INCLUZIUNI NEMETALICE

4.1. Aspecte teoretice

Clasificarea incluziunilor nemetalice

Incluziunile nemetalice sunt particule de materiale nemetalice în structura metalelor si aliajelor, provenite din procesele tehnologice de elaborare si turnare. In general sunt nedorite, deoarece înrautatesc proprietatile metalelor, în functie de caracteristicile lor si compozitia chimica a masei metalice în care sunt incluse.

Incluziunile nemetalice se pot diferentia dupa: geneza sau provenienta, compozitia chimica, forma, plasticitate, mod de distributie si marime.

a. Dupa geneza sau provenienta pot fi:

- incluziuni endogene, aparute în metalul lichid în urma reactiilor de dezoxidare, desulfurare si aliere sau în procesul de solidificare al acestuia;

- incluziuni exogene, antrenate din exterior în metalul topit (zgura, materiale refractare, etc). Se deosebesc de incluziunile endogene prin dimensiuni mari, forme neregulate, structura complexa si prezenta sporadica. Pot favoriza germinarea eterogena a incluziunilor endogene.

b. Dupa compozitia chimica se disting: 1-oxizi, 2-sulfuri, 3-silicati, 4-nitruri, 5-carburi, 6-incluziuni de grafit, 7-compusi florurati, 8-fosfuri.

1.Oxizii sunt incluziuni nemetalice endogene, neplastice si neuniform distribuite. In metalul turnat sunt plasate intercristalin; dupa deformarea plastica capata o forma cvasiglobulara si o dispunere în siruri discontinue.

Compozitia lor chimica depinde de natura dezoxidanttilor utilizati si de conditiile de dezoxidare.

In oteluri apar oxizi simpli (F_eO, M_nO, S_iO₂, C_r2O₃, Al₂O₃-corindon) sau complecsi (ex: spineli .AO B₂O₃, unde A=Ca, Fe²⁺, Mg, Mn, iar B=Al, Cr, Fe³⁺).

In cupru se formeaza eutecticul (Cu+Cu₂O) dispus intercristalin, dur si fragil.

2. Sulfurile sunt incluziuni nemetalice endogene, în general plastice.

In otel sulful se separa la sfarsitul solidificarii sub forma unui eutectic (Fe+FeS) fragil, cu temperatura scazuta de topire (985^oC), concentrat în spatiile interdendritice si la centrul lingoului.

La concentratiile reduse în sulf din oteluri, acest eutectic aflat in cantitate mica este disociat, asa încât se prezinta ca o retea de FeS discontinua intergranulara.

Prezenta sulfurilor de fier provoaca doua tipuri de fragilitate.la cald In timpul deformarii plastice la cald a otelului, la temperaturi sub 1000^oC se manifesta "fragili 323l1124d tatea la rosu" datorita plasticitatii reduse a FeS, iar peste 1000^oC fragilitatea la temperaturi ridicate ca urmare a topirii retelei de FeS.

Fragilitatea la cald se elimina prin desulfurare cu mangan care formeaza MnS, cu temperatura ridicata de topire (1610^oC), sub forma de cristale primare idiomorfe, plastice si fara distributie preferentiala în structura otelului.

In timpul deformarii plastice sulfurile se alungesc si se distribuie în siruri dupa directia efortului, contribuind iîmpreuna cu segregatiile de fosfor la formarea fibrajului otelului.

In cupru se formeaza eutecticul (Cu + Cu ₂S) dur si fragil repartizat intercristalin.

3. Silicatii sunt incluziuni nemetalice neomogene de natura endogena (silicatii plastici) sau exogena (silicatii fragili sau nedeformabili).

Grupa silicatilor este foarte variata si complexa. In otel pot apare: faialita-2FeO SiO₂; tornitul - 2 CaO SiO₂; mullitul - 2 Al₂O₃ SiO₂ , etc.

4. Nitrurile sunt incluziuni nemetalice endogene datorate interactiunii metalului topit cu azotul atmosferic. Azotul dizolvat în otelul lichid se elimina la solidificare sub forma gazoasa (sufluri) sau sub forma de nitruri de Al, Fe, Mn, Cr, Ti, V, Zr, etc.

Nitrurile, caracterizate de temperaturi ridicate de topire sunt cristale idiomorfe cu aspect acicular (Fe₄N, Fe₂N) sau regulat geometric (TiN, VN, AlN), dure si nedeformabile.

In otelurile dezoxidate cu aluminiu se formeaza nitrura de aluminiu (AlN) care precipita pelicular la limita de graunte, sub forma unor particule submicroscopice, care împiedica cresterea grauntilor cristalini la încalzire si confera otelului o granulatie ereditara fina. In prezenta unui exces de Al se pot forma particule hexagonale de AlN dispuse la limita de graunte, ceea ce determina fragilitate la cald.

Nitrura de titan (TiN) cu temperatura de topire 2900^oC, este prezenta in otelurile micro si slab aliate cu titan. Are forma poligonala si culoare caracteristica galben-roz.

5. Carburile, faze frecvente in oteluri, sunt incluziuni nemetalice endogene în aliajele de aluminiu (Al₄C₃), de titan (TiC), de siliciu (SiC). Au forme geometric regulate, sunt dure, nedeformabile si prezinta nuante deschise.

6. Incluziunile de grafit, apar în fonte dar si în unele oteluri hipereutectoide, aliate cu siliciu (otel de arcuri) ca urmare a descompunerii carburilor la tratament termic. Incluziunile de grafit reduc sectiunea activa a probei si proprietatile de plasticitate, tenacitate si rezistenta la tractiune.

7. Fosfurile sunt incluziuni nemetalice în fontele cenusii care contin mai mult de 0,25% P. Se prezinta sub forma unui eutectic ternar (perlita+Fe₃C+Fe₃P) dur fragil si cu temperatura scazuta de topire (950^oC), determinând duritate, rezistenta la uzura, fragilitate si fluiditate.

In oteluri, fosfura Fe₃P apare iîn otelul fosforos si determina duritate si fragilitate.

8. Compusii florurati - CaF₂ apar destul de rar ca incluziuni exogene de zgura, cu forme colturoase si asociati cu aluminati.

c. Dupa forma incluziunile sunt:

- geometric regulate (globulare, poligonale): nitruri si oxizi;

- geometric neregulate: silicati, sulfuri în oteluri turnate;

- alungite: sulfurile si silicatii plastici în otelurile deformate;

- dispuse pelicular: AlN în oteluri, Cu₂O în cupru.

d. Dupa plasticitate incluziunile se împart în:

- fragile: oxizi, silicati exogeni;

- plastice: sulfuri, silicati endogeni;

- nedeformabile: Al₂O₃, silicati exogeni, nitruri, carburi.

e. Dupa modul de distributie sunt incluziuni :

- singulare;

- aglomerate în grup sau lanturi;

- intercristaline;

- intracristaline;

f. Dupa marime incluziunile pot fi:

macroscopice (>100 mm), detectabile cu ochiul liber sau cu lupa, control cu ultrasunete sau magnetic;

- microscopice (1-100 mm), detectabile prin metode chimice sau microscopice;

- submicroscopice (<1 mm), detectabile prin tehnici speciale de laborator (sonda electronica, defectometrie cu raze X, etc).

4.2. Influenta incluziunilor nemetalice asupra proprietatilor

Incluziunile nemetalice influenteaza atât proprietatile tehnologice (prelucrabilitatea prin deformare plastica, comportarea la tratament termic) cât si proprietatile de utilizare ale materialelor metalice.

Deformabilitatea plastica a materialelor metalice este influentata prin comportarea incluziunilor nemetalice la deformare plastica. Incluziunile de sulfuri sunt relativ moi si plastice; incluziunile de oxizi (SiO₂ , Al₂O₃), silicati si spineli sunt dure si fragile. In materialele deformate plastic, incluziunile fragile sunt sfarâmate formând siruri discontinue. Cele plastice sunt alungite în siruri continue, ceea ce contribuie la formarea fibrajului materialului si la anizotropia proprietatilor acestuia. Incluziunile care formeaza eutectice usor fuzibile provoaca fragilitate la cald, ca de exemplu eutectice (Fe+FeS sau FeO+FeS) din oteluri.

Comportarea la tratamente termice a materialelor este influentata de actiunea incluziunilor nemetalice asupra marimii granulatiei. Astfel, finisarea grauntilor de austenita este determinata de dispersia ridicata a incluziunilor oxidice (Al₂O₃, V₂O₅, TiO₂) cu rol de germeni eterogeni la cristalizarea primara a austenitei. Totodata aceste incluziuni constituie bariere mecanice pentru tendinta de crestere a grauntelui austenitic la încalzire, reducând sensibilitatea otelului la supraîncalzire.

Proprietatile mecanice de utilizare sunt influentate defavorabil, deoarece incluziunile nemetalice constituie discontinuitati în masa metalica, care reduc sectiunea activa, sunt concentratori locali de tensiune, reduc mobilitatea dislocatiilor si au efect de crestatura. Deoarece constituie amorse de fisura, reduc rezistenta mecanica, plasticitatea, tenacitatea, rezistenta la oboseala, la coroziune, la uzura, sudabilitatea.

Proprietatile sunt influentate de cantitatea, compozitia chimica, forma, marimea si modul de repartitie al incluziunilor nemetalice.

Proprietatile se iînrautatesc mai pronuntat sub actiunea incluziunilor intercristaline si a celor intracristaline grosiere si în proportii mari. Incluziunile plastice pastreaza o mai buna aderenta cu matricea la solicitare. Cele dure, mai ales incluziunile oxidice colturoase, favorizeaza concentrari locale de tensiuni si aparitia de fisuri. Viteza de propagare a fisurii este influentata de natura incluziunii: Cele fragile, care se pot sfarâma în câmpul de tensiuni, formeaza fisuri secundare, accelerând propagarea fisurii. Incluziunile dure care ramân solidare cu matricea micsoreaza viteza de propagare a fisurii.

Diferenta între contractia termica a masei de baza si a incluziunii, poate duce mai ales la calire, la aparitia de câmpuri de tensiuni sau discontinuitati structurale. Astfel, daca coeficientul de contractie în raport cu matricea este mare (MnS, MnSe în otel) apar goluri; daca este redus (Al₂O₃, Cr₂O₃ în otel) apar câmpuri de tensiuni pe suprafata incluziunii, cu actiune negativa mai ales la solicitari la oboseala.

Rezistenta la coroziune scade sub influenta incluziunilor, deoarece favorizeaza formarea microcelulelor galvanice de compozitie si de distorsiune elastica. De aceea otelurile inoxidabile se supun tratamentului în vid pentru reducerea continutului de C, N, O.

Rezistenta la uzura este influentata de prezenta incluziunilor. Astfel, SiO₂ si Al₂O₃ produc în otelul de rulmenti uzura prematura. Incluziunile sulfidice micsoreaza coeficientul de frecare si îmbunatatesc rezistenta la gripare.

Prelucrabilitatea prin aschiere este ameliorata în prezenta incluziunilor care conduc la fragmentarea aschiei (S si P în otelurile pentru automate).

Sudabilitatea este înrautatita în prezenta eutecticului (Fe+FeS) care topit la 985^oC da nastere la fisuri sub actiunea tensiunilor de contractie la solidificare.

4.3. Descrierea lucrarii 

Lucrarea are ca scop analiza calitativa si cantitativa a incluziunilor nemetalice din oteluri. Analiza calitativa urmareste stabilirea originii (endogene sau exogene) si naturii incluziunilor nemetalice (oxizi, silicati, sulfuri, etc). Constituie prima etapa în cunoasterea masurii în care incluziunile nemetalice influenteaza proprietatile aliajelor. Asocierea analizei calitative cu analiza cantitativa (continut total, dimensiuni si distributie) da o imagine mai completa asupra gradului de puritate a unui metal sau aliaj.

Corelarea gradului de puritate cu indicatiile despre influenta diferitor incluziuni asupra comportarii pieselor în conditiile concrete de exploatare, constituie baza de apreciere a posibilitatilor de utilizare a materialului respectiv.

Totodata cantitatea, natura, forma si modul de distributie al incluziunilor nemetalice dau informatii asupra tehnologiei de obtinere a produsului respectiv (elaborare, prelucrare prin deformare plastica, etc).

4.3.1. Analiza microscopica calitativa

Analiza calitativa a incluziunilor nemetalice se executa conform STAS 5949-80 , pe probe lustruite, neatacate chimic, calite în prealabil pentru ca pregatirea metalografica sa nu includa alte incluziuni. La otelurile deformate plastic, analiza metalografica se executa in sectiunea longitudinala a probei.

A. Analiza microscopica în câmp luminos si întunecat

Aspectele calitative al incluziunii, care pot fi observate în câmp luminos sunt: conturul, forma, numarul de faze, microduritatea, modul de distributie, fragilitatea, culoarea în aer sau ulei de imersie, efectul diferitilor reactivi de atac.

In câmp întunecat se pune în evidenta transparenta (incluziuni luminoase), opacitatea (incluziuni întunecate) si culoarea proprie a incluziunii.

Conform indicatiilor din STAS 5949-80 se deosebesc:

I. Oxizi:

a) punctiformi: incluziuni punctiforme, întunecate, din oxizi simpli sau complecai, împrastiate pe întreaga suprafata a probei metalografice sub forma de particule izolate sau aglomerate (fig.4.1).

b) liniari: linii de incluziuni din grauntii mici izolati, de cele mai multe ori din corindon sau spinel (fig.4.2).

II. Silicati:

a) fragili : linii continue sau grupe de linii de silicati sau sticla silicatica cu fragilitatea distrusa la deformare, uneori însotiti de oxizi (fig.4.3);

b) plastici: incluziuni alungite în directia deformarii care difera de sulfuri printr-o culoare mai întunecata si transparenta în câmpul visual întunecat (fig.4.4);

c) nedeformabili: incluziuni izolate sau în grup cu forma neregulata (fig.4.5).

III. Sulfuri: incluziuni isolate sau în grup, de regula de bisulfura MnS-FeS, plastice, alungite în directia deformarii, opace în câmpul vizual întunecat (fig.4.6 în otel laminat, fig.4.7 în otel turnat).

IV. Nitruri:

a) Nitruri si carbonituri de titan, sub forma de linii si concentrari de cristale galben-roz, împrastiate pe întreg câmpul vizual, în general de forma regulata (fig.4.8).

b) Nitruri de aluminiu sub forma de cristale anizotrope întunecate, de forma regulata.

In fig. 4.9 se prezinta incluziuni exogene iar in fig. 4.10 repartizarea incluziunilor nemetalice in zonele caracteristice ale unui lingou elaborat într-un cuptor cu arc alectric.

B. Analiza microscopica în lumina polarizata

Se monteaza polarizorul si analizorul si se studiaza incluziunea prin rotirea analizorului de la pozitia zero (nicoli paraleli) la pozitia 90^o (nicoli încrucisati). In lumina polarizata se evidentiaza opacitatea sau transparenta, izotropia sau anizotropia incluziunilor.

Incluziunile opace izotrope sunt luminoase la pozitia paralela a nicolilor si întunecate la nicoli încrucisati. Ramân întunecate la rotirea masutei sau polarizorului cu 360^o.

Incluziunile opace anizotrope sunt luminoase la nicoli paraleli si încrucisati. Prin rotirea masutei sau polarizorului cu 360^o apar de 4 ori luminoase, respectiv întunecate.

Incluziunile transparente izotrope prezinta la nicoli încrucisati culori proprii, iar cele anizotrope sunt luminoase.

Incluziunile pleocroice isi schimba intensitatea sau calitatea culorii la rotirea analizorului.

La analiza în lumina polarizata pot apare efecte false, datorate formei incluziunii:

incluziunile patratice (TiC) vor prezenta, la rotirea masutei, marginile de 4 ori luminoase respectiv întunecate;

- incluziunile cu forma de cupola (grafitul nodular) se observa mereu luminoase, cu o cruce întunecata în centru, care nu se schimba la rotirea probei;

- incluziunile cu margini sfarâmate la lustruire, se vor vedea la microscop luminoase, indiferent daca sunt izotrope sau anizotrope.

4.3.2. Analiza microscopica cantitativa

Conform STAS 5949-80, determinarea cantitativa a incluziunilor nemetalice din oteluri se face prin metoda compararii cu planse de referinta si exprimarea gradului de impurificare al otelului prin punctaj.

Proba calita, lustruita si neatacata cu reactiv, se examineaza la microscop, în câmp luminos, la marire 90x.110x.

Tipurile de incluziuni care se determina dupa diferite grupe de etaloane sunt:

a) In cazul cercetarii si aprecierii dupa etaloanele din plansele 1.3:

OL + OP - oxizi liniari si punctiformi;

S - sulfuri;

SF + SP - silicati fragili si plastici si SN - nedeformatici;

NT + NA - nitruri de titan si aluminiu.

b) In cazul cercetarii si aprecierii dupa etaloanele din plansele 4.7 si 12.15:

A - sulfuri;

B - oxizi tip alumina;

C - silicati;

D - oxizi globulari.

c) In cazul cercetarii si aprecierii dupa etaloanele din plansele 8.11:

SS - sulfuri in siruri;

OA - oxizi in siruri de tip alumina;

OS - oxizi in siruri de tip silicati;

OG - oxizi globulari

Etaloanele de apreciere a incluziunilor nemetalice se stabilesc în standardele de produs.

Analiza consta în cercetarea probei la microscop pe toata suprafata si compararea câmpurilor vizuale cu plansele etalon cu punctaje de la 1 la 5. Se admit si punctaje intermediare cu rotunjiri de ordinul 0,5. Pentru câmpuri în care punctajul de incluziuni depaseste 5 se mentioneaza ">5".

Rezultatul examinarii se exprima tabelar prin indicarea:

punctajului maxim pe tipuri de incluziuni în cele mai impure 3 câmpuri ale probei, si punctajul în acelasi câmp al tuturor tipurilor de incluziuni continute de cel mai impur camp

punctajului mediu pe tipuri de incluziuni, calculat ca medie aritmetica a punctajelor maxime obtinute pe fiecare proba si punctajul în acelasi camp al tuturor incluziunilor din cel mai impur câmp.

In tabelul 4.1 se prezinta un exemplu de notare al incluziunilor prin punctajul maxim pe acelasi câmp al tuturor tipurilor de incluziuni.

Tabelul 4.1

4.4 Conditii de lucru

Aparatura: microscop metalografic, marire 100x; 500x

- Metoda de lucru: analiza calitativa si cantitativa a incluziunilor nemetalice din oteluri conform planselor de referinta 1.3 STAS 5949-80.

Probe: calite, lustruite, fara atac metalografic, analizate în sectiunea longitudinala.

4.5. Mod de lucru

Se analizeaza la microscop, la marire 500x, probele de otel laminat cu diferite tipuri de incluzi uni, care se vor identifica prin studiul lor comparativ în câmp luminos, întunecat si lumina polarizata.

Se vor schita tipurile de incluziuni întâlnite si se vor nota caracteristicile : culoare, forma, plasticitate, mod de distributie, opacitatea sau transparenta, izotropia sau anizotropia.

Se va face analiza cantitativa a incluziunilor nemetalice , marire 100x, la trei esantioane din otel, prin indicarea punctajului maxim al tuturor incluziunilor din cele mai impure 3 câmpuri. Rezultatele se vor prezenta tabelar având ca model tabelul 4.2

Tabel 4.2