Анализ влияния неметаллических включений на свойства стали

      2. Способы исследования неметаллических включений  

      2.1 Выделение включений в железоуглеродистых сталях 

      Известны следующие способы электрохимического выделения включений из металла: объемный, частичный и локальный. Применение того или иного способа в каждом отдельном случае определяется целью проводимого исследования, свойствами включений и характером распределения их в металле. 

      2.1.1 Объемное выделение неметаллических включений 

      Объемное выделение применяют для получения общей характеристики степени загрязненности металла и установления фазового и химического состава включений. Он получил широкое применение в практике исследования неметаллических включений. Сущность его заключается в том, что металл подвергают анодному растворению в электролите. Ионы и молекулы растворенного металла проходят сквозь поры  коллодиевого мешочка, а твердые частицы нерастворившихся неметаллических включений и карбидов остаются в нем. По окончании процесса электролиза неметаллические включения отделяют от карбидов и других загрязнений и направляют на фазовый и химический анализы. Состав электролита и режим процесса электролиза обусловлены маркой стали и химическими свойствами неметаллических включений. 

      2.1.2 Способ частичного выделения 

      Частичное выделение используют в случае необходимости выделения включений из отдельных участков металла: поверхности микрошлифа, какого-либо участка образца металла и т. п. Кроме того, этим способом можно пользоваться для выделения химически неустойчивых неметаллических включений, которые трудно сохранить в условиях длительного электролиза при количественном выделении включений.

      Способ частичного выделения в основном сходен с объемным и отличается более упрощенной схемой установки и кратковременностью процесса электролиза. В качестве анода в электролизную ванну подвешивают шлиф или исследуемый образец (рис. 4). Электролиз ведут без коллодиевого мешочка, а для сбора неметаллических включений используют часовое стекло. В ряде случаев отпадает необходимость и в часовом стекле, так как в начальный период электролиза неметаллические включения остаются на поверхности металла и могут быть сняты оттуда механически вместе с нерастворившимся карбидами. 

     
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 4 - Установка для частичного выделения неметаллических включений

   Состав электролита и режим электролиза подбирают в соответствии с рекомендациями для объемного выделения включений, а продолжительность электролиза сокращают до 3 - 4 ч. Дальнейшие манипуляции заключаются в отделении осадка неметаллических включений от карбидов и определении их фазового состава.

      2.1.3 Локальное выделение 

      Локальное выделение применяют для определения фазового состава отдельных включений, отмеченных на микрошлифах при металлографическом анализе. Данный способ в своем первоначальном виде не обеспечивал ни их сохранности, ни возможности выделить в чистом виде именно те включения, которые были отмечены на шлифе, и поэтому в дальнейшем был усовершенствован.

      Сущность усовершенствованного локального способа заключается, в том, что шлиф устанавливают на столике микроскопа, снабженного опак-иллюминатором, или бинокулярного стереоскопического микроскопа МБС. Исследуемое включение фокусируют в центр поля зрения и на него пипеткой наносят кашпо электролита (рис. 5).

     
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 5 - Шлиф с каплей электролита на столике бинокулярного микроскопа

     
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 6 - Общий вид установки для локального выделения неметаллических включений

      Шлиф подключают к положительному полюсу выпрямителя, а катодом служит стальная игла, которую подключают к отрицательному полюсу и вводят вручную в электролит. Установка питается током от сети через лабораторный автотрансформатор и выпрямитель (рис. 6). Отдельные этапы процесса локального выделения крупных глобулярных и мелких строчечных включений показаны на рисунках 7 и 8. 

   

а - до электролиза, светлое поле; б - то же, в темном поле; в - после локального электролиза, свет отраженный; г - перенесено на предметное стекло, свет проходящий; д - подготовлено (раздроблено) для измерении оптических констант, свет проходящий, без анализатора; е - то же, с анализатором

Рисунок 7 - Этапы локального выделения крупного многофазного включения в шлифе из стали ШХ15, х250 

 
 
 
 
 
 
 

       
 
 
 
 
 
 

а - до электролиза, свет отраженный, х250; б - выделены и перенесены на предметное стекло, свет проходящий, без анализатора х300

Рисунок 8 - Локальное выделение мелких строчечных включений в шлифе из стали 45ХНМФА

      Процесс электролиза ведут с таким расчетом, чтобы включение (рис. 7а, б) не выделялось полностью, а только слегка подтравилось по границам (рис. 7в); это достигается кратковременными (1 - 2 сек) выдержками. За процессом электролиза постоянно наблюдают в микроскоп. Слегка прикасаясь к включению стальной иглой, вмонтированной в стеклянную палочку, отмечают момент, когда оно приобретет подвижность и тогда электролиз заканчивают. Электролит снимают фильтровальной бумагой, следы его удаляют водной промывкой, а включения переносят на предметное стекло при помощи острия иглы, смоченного кедровым маслом (рис. 7г), и измельчают его (рис. 7д, е). Включения мелких размеров до 10 мкм (рис. 8а, б) переносят со шлифа на предметное стекло пипеткой вместе с остатками электролита. Для выделения включений средней величины (30 - 50 мкм) достаточно провести электролиз в течение 5 - 10 сек при плотности тока 0,5 а/см². При выделении мелких включений (до 10 - 20 мкм) длительность процесса электролиза сокращается до 3 - 4 секунд.

      В случае необходимости выделения еще более мелких включений (1-2 мкм), фиксируемых на шлифах только при помощи иммерсионных объективов (х900 и выше), поступают следующим образом. Прежде всего, участок залегания включений обводят контуром, затем обычным способом проводят электролиз с выдержкой не более 1 - 2 сек, электролит удаляют фильтровальной бумагой, а неметаллические включения вместе с карбидами снимают со шлифа кончиком сухой иглы и переносят на предметное стекло. Эта операция не всегда заканчивается удачно и нужно очень тщательно следить за тем, чтобы включения при электролизе не отделялись от металла, и не потерялась вместе со снимаемым электролитом.

      Практика показала, что такое сочетание локального электролиза с наблюдением под микроскопом позволяет выделять для петрографического и других анализов неметаллические включения различных размеров в чистом виде и без их разрушения. 
 
 
 

      2.2 Методы комплексного исследования 

      Состав неметаллических включений, содержащихся в сталях, определяют металлографическим, петрографическим, минераграфическим, химическим, микрокристаллоскопическим и рентгеноструктурным методами анализа. Сочетание этих методов, последовательность их применения и степень значимости каждого из них определяются в зависимости от состава, физических и химических свойств исследуемых включений.

      Методами металлографического анализа включений на шлифах металла, химического и петрографического анализов анодных осадков, выделенных из металла электролизом, пользуются практически во всех случаях исследования.

      Петрографический анализ служит для определения оптически прозрачных неметаллических включений, обладающих кристаллической структурой и определенным химическим составом. При наличии примесей, образующих твердые растворы, используют рентгеноструктурный анализ, устанавливающий форму кристаллической решетки минерала - растворителя, и микрокристаллоскопический анализ для определения элементарного состава вещества, растворенного в нем. Микрокристаллоскопический метод в сочетании с петрографическим играет главную роль при диагностике аморфных включений (стекловидных фаз). При исследовании оптически непрозрачных кристаллических включений главным методом является минераграфический. Для более полной характеристики этих включений данные минераграфического анализа дополняют данными рентгеноструктурного и микрокристаллоскопического анализов.

      Для определения состава неметаллических включений служат шлифы металла и осадки включений, выделенные электролизом из стандартных образцов. Металл для изготовления микрошлифов вырезают в соответствии с ГОСТ 1778 - 62.

      Стандартные образцы для электролиза вырезают из тех же участков исследуемого металла, что и микрошлифы. Их обтачивают на токарном станке и тщательно очищают от окалины при помощи напильника. Применение наждачного камня или наждачного полотна для этой цели не допускается.

      Наиболее удобная форма образцов - цилиндрическая диаметром от 10 до 15 и длиной 150 мм. Можно использовать образцы и другой формы.

      Первый этап комплексной схемы - это металлографическое исследование шлифов металла, во время которого отмечают отдельные виды включений, требующих более детального изучения. Затем производят электролитическое выделение включений для химического, петрографического и других анализов. И наконец, химический и петрографический анализы анодных осадков неметаллических включений. При этом петрографический анализ осадков, очищенных от карбидов, проводят параллельно с анализом необработанных осадков для исследования химически нестойких включений, растворяющихся в процессе разрушения карбидной фазы. Анализ включений, отмеченных на шлифах, требует предварительного выделения их из металла, что проводят  методом локального электролиза.

      Если при металлографическом анализе на шлифах будут обнаружены оптически непрозрачные включения, их определяют методом минераграфии непосредственно на шлифе, а в случае труднодиагностируемых включений - методами рентгеноструктурного и микрокристаллоскопического анализов. Для этой цели, исследуемые непрозрачные включения либо отделяют от осадка при помощи иглы на столике бинокулярного микроскопа, либо извлекают из шлифа локальным электролизом.

      При наличии в анодном осадке включений сложного состава природу их определяют рентгеноструктурным анализом, а элементарный состав примесей уточняют при помощи микрокристаллохимических реакций. Природу аморфных оптически прозрачных включений (стекловидных фаз) устанавливают на основании оптических свойств, а элементарный состав их (качественно) определяют методами микрокристаллоскопии на включениях, отделенных от осадка иглой или извлеченных из шлифа локальным электролизом.

      В тех случаях, когда отсутствуют данные о свойствах исследуемых включений, следует получить их искусственно и после детального исследования пользоваться ими как эталонами.

      Окончательное установление природы или фазового состава включений проводят на основании сопоставления результатов всех применяемых методов анализа.

      Методами рентгеноструктурного анализа можно определять форму кристаллической решетки оптически прозрачных и непрозрачных кристаллических веществ, измерять параметры, фиксировать различные искажения ее и устанавливать наличие изменений в расположении атомов или ионов при образовании твердых растворов, что недоступно для других методов анализа.

      Очень большой интерес представляет метод рентгеноструктурного анализа отдельных, локально выделенных включений успешно применяемый в настоящее время. Сущность этой методики заключается в том, что включения, выделенные локальным электролизом, очищают от карбидов и других загрязнений и закрепляют на торце стеклянной нити. Съемку производят в камере на специальной установке.

      В отдельных случаях вместо рентгеноструктурного пользуются электронографическим анализом, позволяющим работать с весьма небольшим количеством исследуемого материала и в значительно более короткие сроки.

      Весьма перспективным является метод микрорентгеноспектрального анализа, позволяющий определять химический состав в микрообъемах вещества. Этот метод основан на использовании спектра рентгеновских лучей, возбуждаемых в исследуемой пробе при бомбардировке ее быстро летящими электронами. При определении интенсивности спектральных линий элементов, входящих в состав пробы, можно качественно и количественно установить состав образца в точке падения электронов. Успешные разработки методов регистрации длинноволновой части спектра позволяют в настоящее время анализировать почти все элементы периодической системы.