Nicht-metallische Einschlüsse in Stahl: Auswirkungen auf die Qualität

Konzept und Klassifizierung von Einschlüssen

1. Endogene Einbeziehung

Bei der Verhüttung von Stahl kommt es zu einer Desoxidationsreaktion, bei der Oxide und andere Produkte entstehen. Wenn diese Produkte nicht an die Oberfläche steigen, bevor der geschmolzene Stahl erstarrt, bleiben sie im Stahl eingeschlossen. Die folgenden Reaktionen finden statt:

• Mn + FeO → Fe + MnO
• Si + 2FeO → SiO₂ + 2Fe
• 2Al + 3FeO → 3Fe + Al₂O₃
• Ti + 2FeO → 2Fe + TiO₂

Das Vorhandensein von Verunreinigungen wie Sauerstoff, Schwefel und Stickstoff in der Stahlschmelze führt dazu, dass sie sich beim Abkühlen und Erstarren im Mischkristall ablagern und schließlich im Block eingeschlossen werden. Die Verteilung dieser Einschlüsse, die als endogene Einschlüsse bezeichnet werden, ist in der Regel gleichmäßig und durch kleine Partikel gekennzeichnet.

Auch wenn ein ordnungsgemäßer Betrieb und die Umsetzung geeigneter Prozessmaßnahmen die Anzahl der Einschlüsse reduzieren und ihre Zusammensetzung, Größe und Verteilung verändern können, ist ihr Vorhandensein im Allgemeinen unvermeidbar.

2. Ausländische Einschlüsse

Die Schlacke, die während des Schmelz- und Gießprozesses auf der Oberfläche des geschmolzenen Stahls schwimmt, sowie feuerfeste Materialien oder andere Ablagerungen, die sich von den Innenwänden des Stahlwerksofens, der Abstichrinne und der Pfanne lösen können, werden nicht immer vor dem Erstarren des geschmolzenen Stahls entfernt, was dazu führt, dass sie im Stahl vorhanden sind.

Diese Einschlüsse entstehen durch den Kontakt des Metalls mit äußeren Stoffen während des Schmelzvorgangs.

Typischerweise haben diese Einschlüsse eine unregelmäßige Form, sind groß und haben ein ungleichmäßiges Aussehen, was ihnen den Spitznamen "grobe Einschlüsse" eingebracht hat.

Diese Einschlüsse lassen sich jedoch durch geeignete Betriebstechniken verhindern.

Klassifizierung nach chemischer Zusammensetzung：

Nichtmetallische Einschlüsse

• Sulfid: FeS, MnS
• Oxide: FeO, Al₂O₃
• Silikate: 2MnO-SiO₂
• Nitride: TiN, ZrN

Klassifizierung nach Verformungsfähigkeit：

Nichtmetallische Einschlüsse:

• Spröder Einschluss: Al₂O₃
• Plastische Einschlüsse: FeS, MnS, 2MnO-SiO₂
• Unveränderlicher Einschluss: SiO₂

Klassifizierung nach Morphologie und Verteilung：

Nichtmetallische Einschlüsse:

• Klasse A - hydrophobe Verbindungen
• Klasse B - Tonerde
• Klasse C - Silikate
• Klasse D - Kugelförmige Oxide
• Klasse Ds - Einteiliges Sphäroid

Klasse A (Sulfid): Einzelne graue Einschlüsse mit hoher Duktilität und einem breiten Spektrum an morphologischen Verhältnissen, im Allgemeinen mit abgerundeten Enden.

Klasse B (Tonerde): Die meisten Partikel sind nicht verformt, kantig, haben ein kleines morphologisches Verhältnis (im Allgemeinen weniger als 3) und sind schwarz oder blau. Es müssen mindestens drei Partikel in einer Reihe entlang der Walzrichtung vorhanden sein.

Klasse C (Silikat): Einzelne schwarze oder dunkelgraue Einschlüsse mit hoher Duktilität und einer großen Bandbreite an morphologischen Verhältnissen (im Allgemeinen größer oder gleich 3), im Allgemeinen mit einem spitzen Winkel am Ende.

Klasse D (kugelförmiges Oxid): Unverformte, eckige oder kreisförmige Partikel mit kleinen morphologischen Verhältnissen (im Allgemeinen weniger als 3), schwarz oder bläulich und unregelmäßig verteilt.

Klasse Ds (Einzelne kugelförmige Partikel): Runde oder fast runde Einzelpartikeleinschlüsse mit einem Durchmesser von 13 μm oder mehr.

Tabelle 1 Grenzwerte (Minimum)

Tabelle 2 Einschlussbreite

Auswirkungen auf die Leistung des Dienstes

• Die Ermüdungsleistung wird reduziert.
• Die Schlagzähigkeit und die Plastizität nehmen ab.
• Die Korrosionsbeständigkeit ist vermindert.

Das Vorhandensein von Einschlüssen mit einer Größe von weniger als 10 μm fördert die Keimbildung des Gefüges, und das Kornwachstum erfolgt während des Schweißens.

(1) Der Zusatz von Legierungselemente wie Nb, V, Ti und andere, können beim Stranggießen und Erhitzen zur Ausscheidung von C- und N-Verbindungen (einer Art von Mikroeinschlüssen) führen.

(2) Kalziumsulfide, Silikate und feines Eisenoxid können die Kristallkerne verfeinern, was sich positiv auf die Zähigkeit, Plastizität und Festigkeit des Materials auswirkt. Stahlplatte.

Wenn jedoch die Größe der nicht-metallisch Einschlüsse 50μm überschreitet, verringern sich die Plastizität, die Zähigkeit und die Ermüdungslebensdauer des Stahls, und die Kalt- und Warmverarbeitungseigenschaften sowie einige physikalische Eigenschaften verschlechtern sich.

Im Allgemeinen übersteigt die Größe der Einschlüsse in unserem geschmolzenen Stahl 50μm, was die Zähigkeit, Plastizität und Festigkeit des Stahlblechs verringert.

Zusätzlich zu diesen Eigenschaften wirken sich die Einschlüsse auch negativ auf die Säurebeständigkeit, die Ermüdungseigenschaften, die Oberflächenbeschaffenheit und die Schweißbarkeit aus.

Einfluss auf die Prozessleistung

1. Es ist leicht zu knacken während des Schmiedens, der Kaltbearbeitung, des Abschreckens, des Erwärmens und des Schweißens.

2. Die Oberflächenqualität nach dem Walzen und die Oberflächenrauhigkeit der Teile nach dem Schleifen werden reduziert.

Einfluss auf Festigkeit und Dehnung von Stahlblech

Wenn die Einschlusspartikel relativ groß sind und eine Größe von 10 μm überschreiten, insbesondere wenn der Gehalt an Einschlüssen gering ist, wird die Streckgrenze und die Zugfestigkeit des Stahls werden erheblich reduziert.

Wenn die Einschlusspartikel jedoch klein sind und weniger als 10 μm messen, werden die Streckgrenze und die Zugfestigkeit des Stahls verbessert.

Mit zunehmendem Anteil an kleinen Partikeln im Stahl steigen auch die Streckgrenze und die Zugfestigkeit, die Dehnung nimmt jedoch leicht ab.

Einfluss auf die Ermüdungsleistung

Es ist allgemein anerkannt, dass Einschlüsse die Hauptursache für Ermüdungsbruch in Stahl.

Spröde und kugelförmige Einschlüsse mit schwachen Bindungskräften und großen Abmessungen haben einen erheblichen Einfluss auf die Ermüdungsleistung, wobei eine höhere Festigkeit zu größeren Gefahren führt, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Bei hochfestem Stahl sind Rissbildung und -einschluss die vorherrschende Form der Ermüdungsrissbildung, wenn die Oberfläche des Bauteils gut bearbeitet ist.

Kleine Einschlüsse haben möglicherweise nur einen geringen Einfluss auf die Rissentstehung, spielen aber eine positive Rolle bei der Ausbreitung von Ermüdungsrissen.

Abbildung 2 ist eine schematische Darstellung der Porenbildung und des Wachstums um kleine Einschlüsse.

Man geht davon aus, dass die Grübchen mit Einschlüssen von weniger als 0,5 mm verbunden sind.

Abb. 1 Einschlussgröße und Ermüdungslebensdauer bei gleichem Spannungsniveau

Abb. 2 Schematische Darstellung der Bildung von Mikrohohlräumen zwischen nicht benachbarten Einschlüssen

Beispiele für Misserfolge:

Die elastische Welle eines Gerätemotors bricht nach einer gewissen Nutzungsdauer. Abbildung 3 zeigt das makroskopische Erscheinungsbild des Bruchs.

Aus der Richtung der makroskopischen Ermüdungslinien auf der Bruchfläche und den radialen Linien ist ersichtlich, dass der Riss von der Oberfläche der elastischen Welle ausgeht und einer Längslinie auf der Wellenoberfläche entspricht.

Die morphologischen Merkmale der ursprünglichen Bruchfläche sind jedoch aufgrund der starken Abnutzung der Bruchfläche an der Rissentstehungsstelle nicht eindeutig.

Wie in Abbildung 4 dargestellt, zeigt eine makroskopische und mikroskopische Untersuchung einer elastischen Welle, die nicht versagt hat, das Vorhandensein von Längsrissen unterschiedlichen Grades auf der Wellenoberfläche und von nichtmetallischen Einschlüssen in dem Bereich, in dem die Risse auftreten.

Die Ergebnisse der Energiespektrumanalyse zeigen, dass es sich bei den nichtmetallischen Einschlüssen in den Rissen um Aluminiumoxid handelt. Die kugelförmigen Oxideinschlüsse und die kugelförmigen Einschlüsse aus einzelnen Partikeln in der elastischen Welle des Motors werden mit 2,0 bewertet.

Die Hauptursache für den vorzeitigen Ausfall der elastischen Welle ist Ermüdungsbruch die sich daraus ergibt, dass der Einschluss unter dem Einfluss von Wechselspannungen als Kernermüdungsquelle wirkt.

Abb. 3 Makroskopisches Erscheinungsbild des Bruchs der elastischen Welle des gebrochenen Motors

Abb. 4 SEM-Analyse von Einschlüssen in der elastischen Welle

Einfluss auf die Korrosionsbeständigkeit

Das Vorhandensein von nichtmetallischen Einschlüssen im Stahl kann seine Korrosionsbeständigkeit erheblich verringern.

Die Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung zwischen den nichtmetallischen Einschlüssen und der Stahlbasis machen es leicht, dass sich zwischen ihnen eine Mikrozelle bildet. Dies kann bei Vorhandensein eines korrosiven Umgebungsmediums zu elektrochemischer Korrosion und damit zur Bildung von Korrosionslöchern und Rissen führen. In schweren Fällen kann dies zu einem Bruch führen.

Zum Beispiel ein Heizungswasserrohr aus Q235B Kohlenstoffbaustahl war vorzeitig undicht. Abb. 5(a) zeigt das makroskopische Erscheinungsbild der undichten Wasserleitung, mit Anzeichen von Korrosion in der Nähe der Leckstelle. Abb. 5(b) zeigt, dass nach der Entfernung von Oxidations- und Korrosionsprodukten deutliche Rillen in den Schweißnähten an der Leckstelle zu sehen sind.

Eine umfassende Analyse der Metallographie, der Einschlüsse, der Energiespektren und der simulierten beschleunigten Korrosionstests sowohl des undichten Wasserrohrs als auch des ursprünglichen Wasserrohrs ergab, dass das Vorhandensein von Oxideinschlüssen oder Mischoxideinschlüssen, die die innere Oberfläche an der Schweißnaht durchdringen, die Hauptursache für die lokale Korrosion, die Bildung von Korrosionsrillen und die vorzeitige Undichtigkeit des Wasserrohrs waren.

Die im Rohr vorhandenen korrosiven Medien wie O2, S und Cl führten dazu, dass die nichtmetallischen Einschlüsse mit dem angrenzenden Eisen eine Korrosionszelle bildeten, was zu elektrochemischer Korrosion und schließlich zur Undichtigkeit der Wasserleitung führte.

Abb. 5: Makroskopisches Erscheinungsbild einer undichten Wasserleitung

Einfluss auf wasserstoffinduzierte verzögerte Frakturen

Das Eindringen von Wasserstoff in ein Material oder die Erzeugung von Wasserstoff durch elektrochemische Wechselwirkung zwischen dem Medium und der Materialoberfläche kann unter bestimmten Bedingungen weiter diffundieren und sich leicht an Fallen wie Einschlüssen zu Wasserstoffmolekülen zusammenschließen.

Wenn der Druck der Wasserstoffmoleküle an diesen Fallen die Festigkeitsgrenze des Materials überschreitet, bilden sich Risskerne.

Bei fortgesetzter Diffusion und Anhäufung von Wasserstoff wird das Material schließlich einen Makrobruch erleiden.

Es gibt viele Faktoren, die die wasserstoffinduzierte Rissbildung beeinflussen, aber für eine bestimmte StahlsorteDer Einfluss von Einschlüssen ist neben dem Einfluss von Prozessfaktoren der wichtigste. Einschlüsse sind starke Wasserstofffallen und der Druck um nichtmetallische Einschlüsse (insbesondere große) ist sehr hoch, wobei die Bindungsstärke zwischen den Einschlüssen und der Matrix relativ schwach ist.

Wenn der Wasserstoffdruck steigt, bilden sich Risse an der Grenzfläche zwischen den Einschlüssen und der Matrix. Die Wahrscheinlichkeit einer wasserstoffinduzierten Risskeimbildung an Einschlüssen ist hoch, und je höher die Anzahl der Einschlüsse ist, desto größer ist die Anfälligkeit für wasserstoffinduzierte Rissbildung.

Ein Beispiel für ein Versagen ist der 200 m3 große Flüssiggastank eines Flüssiggasunternehmens aus 16Mn mit einer Blechdicke von 24 mm und einem Betriebsdruck von 1,18 MPa. Nach jahrelangem Gebrauch waren 54 Ausbuchtungen an der Oberfläche des kugelförmigen Tanks gerissen, von denen 20 bereits gerissen waren. Eine metallographische Untersuchung, ein REM und eine Energiespektrumanalyse ergaben schwerwiegende MNS-Einschlüsse in und um das Fass sowie Wasserstoffeinschlüsse.

Der Grund für die Ausbeulung war die Ansammlung von Wasserstoff, der in den Stahl eingedrungen war und an der Grenzfläche zwischen Einschluss und Matrix aufgrund der kathodischen Wasserstoffentwicklung Ausbeulungen bildete. Der Oberflächenriss der Ausbuchtung war ein wasserstoffinduzierter verzögerter Bruch unter der Einwirkung von Zugspannung.

Die Abbildungen 6 und 7 zeigen das makroskopische Erscheinungsbild der Ausbuchtung an der Innen- und Außenfläche des Lagertanks sowie die Mikromorphologie der Innenwandoberfläche des Fasses und die Oberflächenverteilung der Elemente Mn und S. Der schwerwiegende nichtmetallische Einschluss war der wesentliche Faktor bei der Bildung von Wasserstoffblasen und der Rissbildung in den Blasen.

Abb. 6 Makroskopisches Erscheinungsbild des Tankfasses

Abb. 7: Mikromorphologie der inneren Wandoberfläche der Trommel und Verteilungsdiagramm der Elemente Mn und S