Niet-metaalhoudende insluitsels in staal: Invloed op kwaliteit

Concept en classificatie van insluitsels

1. Endogene opname

Tijdens het smeltproces van staal treedt er een deoxidatiereactie op die resulteert in de productie van oxiden en andere producten. Als deze producten niet naar de oppervlakte komen voordat het gesmolten staal stolt, blijven ze gevangen in het staal. De volgende reacties vinden plaats:

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

De aanwezigheid van onzuiverheden zoals zuurstof, zwavel en stikstof in het gesmolten staal leidt tot hun neerslag in de vaste oplossing tijdens het afkoelen en stollen, waardoor ze uiteindelijk vast komen te zitten in de ingot. De verdeling van deze insluitsels, endogene insluitsels genoemd, is meestal uniform en wordt gekenmerkt door kleine deeltjes.

Hoewel een goede werking en de implementatie van geschikte procesmaatregelen het aantal insluitingen kan verminderen en hun samenstelling, grootte en distributie kan veranderen, is hun aanwezigheid over het algemeen onvermijdelijk.

2. Vreemde insluitsels

De slak die tijdens het smelt- en gietproces op het oppervlak van gesmolten staal drijft, evenals vuurvaste materialen of andere brokstukken die van de binnenwanden van de staaloven, de tapgoot en de gietpan kunnen afschilferen, worden niet altijd verwijderd voordat het gesmolten staal stolt, waardoor ze in het staal aanwezig zijn.

Deze insluitsels worden gevormd als gevolg van contact tussen het metaal en externe stoffen tijdens het smeltproces.

Meestal hebben deze insluitsels een onregelmatige vorm, zijn ze groot en zien ze er ongelijk uit, waardoor ze de bijnaam "grove insluitsels" krijgen.

Deze insluitsels kunnen echter worden voorkomen door de juiste bedieningstechnieken.

Indeling naar chemische samenstelling：

Niet-metalen insluiting

• Sulfide: FeS, MnS
• Oxiden: FeO, Al₂O₃
• Silicaten: 2MnO-SiO₂
• Nitriden: TiN, ZrN

Indeling naar vervormingscapaciteit：

Niet-metalen insluiting:

• Broze insluiting: Al₂O₃
• Plastische insluiting: FeS, MnS, 2MnO-SiO₂
• Invariante insluiting: SiO₂

Classificatie naar morfologie en verspreiding：

Niet-metalen insluiting:

• Klasse A - hydrofobe verbindingen
• Klasse B - Aluminiumoxide
• Klasse C - Silicaten
• Klasse D - Bolvormige oxiden
• Klasse Ds - Sferoïde van één deeltje

Klasse A (sulfide): Enkelvoudige grijze insluitsels met hoge vervormbaarheid en een breed scala aan morfologische verhoudingen, meestal met afgeronde uiteinden.

Klasse B (aluminiumoxide): De meeste deeltjes zijn niet vervormd, hoekig, met een kleine morfologische verhouding (meestal minder dan 3) en zijn zwart of blauw. Er moeten minstens drie deeltjes op een rij liggen langs de walsrichting.

Klasse C (silicaat): Enkele zwarte of donkergrijze insluitsels met hoge taaiheid en een breed scala aan morfologische verhoudingen (meestal groter dan of gelijk aan 3), meestal met een scherpe hoek aan het uiteinde.

Klasse D (bolvormig oxide): Ongevormde, hoekige of ronde deeltjes met kleine morfologische verhoudingen (meestal minder dan 3), zwart of blauwachtig en onregelmatig verdeeld.

Klasse Ds (bolvormig enkel deeltje): Ronde of bijna ronde afzonderlijke deeltjes met een diameter van 13 μm of meer.

Tabel 1 nominale grenswaarden (minimum)

Tabel 2 inclusiebreedte

Invloed op serviceprestaties

• De vermoeiingsprestaties zijn verminderd.
• De taaiheid bij impact en de plasticiteit nemen af.
• De weerstand tegen corrosie neemt af.

De aanwezigheid van insluitsels met een grootte kleiner dan 10 µm bevordert de nucleatie van de structuur en de korrelgroei vindt plaats tijdens het lassen.

(1) De toevoeging van legeringselementen zoals Nb, V, Ti en andere kunnen leiden tot het neerslaan van C- en N-verbindingen (een soort micro-insluitsels) tijdens continu gieten en verhitten.

(2) Calciumsulfiden, silicaten en fijn ijzeroxide kunnen de kristalkernen verfijnen, wat goed is voor de taaiheid, plasticiteit en sterkte van het materiaal. staalplaat.

Als de grootte van niet-metalen insluitingen groter is dan 50 μm, worden de plasticiteit, taaiheid en vermoeiingslevensduur van het staal verminderd en gaan de koude en warme bewerkingseigenschappen en sommige fysische eigenschappen achteruit.

Over het algemeen is de grootte van insluitsels in ons gesmolten staal groter dan 50 μm, waardoor de taaiheid, plasticiteit en sterkte van de staalplaat afnemen.

Naast deze eigenschappen hebben de insluitingen ook een negatieve invloed op zuurbestendigheid, vermoeiingsprestaties, oppervlakteafwerking en lasprestaties.

Invloed op procesprestaties

1. Het kan gemakkelijk barsten tijdens het smeden, koud bewerken, afschrikken, verwarmen en lassen.

2. De oppervlaktekwaliteit na het walsen en de oppervlakteruwheid van de onderdelen na het slijpen worden verminderd.

Invloed op sterkte en rek van staalplaat

Wanneer de insluitingsdeeltjes relatief groot zijn, groter dan 10 μm, vooral wanneer het insluitingsgehalte laag is, kan de treksterkte en treksterkte van het staal aanzienlijk verminderd.

Als de insluitingsdeeltjes echter klein zijn en minder dan 10 μm meten, worden de vloeigrens en treksterkte van het staal verbeterd.

Naarmate de hoeveelheid kleine deeltjes in het staal toeneemt, nemen ook de vloeigrens en treksterkte toe, maar er is een lichte afname in rek.

Invloed op vermoeiingsprestaties

Het wordt algemeen aangenomen dat insluitsels de primaire oorzaak zijn van falen door vermoeidheid in staal.

Broze en bolvormige insluitingen met zwakke bindingskrachten en grote afmetingen hebben een aanzienlijke invloed op de vermoeiingsprestaties, waarbij een hogere sterkte tot grotere gevaren leidt, zoals geïllustreerd in figuur 1.

Voor staal met hoge sterkte, als het oppervlak van de component goed is bewerkt, worden scheurinitiatie en insluiting de dominante wijze van vermoeiingsscheuren.

Kleine insluitingen kunnen weinig invloed hebben op het ontstaan van scheuren, maar spelen een gunstige rol bij de voortplanting van vermoeiingsscheuren.

Figuur 2 is een schematische voorstelling van de vorming en groei van holtes rond kleine insluitsels.

Men denkt dat kuiltjes geassocieerd worden met insluitsels kleiner dan 0,5 mm.

Fig. 1 insluitingsgrootte en vermoeiingslevensduur onder hetzelfde spanningsniveau

Fig. 2 Schematische weergave van de vorming van microvides tussen niet aangrenzende insluitsels

Voorbeelden van mislukkingen:

De elastische as van een apparaatmotor breekt na een periode van gebruik. Figuur 3 toont het macroscopische uitzicht van de breuk.

Uit de richting van de macroscopische vermoeiingslijnen op het breukvlak en de radiale lijnen kan worden afgeleid dat de scheur afkomstig is van het oppervlak van de elastische schacht en overeenkomt met een longitudinale lijn op het schachtoppervlak.

De morfologische kenmerken van het oorspronkelijke breukvlak zijn echter niet duidelijk door de ernstige slijtage van het breukvlak bij het beginpunt van de scheur.

Zoals getoond in Figuur 4, onthult een macroscopisch en microscopisch onderzoek van een elastische as die niet bezweken is, de aanwezigheid van verschillende mate van overlangse scheuren op het asoppervlak en niet-metalen insluitingen in het gebied waar de scheuren zich voordoen.

De resultaten van de energiespectrumanalyse geven aan dat de niet-metalen insluitsels in de scheuren aluminiumoxide zijn. De bolvormige oxide insluitsels en bolvormige insluitsels met één deeltje van de elastische as van de motor zijn gewaardeerd met 2,0.

De belangrijkste oorzaak van het voortijdig falen van de elastische as is vermoeidheidsfractuur als gevolg van de insluiting die werkt als een kernvermoeiingsbron onder invloed van wisselspanning.

Fig. 3 Macroscopisch voorkomen van breuk van elastische as van gebroken motor

Fig. 4 SEM-analyse van insluitingen in elastische as

Invloed op corrosiebestendigheid

De aanwezigheid van niet-metalen insluitingen in staal kan de corrosieweerstand aanzienlijk verlagen.

Door de verschillen in chemische samenstelling tussen de niet-metalen insluitsels en de stalen basis kan er gemakkelijk een microcel tussen ontstaan. Dit kan leiden tot elektrochemische corrosie in aanwezigheid van een corrosief medium in de omgeving, wat leidt tot de vorming van corrosieputjes en scheurtjes. In ernstige gevallen kan dit leiden tot breuk.

Een verwarmingswaterleiding van Q235B koolstofhoudend constructiestaal lekte voortijdig. Fig. 5(a) toont het macroscopische uiterlijk van de lekkende waterleiding, met sporen van corrosie in de buurt van het lekkagepunt. Fig. 5(b) laat zien dat, na het verwijderen van oxidatie- en corrosieproducten, er duidelijke groeven zijn in de lasnaden bij het lekkagepunt.

Een uitgebreide analyse van metallografie, insluitsels, energiespectra en gesimuleerde versnelde corrosietests van zowel de gelekte waterleiding als de oorspronkelijke waterleiding toonde aan dat de aanwezigheid van oxide insluitsels of samengestelde oxide insluitsels die het binnenoppervlak op de lasnaad penetreerden de belangrijkste oorzaak waren van lokale corrosie, de vorming van corrosiegroeven en het voortijdig lekken van de waterleiding.

De corrosieve media in de leiding, zoals O2, S en Cl, zorgden ervoor dat de niet-metalen insluitingen een corrosiecel vormden met het aangrenzende ijzer, wat leidde tot elektrochemische corrosie en uiteindelijk lekkage van de waterleiding veroorzaakte.

Fig. 5 Macroscopisch uiterlijk van lekkende waterleiding

Invloed op waterstofgeïnduceerde vertraagde breuk

De infiltratie van waterstof in een materiaal of het genereren van waterstof door elektrochemische interactie tussen het medium en het oppervlak van het materiaal kan onder bepaalde omstandigheden blijven diffunderen en gemakkelijk aggregeren en combineren tot waterstofmoleculen in vallen zoals insluitsels.

Wanneer de druk van waterstofmoleculen in deze vallen de sterktegrens van het materiaal overschrijdt, zullen scheurkernen worden gevormd.

Bij voortdurende diffusie en aggregatie van waterstof zal het materiaal uiteindelijk macrofracturen vertonen.

Er zijn veel factoren die waterstofgeïnduceerd kraken beïnvloeden, maar voor een specifieke soort staalis de invloed van insluitsels het belangrijkst, naast de invloed van procesfactoren. Insluitsels zijn sterke waterstofvangers en de druk rond niet-metalen insluitsels (vooral grote) is erg hoog, met een relatief zwakke bindingssterkte tussen de insluitsels en de matrix.

Naarmate de waterstofdruk toeneemt, zullen zich scheuren vormen op het grensvlak tussen de insluitsels en de matrix. De kans op waterstofgeïnduceerde scheurvorming bij insluitsels is groot en hoe hoger het niveau en de hoeveelheid insluitsels, hoe groter de gevoeligheid voor waterstofgeïnduceerd scheuren.

Een voorbeeld van falen is de 200 m3 LPG-opslagtank van een LPG-bedrijf gemaakt van 16Mn met een plaatdikte van 24 mm en een werkdruk van 1,18 MPa. Na vele jaren gebruik waren 54 uitstulpingen op het bolvormige tankoppervlak gebarsten, waarvan er al 20 waren gebarsten. Metallografisch onderzoek, SEM en energiespectrumanalyse onthulden ernstige MNS-inclusies in en rond het vat, samen met waterstofinsluiting.

De reden voor de uitstulping was de ophoping van waterstof die in het staal infiltreerde en uitstulpingen vormde op het grensvlak tussen insluiting en matrix als gevolg van een kathodische waterstofevolutiereactie. De oppervlaktescheur van de uitstulping was een waterstofgeïnduceerde vertraagde breuk onder invloed van trekspanning.

Figuren 6 en 7 tonen de macroscopische verschijning van de uitstulping aan het binnen- en buitenoppervlak van de opslagtank en de micromorfologie van respectievelijk het binnenwandoppervlak van het vat en de oppervlaktedistributie van Mn- en S-elementen. De ernstige niet-metalen insluiting was de materiële factor bij de vorming van waterstofblaren en het barsten van de blaren.

Fig. 6 macroscopisch uiterlijk van de tankdrum

Fig. 7 micromorfologie van binnenwand van trommel en verdelingsdiagram van Mn en S elementen