Содержание неметаллических включений в электростали незначительно и не превышает 0,05%. Однако они обладают совершенно отличными от основного металла физическими, механическими и химическими свойствами. Нарушая сплошность металла, неметаллические включения вызывают местные концентрации напряжений, понижают пластические характеристики, ухудшают усталостную прочность и износостойкость. Содержание неметаллических включений в стали определяется концентрациями вредных примесей (О,S,N). Природа и форма неметаллических включений зависят от химического состава стали и используемых для раскисления материалов. В стали, содержащей марганец, состав включений определяется равновесными концентрациями [Мп], [О], [S]. Включения состоят из оксидов (FеО и МпО) и сульфидов (FеS и МпS).
В кремниймарганцевой стали включения присутствуют в виде силикатов и сульфидов железа и марганца. Если в стали присутствует алюминий, то состав включений определяется его содержанием в металле. При [Аl] ≤ 0,01….0,02% включения содержат, наряду с оксидами FeO и MnO, а также оксиды типа FeO•Al2O3, а при [Al] > 0,03…0,05% включения состоят преимущественно из глинозема и шпинели.
Сильные раскислители (алюминий, щелочноземельные металлы (ЩЗМ) — кальций, магний, барий и редкоземельные металлы (РЗМ) — церий, лантан и др.) образуют включения сложного состава. Возникновение новой неметаллической фазы в гомогенном расплаве связано с преодолением энергии межфазного натяжения и образованием новой поверхности.
В условиях значительного пересыщения металла при избытке раскислителя образуются скопления мелких твердых включений оксида раскислителя. При недостатке раскислителя, т. е. при повышенном содержании кислорода, образуются жидкие продукты раскисления.
При совместном раскислении металла алюминием, марганцем и кремнием (АМС) образуются комплексные продукты раскисления, характеризуемые низкой температурой плавления. С учетом достаточно быстрого распределения раскислителя из мест пересыщения по всему объему жидкого металла создаются условия для образования различной формы твердых оксидных включений и жидких продуктов раскисления, называемых первичными неметаллическими включениями. При кристаллизации стали образуются так называемые вторичные включения.
Их образование обусловлено понижением температуры металла и, как следствие этого, смещением равновесия рас кислитель—растворенный кислород в сторону образования оксидов. Удаление вторичных неметаллических включений затруднено, по сравнению с первичными, так как металл становится вязким, время для их всплывания весьма ограничено и они не успевают коагулировать и увеличиться в размерах до оптимальных величин. Большинство вторичных включений остается в металле, поэтому снижения их содержания достигают обеспечением максимальной чистоты металла по неметаллическим включениям перед разливкой и в процессе разливки.
Выявляемые в электростали неметаллические включения, как правило, имеют незначительные размеры (не более 30 мкм). При ковке или прокатке слитков и литых заготовок включения с низкой температурой плавления (силикаты марганца, сульфиды железа и марганца, оксисульфиды) вытягиваются в нитевидные включения разной толщины, повышая тем самым анизотропность механических свойств металла. Улучшение этого показателя достигают использованием в качестве раскислителей ЩЗМ и РМЗ, являющихся поверхностно-активными веществами, способствующими модификации (изменению состава) и глобуляризации оксидных и сульфидных включений. Обычно сталь сначала раскисляют алюминием, а затем — сплавами ЩЗМ и РЗМ.
Если в конструкционной стали 12ХНЗА, раскисленной только алюминием, включения строчечные, то после дополнительного раскисления металла в ковше силикокальцием они преимущественно глобулярные, имеющие состав СаОm• Аl2O3. Перевод строчечных включений в глобулярные позволяет резко снизить пораженность металла волосовинами, повысить изотропность (однородность) стали по ударной вязкости и пластичности. Однако для ряда сталей содержание глобулярных включений в металле должно быть минимальным. Повышенная загрязненность подшипниковой стали глобулями отрицательно влияет на долговечность работы подшипников разного назначения. Для уменьшения загрязненности подшипниковой стали глобулярными включениями снижают основность известково-силикатных шлаков, кроме того, несколько повышают окис- ленность металла ([О] ~ 0,008%) и используют обработку расплава вне печи вакуумом.
Отрицательное влияние на свойства стали оказывают кристаллические включения, например, нитриды, корунд. Еще более вредными являются скопления неметаллических включений в металле в виде облака или роя, состоящего из мельчайших частиц. Они образуются в результате плохого раскисления металла алюминием и могут явояться причиной расслоения прокатных заготовок.
Неблагоприятным является расположение включений по границам зерен литой стали в виде цепочек, состоящих из сульфидов и оксисульфидов. Повышенную загрязненность неметаллическими включениями наблюдают в стали, имеющей относительно высокое содержание кислорода и серы. Чем больше кислорода и серы в стали, тем ниже ее качество, выше брак металлопроката по трещинам, волосовинам и ниже механические свойства.
