неметаллические включения

[nonmetalic inclusions] — инородные образования в жидких и твёрдых металлах и сплавах — химические соединения металлов с неметаллами. Неметаллические включения классифицируют по химическому, минералогическому составу, происхождению. По химическому составу неметаллические включения подразделяют на: алюминатные (основная составляющая — Аl₂O₃); карбидные (Fe₃C, Мn₃С, Cr,С₂); карбонитридные [Ti(C,N), Nb(C,N)]; нитридные (TiN, AlN, ZrN, Cr₂N); оксидные (FeO, MnO, Cr₂O₃, SiO₂, Al₂O₃, MgO); силикатные (2СаО • SiO₂, 2MnO-SiO₂); сульфидные (FeS, MnS, CaS); оксисульфидные (MnS • MnO, FeS • FeO, CaS • FeO); фосфидные (Fe₃P, Mn,P₂).
По происхождению неметаллические включения делятся на экзогенные, вносимые в металл извне шихтой, ферросплавами, огнеупорами, и эндогенные, образующиеся в металле по ходу плавки, разливки, кристаллизации и в результате превращений в твёрдой фазе, взаимодействия металла со шлаком, огнеупорами, газовой фазой, с примесями, содержащими О, S, N, с раскислителями, легирующими добавками. По способу образования неметаллические включения разделяют на первичные, образующиеся в жидком металле; вторичные, образующиеся при кристаллизации; третичные, выделяющиеся в твёрдом растворе в результате рекристаллизации, диффузии, старения и т. п. Количество и размеры неметаллических включений в металлах и сплавах зависят от способа производства, методов рафинирования. Обычные стали и сплавы содержат 0,01-0,02 мас. % неметаллических включений, стали и сплавы, выплавленные в вакуумных печах, < 0,005 %, а наиболее чистые металлы, полученные методами электронно-лучевой плавки и зонной очистки, <0,001 %. Крупные неметаллические включения имеют размеры > 100 мкм, средние 5-200 мкм, мелкие < 5 мкм. Неметаллические включения отрицательно влияют на предел усталости, качество поверхности, свариваемость, обрабатываемость металла. Скопления неметаллических включений и отдельные крупные неметаллические включения служат концентраторами напряжений и вызывают разрушения при напряжениях < σ_τ осносновного металла. Мелкие и округлые неметаллические включения менее опасны, чем пластинчатые или пленочные. Прочные и хрупкие неметаллические включения оказывают более отрицательное воздействие, чем пластичные. От наличия неметаллических включений зависят длительная прочность жаропрочных сплавов при повышенных температурах, пределы пластичности и прочности. Неметаллические включения образуют на поверхности металлических изделий локальные гальваниеические элементы (развитие электрохимической коррозии при работе в коррозионных средах), способствуют появлению усталостных трещин и микровыкрашиванию.
В литой стали неметаллические включения присутствуют в виде глобулей и кристаллов, в кованой и катаной стали — в виде строчек, нитей, ориентированных в направлении деформации. Глобулярные неметаллические включения образуются из легкоплавких веществ, в первую очередь из железистых силикатов на основе соединений типа FeO • MnO. Тугоплавкие оксиды, Al, Zr, Cr и N. При образовании оксидных неметаллических включений в них преимущественно переходят компоненты, имеющие повышенное сродство к О и вызывающие наибольшее снижение поверхностного натяжения на границе с исходной фазой. Легче зарождаются неметаллические включения на готовых поверхностях раздела. Чем меньше угол смачивания неметаллических включений подложки, тем больше возможность зарождения мелких неметаллических включений.
Удаление неметаллических включений может происходить естественным всплыванием к поверхности раздела металл-шлак и переходом в шлак при перемешивании ванны, либо в результате термической диссоциации. При вакуумной плавке неметаллические включения могут восстанавливаться углеродом:
МеО + [С] = СО + Me.
Методы оценки неметаллических включений разделяются на металлографические, химические и др. Для выделения неметаллических включений из металла применяют кислотный метод: с помощью кислот растворяют металлическую основу. Метод замещения состоит в том, что с помощью Hg или Cu переводят металлическую составляющую в раствор их солей. При использовании галоидных методов образцы обрабатывают в струе Сl, образуя Сl-соединения металла; сульфиды, карбиды, фосфиды, нитриды хлорируются и уносятся в токе газа, а оксидные неметаллические включения остаются без изменения. Электролитические методы состоят в анодном растворении металлической основы; нерастворяющиеся неметаллические включения изолируют специальными мембранами. Выделенные неметаллические включения взвешивают, определяют их массовое содержание в металле и проводят химический анализ состава неметаллических включений.
Металлографическую оценку неметаллических включений проводят на шлифах сравнивая с эталонными шкалами включений определённого вида, загрязненность оценивают по баллам. Металлографический метод используют и для количественного определения неметаллических включений с использованием автоматических электронных оптических счетчиков. Природу и состав неметаллических включений определяют петрографическими методами и с помощью лазерного микрозонда. Фазовый состав и кристаллическую структуру неметаллических включений определяют рентгенно-структурными методами.

Смотри также:
— Включения
— газовые включения