографическое исследование включений производят на металлмикроскопах. Характеристику включений определяют на полированных шлифах литого или деформированного металла в светлом поле зрения, темном поле зрения и поляризованном свете.

Если такое исследование оказывается недостаточным, то определяют микротвердость включений и используют метод последовательного травления их различными реактивами три комнатной температуре или при нагревании (тепловое травление). Шлифы для исследования должны изготавливаться тщательно во избежание выкрашивания включений из плоскости шлифа. Полированная поверхность шлифа не должна иметь рисок, загрязнений и других следов шлифовки.

Металлографический метод  исследования  позволяет быстро определить форму, размеры и распределение включений без выделения их из металла, т. е. в естественном виде. Этим методом можно определить количество включений с распределением их по типам. При большом увеличении можно обнаружить мельчайшие включения, которые могут остаться незамеченными при других методах исследования. Металлографический метод менее сложен и требует меньше времени, чем другие, и поэтому удобен в производственных условиях для массового контроля качества металла.

Существует несколько  упрощенных методов количественного  определения включений металлографическим способом, которые сводятся в одном  случае к подсчету включений на нетравленом шлифе в определенном количестве полей зрения микроскопа, а в другом к сравнению загрязненности шлифа включениями с эталонными шкалами.

Сущность метода подсчета заключается в том, что на определенной площади нетравленого шлифа при стократном увеличении микроскопа подсчитывают общее количество включений и определяют их размеры. В зависимости от размера поперечного сечения включений их относят к различным группам, подсчитывают общую площадь .включений и, принимая, что все включения распределены в металле равномерно, находят процентное содержание включений. Отношение удельного веса стали к среднему удельному весу включений принимают равным 3. По этому методу определяют общее содержание включений без деления их на отдельные виды. Для получения достаточной для практики точности необходимо производить определение не менее чем в двадцати точках площади каждого шлифа на 10—12 образцах от плавки.

Сущность метода количественного  определения включений по эталонным  шкалам заключается в том, что  загрязненность каждого места всей площади шлифа, охватываемой полем зрения микроскопа, сравнивают с эталонами стандартной шкалы, составленной из разных видов включений, и выражают в баллах этой шкалы. Для определения загрязненности стали этим методом существуют три способа: 1) способ максимального балла, 2) способ оценки всей площади шлифа по точкам, охватываемым полем зрения микроскопа, 3) способ среднего балла.

Способ максимального  балла заключается в том, что  на шлифе отыскивают наиболее загрязненное каждым видам включений место, охватываемое одним полем зрения микроскопа, и оценивают его в баллах шкалы.

При этом способе оценкой  загрязненности стали является наличие  или отсутствие на просмотренных шлифах включений, оцениваемых баллом, условно допустимым по каждому виду включений в отдельности; никаких численных (весовых) характеристик загрязненности металла не дается.

Метод оценки всей площади  шлифа по точкам, охватываемым полем  зрениия микроскопа заключается в том, что всю площадь шлифа последовательно просматривают по точкам и каждую точку оценивают в баллах эталонной шкалы. Обычно просматривают не  менее 10 шлифов с 5000 полями зрения. О загрязненности металла этим способом судят по процентному содержанию каждого встретившегося балла во всех просмотренных полях зрения. Этот метод дает более полное представление о загрязненности металла включениями, чем предыдущий, но он длителен и требует тщательного выполнения, а поэтому не применим для массового контроля в заводских условиях. По методу среднего балла оценка загрязненности образца производится путем сравнения наиболее загрязненного поля зрения шлифа со стандартной шкалой при увеличении в 100 раз.

Заключение

Весьма неблагоприятное влияние  на свойства сталей оказывает кислород. Отмечено снижение свариваемости низколегированных сталей, содержащих более 0,003-0,004% кислорода, увеличение их хрупкости и склонности к старению вследствие большого числа оксидных включений.

Долговечность подшипников, например, в результате снижения содержания в металле кислорода может быть повышена в несколько раз.

 Увеличение содержания кислорода  в металле при плавке необходимо  для осуществления окисления  примесей, но в уже готовой стали кислород является вредной примесью, потому что понижает механические свойства стали.

Раскисление, как заключительный этап выплавки стали является решающим для обеспечения высокого качества стального слитка.

Количество, химический состав и форма  неметаллических включений, характер расплавления их в металлической матрице непосредственно связаны с технологией раскисления. Загрязненность стали неметаллическими включениями получается примерно одинаковой при раскислении ее как в печи, так и в ковше.

 Раскисление в ковше предпочтительнее  в отношении экономии ферросплавов, повышения производительности сталеплавильного  агрегата, снижения общего содержания газов в металле. Кислород обычно связан в неметаллические включения.

Неметаллические включения в стали  являются источником многих пороков. Они  значительно снижают пластичность металла (особенно в поперечных образцах), уменьшают усталостную прочность, ухудшают электротехнические свойства трансформаторной стали, являются причиной образования волосовин, поверхностных пузырей, раковин, плен, трещин и расслоений в листовой стали.

Повышенная загрязненность стали  неметаллическими включениями является источником аварий и прежде временного выхода из строя ряда деталей машин. Поэтому очистка стали от неметаллических  включений является важнейшей проблемой повышения качества всей металлопродукции. Решение этой проблемы достигается повышением чистоты исходных шихтовых материалов для выплавки стали особенно по содержанию серы и фосфора; применением наиболее сильных и комплексных раскислителей, защитой металла от вторичного окисления, использованием различных видов внепечной обработки и рафинирующих переплавов.

В заключение необходимо отметить, что  борьбу с вредными примесями в  стали в основном проводят при выплавке стали. Уменьшение содержания вредных примесей в стали требует зачастую немалых затрат для осуществления определенных технологических приемов и применения специальных методов выплавки.