Большее или меньшее количество включений существует в любой стали в соответствии с её составом и условиями производства. Обычно количество неметаллических включений в стали не превышает 0,1 %. Однако в связи с их малыми размерами число включений, в целом, очень велико.

Неметаллические включения в стали являются инородными телами, нарушающими однородность её структуры, поэтому их влияние на механические и другие свойства может быть значительным. При деформации в процессе прокатки, ковки, при локальных местных нагрузках неметаллические включения, особенно неправильной формы с острыми краями и углами, играют роль концентраторов напряжения и могут вызвать образование трещин, являющиеся в последующем очагом разрушения стали. Крайне негативное влияние оказывают неметаллические включения на ударную вязкость стали.

Решающее значение при изучении влияния неметаллических включений на качество стали имеют их свойства: размер, форма, природа, а также характер их расположения.

Анализ причин выхода из строя деталей из конструкционных марок сталей показывает, что одним из определяющих факторов, влияющих на надежность и долговечность литых деталей, является концентрация вредных примесей как растворенных в стали, так и находящихся в виде неметаллических включений. Поэтому актуальной задачей в настоящее время является совершенствование существующих и создание новых марок сталей путем ввода в их состав элементов, обеспечивающих очищение от вредных примесей, позволяющих управлять структурой и природой неметаллических включений с целью улучшения физико – механических и служебных свойств литых изделий.

Одним из эффективных путей повышения качества стали и чугуна является обработка их активными металлами. В связи с этим в последние годы за рубежом и в Казахстане широкое развитие получили модифицирование и легирование стали кальций- и барий-содержащими сплавами [1, 2]. Если сплавы с кальцием применяют широко и продолжительное время [3, 4], то влияние сплавов с барием на свойства и микроструктуру сталей изучено недостаточно.

Казахстан обладает достаточными запасами баритовых руд, которые по свойствам, химическому составу и запасам могут служить надежной рудной базой для промышленного производства баритовых сплавов.

Сравнение физико-химических свойств бария и кальция позволяют предположить, что воздействие бария на жидкий металл должно быть более эффективным, и, следовательно, более сильным должно быть его влияние на формирование микроструктуры и свойств сплава после кристаллизации.

Основная цель исследования – изучение влияния введения ферросиликобария на металлургическое качество стали, в частности на количество и распределение неметаллических включений.

Ферросиликобарий – это ферросплав, содержащий 57–60 % Si, 15–22 % Ba, остальное – Fe. В данной работе для металлографического исследования использовались образцы, изготовленные из стали 45ХЛ при модифицировании ферросиликобарием марки ФС65Ба15. Сплав был получен по технологии, разработанной в Химико-металлургическом институте им. Абишева (Караганда, Казахстан) [5, 6].

Сталь 45ХЛ используется для изготовления литых деталей, работающих в условиях ударных нагрузок и абразивного износа, в частности для изготовления звездочек ленточных конвейеров для транспортировки угля и горных пород. В соответствии с условиями эксплуатации сталь должна обладать хорошим комплексом прочности, твердости, износостойкости и ударной вязкости. Последний показатель особенно сильно зависит от количества и характера распределения неметаллических включений в стали.

Плавку опытных образцов проводили в печи Таммана, ферросиликобарий вводили за несколько минут до окончания плавки. Дополнительное раскисление стали осуществляли алюминием. После охлаждения из полученных образцов изготавливались стандартные металлографические шлифы. В качестве эталона использовался образец стали 45ХЛ, раскисленной марганцем, кремнием и алюминием.

Неметаллические включения, их форму и характер распределения изучались согласно общепринятым методикам, индекс загрязненности определяли по формуле [7]:

(1)

где b – цена деления окулярной шкалы при данном увеличении в мкм;

a_i – среднее значение размеров включений в делениях окулярной шкалы;

m_i – количество включений данной группы;

l – длина подсчета в мкм.

Природу неметаллических включений определяли методом рентгенофазового анализа. Результаты проведенных исследований показаны в табл. 1.

Как видно из данных табл. 1 и рис. 1, минимальный индекс загрязненности неметаллическими включениям и максимальное значение ударной вязкости присутствуют для образцов, модифицированных 0,1–0,2 % ферросиликобарием.

В сталях, раскисленных обычными способами, основная часть включений (более 60 %) располагается па границах зерен [2]. Это приводит к тому, что границы зерен сами по себе являющиеся дефектной составляющей, т.к. на этих участках скапливается повышенное число дислокаций, становятся концентраторами напряжений в силу повышенного содержания неметаллических включений. Модифицирование ферросиликобарием приводит к росту доли включений в осях дендритов и очищению границ литого зерна. При оптимальных присадках лигатуры с барием на границах литых зерен остается около 35 % включений.

Исследования природы неметаллических включений показали, что в стали при всех вариантах модифицирования присутствуют сульфиды, комплексные фазы типа оксисульфидов, силикаты и корунд. С добавлением ферросиликобария включения приобретают округлую форму и более равномерное распределение по матрице сплава (рис. 2).

Таблица 1

Влияние модифицирования на распределение неметаллических включений

Примечание. Числитель – абсолютные значения, знаменатель относительный процент.

Логично предположить, что изменение характера распределения неметаллических включений приведет к некоторому изменению механических свойств. С этой целью были измерены предел прочности и ударная вязкость стали. В качестве образцов использовались сплавы согласно табл. 1. Образцы были подвергнуты упрочняющей термообработке, состоящей из закалки (840 °, масло) и высокого отпуска (550 °С, воздух). Испытания на предел прочности, ударную вязкость и твердость проводили согласно соответствующим ГОСТам. Полученные данные приведены в табл. 2.

Таблица 2

Механические свойства стали, раскисленной ферросиликобарием, после улучшения

Заключение

Как видно из данных (табл. 2, рис. 3) прочностные свойства стали – эталона и стали, модифицированной ферросиликобарием, различаются незначительно. Влияние модифицирования проявляется на изменении ударной вязкости: во всех образцах ударная вязкость выше, чем в эталоне, при этом для образцов с минимальным индексом загрязненности (образцы 3 и 4) ударная вязкость возрастает на 30 % и 42 % соответственно. Это достаточно легко объясняется, если учитывать, что влияние неметаллических включений особенно велико на ударную вязкость [3].

Механизм влияния ферросиликобария при модифицирования им стали на распределение неметаллических включений и, следовательно, на свойства представляется следующим образом [8]. При введении в сталь ферросиликобария частицы сплава после расплавления вступают в активное взаимодействие с основным металлом. Надо учесть, что железо и кремний растворяются в стали, оставшиеся частицы нерастворимого бария имеют высокую химическую активность и вступают во взаимодействие с кислородом и другими элементами. При этом значительно снижается межфазное натяжение, что может привести к самодиспергированию частиц Ва до весьма малых размеров, вплоть до наночастиц.

В результате указанных процессов в стали на весьма короткое время, равное времени пребывания в ней Ва, образуется высокодисперсная самоорганизующаяся система из частиц Ва, поведение которой и определяет характер протекания процессов модифицирования. Именно возникновение огромного множества микро- и наночастиц Ва в металлическом расплаве при локальном характере введения модификаторов позволяет объяснить и понять возможность осуществления изменения микростроения и свойств всего объема жидкой стали, которые в дальнейшем скажутся на изменении свойств готовых изделий.

Атомы или наночастицы бария в металле и при выходе на границу металл-шлак соединяются с адсорбированными поверхностно-активными металлоидами (О, S и Р) и в виде соединений ВаО, BaS, Ва3, Р2 переходят в шлак. В силу малых размеров они легко поглощаются шлаком, способствуя снижению содержания кислорода, серы и фосфора в стали [8].

Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что использование ферросиликобария в качестве раскислителя и модификатора уменьшает индекс загрязненности неметаллическими включениями и повышает ударную вязкость.

Его введение приводит к повышению пластических свойств металлической матрицы и более благоприятному виду неметаллических включений, что должно способствовать повышению эксплуатационной стойкости стали в целом.