Во время процесса плавления в индукционной печи, включения являются важнейшим фактором, влияющим на конечное качество отливок.. Они нарушают непрерывность металлической матрицы., служат точками концентрации напряжений и местами зарождения трещин., что существенно снижает механические свойства материала, например, сила, пластичность, и усталость от жизни. Точное определение источника этих включений – являются ли они “эндогенный” продукты процесса плавления или “экзогенный” загрязняющих веществ, поступающих из внешних источников, — является фундаментальной предпосылкой для реализации эффективных мер контроля и решения проблем качества..
В этом руководстве основное внимание будет уделено двум основным микроаналитическим методам.: Металлографический анализ и Сканирующий электронный микроскоп/Энергодисперсионная спектроскопия (КОТОРЫЙ/ЭЦП) Анализ.
Часть 1: Классификация и основные характеристики включений.
Эндогенные включения
- Определение: Продукты, образующиеся в результате химических реакций, происходящих в расплавленной стали или железе во время плавки., переработка, и затвердевание.
- Механизмы формирования:
- Продукты раскисления: Оксиды, образующиеся после раскислителей (например, И, Мин., Ал) добавляются для удаления кислорода из жидкого металла, например SiO2, Мно, и Al2O3.
- выпадает в осадок: Определенные элементы (например, С, Н) растворимость которого в жидком или твердом металле уменьшается с температурой, выпадает в осадок и соединяется с другими элементами с образованием сульфидов и нитридов., такие как MnS и TiN.
- Общие характеристики:
- Размер: Обычно маленький, часто в микронном диапазоне.
- Распределение: Относительно дисперсный и однородный.
- Форма: Демонстрировать определенную закономерность, часто сферический, точечный, веретенообразный, или цепочечный.
Экзогенные включения
- Определение: Неметаллические вещества, механически введенные в расплавленный металл из внешних источников..
- Источники:
- Огнеупорные материалы: Откол, эрозия, или коррозия огнеупорной футеровки печи, ковш, или промковш, такие как Al2O3−SiO2, магнезия, или частицы шпинели.
- Шлак/покровный флюс: Шлак, который не был должным образом обезжирен или унесен во время выпуска.
- Зарядные материалы: Неочищенная ржавчина, песок (SiO2), или грязь на поверхности стального или чугунного лома.
- Формовочные материалы: Зерна песка, вынесенные из полости формы во время литья в песчаные формы.
- Общие характеристики:
- Размер: Обычно большой, иногда даже видно невооруженным глазом.
- Распределение: Неровный, часто выглядит как большой, блочный, и случайно расположенные кластеры.
- Форма: Крайне нерегулярный, с острыми углами.
Часть 2: Методы идентификации и анализа
Шаг 1: Металлографический анализ (Предварительное качественное и морфологическое наблюдение)
Металлографический микроскоп является основным и самым быстрым инструментом проверки.. Наблюдая за металлографическим изображением полированного (нетравленный) образец, предварительное решение может быть вынесено на основании включения морфология, размер, цвет, распределение, и твердость (следы полировки).
Металлографические особенности эндогенных включений:
Сульфид (МнС): Выглядит серым и пластичным. Он деформируется во время горячей обработки и удлиняется в стрингеры или веретена в направлении прокатки.. В литом состоянии, он часто выглядит как точки или сеть на границах зерен..
Окись (Al2O3): Твердый и хрупкий, без пластичности. Он существует в стали в виде маленького, частицы с высокой температурой плавления, которые кажутся черными или темно-серыми. В убитой стали, они имеют тенденцию группироваться, формирование цепочек или групп на границах зерен. Благодаря высокой твердости, они легко вынимаются во время полировки, оставив позади “кометные хвосты” или ямки вокруг включения.
Силикат (SiO2−MnO): Имеет пластичность между пластичностью сульфидов и оксида алюминия.. Обычно он имеет сферическую или эллипсоидальную форму и удлиняется во время горячей обработки., но в меньшей степени, чем MnS. Кажется черным или темно-серым, часто напоминающий стекловидную фазу.
Металлографические особенности экзогенных включений:
Огнеупорный откол: Огромный по размеру, с крайне неправильной формой и отчетливыми угловатыми чертами. Обычно это многофазная структура., с видимыми зернами разных минеральных фаз. Он появляется случайным образом и обычно представляет собой большой, изолированный блок.
Захваченный шлак: Также обычно большого размера и неправильной формы., но с более закругленными краями по сравнению с огнеупорными материалами. Цвета разнообразны, возможно, выглядит как прозрачная или полупрозрачная стеклообразная фаза.
Краткое содержание: В металлографическом изображении, “большой размер, неправильная и угловатая форма, случайное и изолированное распределение” являются типичными признаками экзогенного включения. В отличие, “маленький размер, правильная форма (сферический/стрингер), и рассредоточенное распространение” более показательны для эндогенного включения.
Шаг 2: СЭМ/ЭДС-анализ (Точное подтверждение и отслеживание состава)
Когда металлографический анализ дает предварительное заключение, SEM/EDS – это “золотой стандарт” для окончательного подтверждения и отслеживания.
- КОТОРЫЙ (Сканирующий электронный микроскоп): Обеспечивает большее увеличение и большую глубину резкости, чем металлографический микроскоп., позволяет получить более четкое представление о микроморфологии и многофазной структуре включения..
- ЭЦП (Энергодисперсионная спектроскопия): Выполняет качественный и полуколичественный элементный анализ на выбранной микроплощади., что является ключом к отслеживанию источника включения.
Различия в спектрах ЭДС эндогенных и. Экзогенные включения
| Тип включения | Типичный спектр элемента EDS | Определение источника |
| Эндогенные включения | ||
| глинозем (Al2O3) | Сильный Эл,О пики | Продукт раскисления алюминия |
| Сульфид марганца (МнС) | Сильный Мн,S-пики | Выделение Mn и S в стали |
| Силикат | И,Мин.,О пики, иногда с небольшим количеством Al | Продукт раскисления кремний-марганца |
| Нитрид Титана (ТиН) | сильный из,N пиков | Выделение следов Ti и N в стали |
| Экзогенные включения | ||
| Алюмосиликатный огнеупор | Сильный Эл,И,О пики, с пропорциями, близкими к составу огнеупорного кирпича | Глиняные кирпичи или высокоглиноземистые кирпичи из футеровки печи, ковш, и т. д.. |
| Магнезиальный огнеупорный материал | Сильный мг,О пики, часто с Ca,И,Ал | Основные огнеупорные материалы, такие как магнезиальный или магнезиально-известковый кирпич. |
| Шпинель | Сильный мг,Ал,О пики | Магнезиально-алюминийшпинельные огнеупорные материалы |
| Захваченный шлак | Сложная комбинация элементов, как Ка,И,Ал,мг,О, с пропорциями, близкими к рафинирующему шлаку | Неправильное удаление шлака или унос шлака. |
| Песчаные зерна | Почти чистый Si,О пики | Песок или грязь, занесенные шихтовыми материалами |
Пример целевого отслеживания:
- Результат EDS для включения: Mg.,Ал,О → Цель: Убедитесь, что ковш алюмо-магниевой шпинели или футеровка печи не растрескались и не подверглись сильной коррозии..
- Результат EDS на включение: Ca,И,Ал,О → Цель: Обзор процесса обезвоживания шлака, оптимизировать шлаковую дамбу или процедуру выпуска для предотвращения уноса шлака.
- Избыточные включения Al2O3 встречаются в скоплениях. → Цель: Это не внешняя проблема. Процесс раскисления алюминия необходимо оптимизировать., например, регулируя время или количество добавления алюминия, или рассматривая возможность подачи проволоки или обработки кальцием для модификации включений и улучшения их плавучести..
Часть 3: Резюме и руководство к действию
| Характеристика | Эндогенные включения | Экзогенные включения |
| Механизм формирования | Химическая реакция в расплавленном металле | Механическое смешивание внешних веществ |
| Металлографическая форма | Обычный: сферический, точечный, веретенообразный, стрингер | Нерегулярный: большой, блочный, угловой |
| Размер | Маленький, обычно <50мкм | Большой, обычно >100мкм, четная шкала мм |
| Распределение | Относительно рассредоточено, униформа, или на границах зерен | случайный, изолированный, неоднородный |
| Элементы ЭЦП | Простой, например, Ал-О, Mn−S, Си-мн-о | Сложные комбинации, например, Аль-си-ка-мг-о |
| Источник проблемы | Процесс плавления: Окисление, легирование, контроль температуры | Внешнее загрязнение: огнеупоры, шлак, шихтовые материалы |
| Цель решения | Оптимизация раскислителей, процесс переработки, температура заливки | Улучшить качество огнеупоров, чистые шихтовые материалы, улучшить процедуры очистки и блокировки шлака |
Заключение: Используя комбинированный подход “металлография для морфологии, СЭМ/ЭЦП для композиции,” можно очень точно идентифицировать включения в плавка в индукционной печи.
- Предварительный отбор: Используйте металлографический микроскоп для быстрого сканирования образцов и проведения предварительной классификации более чем 90% включений в зависимости от их размера и морфологии.
- Точная диагностика: Провести SEM/EDS анализ типичных, подозрительный, или крупные включения, обнаруженные при металлографии для получения их точного химического состава.
- Точное отслеживание: Сравните состав EDS с материалами, используемыми в процессе плавки, например огнеупорами., шлак, и зарядные материалы — чтобы точно определить источник.
Этот метод трансформирует расплывчатую проблему “есть включения в литье” в точный диагноз, например “в отливке присутствуют частицы магнезиально-глиноземной шпинели, происходящие из футеровки ХХ печи.” Это обеспечивает четкую и точную цель для улучшения процессов., избежать траты времени и средств на слепые корректировки.
