ВЫЯВЛЕНИЕ ЛИКВАЦИИ СЕРЫ, ФОСФОРА, СВИНЦА

Лабораторная работа № 2

МАКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ.

ВЫЯВЛЕНИЕ ЛИКВАЦИИ СЕРЫ, ФОСФОРА, СВИНЦА.

2.1. Цель работы

Данная работа предполагает:

· изучение сущности и задач макроанализа;

· изучение методов изготовления образцов и методов травления при макроанализе;

· изучение поверхностных и внутренних дефектов;

· определение химической неоднородности стали;

· проведение макроанализа по выявлению ликвации серы и фосфора в металлических образцах, а также присутствие свинца.

2.2. Основные положения

2.2.1. Сущность и назначение макроанализа

Макроскопический анализ заключается в определении строения материалов путем просмотра поверхности специально подготовленных образцов невооруженным взглядом или через лупу при небольших увеличениях - до 30 раз.

Макроанализ даёт представление об общем строении металла и позволяет оценить его качество после различных операций металлургического производства (выплавка и разливка в слитки и непрерывные заготовки, прокатка, ковка и др.), а также различных видов обработки на машиностроительных предприятиях (литья, обработки давлением, сварки, термической и химикотермической обработки).

Макроанализ в отличие от микроскопического анализа не позволяет определить все особенности строения. Часто макроанализ является не окончательным, а предварительным видом исследования. Он позволяет выбрать те участки, которые требуют дальнейшего микроскопического ис­следования. Широкое применение макроанализ находит при контроле ка­чества сталей и сплавов и для обнаружения разнообразных дефектов ме­таллургии.

Макростроение металла можно изучить:

- на поверхности заготовки;

- в изломе заготовки;

- на предварительно подготовленной поверхности, отшлифованной и подвергнутой травлению специальными реактивами.

Методом макроанализа определяют:

1) в литом металле - нарушение сплошности (усадочную рыхлость, газовые пузыри и раковины, трещины, пустоты, свищи, подкорковые пузыри и др.), дендритное строение и зону транскристаллизации, химическую неоднородность слитка (ликвацию);

2) неоднородность строения сплава, вызванную обработкой давлением - полосчатость, волокнистость горячедеформированной стали или линии скольжения в наклепанном металле;

3) структуру и химическую неоднородность металла, созданную терми­ческой, термомеханической или химической обработкой.

Макроанализ излома определяют непосредственным наблюдением, при определении других особенностей макростроения необходимы специаль­ные макрошлифы.

2.2.2. Приготовление образцов и режимы травления при макроанализе

Макроанализ проводят на продольных и поперечных макрошлифах (темплетах). В случае крупных цилиндрических деталей темплеты выре­зают в радиальном, тангенциальном направлении, важное значение при этом имеет выбор наиболее характерного для изучаемого изделия сечения.

Условия отбора проб для контроля качества металла (число образцов, их размер, место вырезки и др.) указывается в стандартах и технических условиях на конкретные виды металлопродукции. В частности, макроструктуру прутков и заготовок обычно контролируют на поперечных макрошлифах.

Поверхность макрошлифов перед травлением подвергают торцеванию, строганию или шлифованию. После механической обработки поверхность должна быть ровной и гладкой, без значительного наклона и прижога металла. При зачистке на шлифовальном станке во время перехода с крупнозернистой на мелкозернистую шлифовальную бумагу образцы отчищают от наждачной пыли, поворачивают под углом 90° и шлифуют до тех пор, пока не исчезнут следы предыдущей обработки. На поверхности макрошлифов не должно быть загрязнений, следов масла и т.п., поэтому после шлифовки образцы необходимо промыть водой для удаления абразива. На образцах не должно быть пленки окислов и грубых рисок. После шлифования образцы вытирают и подвергают травлению.

Выбор того или иного способа макротравления шлифа зависит от задачи, поставленной при исследовании конкретных заготовок.

Методы макростроения подразделяют на три основные группы: грубого травления, поверхностного травления, отпечатков.

Для выявления дефектов, нарушающих сплошность стали, применяют реактивы глубокого и поверхностного травления. Выявление основано на том, что соответствующие реактивы более сильно воздействуют на участки, где имеются дефекты несплошности. После травления поверхность макрошлифа в указанных участках протравливается более сильно и глубоко и они четко выявляются на фоне более выступающих и светлых (то есть менее сильно протравленных) участков без подобных дефектов.

Структура, выявляемая глубоким травлением, сравнительно слабо зависит от подготовки поверхности образцов; поверхностное травление или метод отпечатков требует более тщательной подготовки поверхности.

Реактивы глубокого травления используют для макроанализа слитков (отливок) и проката (поковок). Их применяют для определения флокенов, трещин, рыхлости, пор, не выходящих непосредственно на поверхность металла.

Реактивы поверхностного травления выявляют крупную пористость и другие дефекты несплошности, выходящие на поверхность.

Составы применяемых реактивов приведены в табл. 2.1. При травлении макрошлифы предварительно протирают спиртом или другими составами для удаления поверхностных загрязнений и после этого погружают в ванну с реактивом таким образом, чтобы он шлифованной поверхностью не соприкасался со стенками ванны. В ряде случаев травление проводят протиркой тампоном, смоченном в реактиве. Образцы перед травлением рекомендуется подогревать до температур раствора. Время травления должно быть более продолжительным (в рекомендованных пределах) для легированных и кислотостойких сталей, для металла с по­вышенной твердостью, при травлении образцов без подогрева или в менее нагретом растворе.

После травления образцы промывают в проточной воде и просушивают. При необходимости хранения образцы рекомендуется дополнительно обрабатывать 10%-ным спиртовым раствором аммиака или промыть спиртом, а затем бесцветным лаком.

После травления макрошлиф приобретает рельефную поверхность с отчётливо видимыми осями дендритов (литая сталь), ликвационной неоднородностью, пористостью, трещинами и другими дефектами, а также волокнистой структурой (деформированная сталь).

Таблица 2.1

Реактивы и режимы травления макрошлифов

2.2.3. Основные поверхностные и внутренние дефекты

Поверхностные дефекты можно разделить на три основных группы: дефекты образовавшиеся из дефектов слитка или литой заготовки; образовавшиеся в процессе деформации; образовавшиеся при отделочных операциях.

1) Дефекты поверхности, образовавшиеся из дефектов слитка.

Раскатанное (раскованное) загрязнение - вытянутое в направлении деформации поверхностное загрязнение шлаком, огнеупором или теплоизоляционной смесью. На макрошлифах в зоне дефекта наблюдаются грубые включения.

Раскатанная (раскованная) корочка - частичное местное отслоение или разрыв металла, образовавшийся в результате раскатки (расковки) завернувшихся корочек, находящихся на поверхности слитка. На макрошлифах в зоне дефекта наблюдаются скопления неметаллических включений сложного состава и обезуглероживание.

Раскатанный (раскованный) пузырь - прямолинейная или продольная трещина, причина её образования наружный или поверхностный пузырь. На макрошлифе полость имеет форму мешка, заполненного окалиной.

Раскатанная (раскованная) трещина - разрыв металла образовавшийся при раскатке продольной или поперечной трещины. Дефект обезуглерожен.

Расслоение - трещины на кромках и торцах листов и других видах проката, образовавшиеся при наличии в металле усадочных дефектов и внутренних разрывов, повышенной загрязнённости неметаллическими включениями и пережога. Данные трещины не завариваются при последующей деформации. На макрошлифе дефект наблюдается с заглаженной, кристаллической светлой структурой.

Волосовины - нитевидные несплошности в металле, образовавшиеся при деформации имеющихся в нём неметаллических включений.

2) Дефекты поверхности, образовавшиеся в процессе деформации слитка.

Прокатная плёна - отслоение металла языкообразной формы, образовавшиеся вследствие раскатки рванин, подрезов. В месте дефекта может наблюдаться окисление и обезуглераживание.

Рванины - разрыв металла, обычно по кромкам листа и ленты, образовавшийся из-за нарушения технологии прокатки, а также при прокатке металла с пониженной пластичностью.

Трещина напряжения - прямолинейный или зигзагообразный разрыв металла, ориентированный обычно под прямым углом к поверхности. Образуется вследствие напряжений, связанных со структурными превращениями или неравномерным нагревом и охлаждением.

Ус - продольный выступ с одной или двух диаметрально противоположных сторон прутка. Образуется вследствие неправильной задачи металла в калибр.

Закат - прикатанный продольный выступ с одной или двух диаметрально противоположных сторон, образуется при вдавливании уса, грубых следов зачистки и грубых рисок. На поперечном микрошлифе дефект располагается под острым углом к поверхности.

Подрез - продольное углубление, расположенное по всей длине или на отдельных участках поверхности проката. Образуется вследствие неправильной привалковой арматуры и одностороннего перекрытия калибра.

Риска - продольное, тонкое углубление в виде канавки без выступа кромок с закруглённым или плоским дном. Образуется от царапания поверхности металла наварами и другими выступами на прокатной арматуре.

Вкатанная окалина - остатки окалины, вдавленные в поверхность металла при деформации.

Рябизна - углубления, образовавшиеся после удаления (механического) вкатанной окалины

3) Дефекты поверхности, образовавшиеся при отделочных операциях.

Травильные трещины - разрывы, иногда в виде сетки, образовавшиеся при травлении металла, имевшего остаточные напряжения от структурных превращений или деформаций. Данные трещины располагаются по границам зёрен.

Недотрав - пятна или полосы, образовавшиеся при неполном или неравномерном удалении окалины при травлении.

Перетрав - местное или общее разъедание поверхности металла при травлении.

Внутренние дефекты макроструктуры изучают в основном на поперечных макрошлифах и изломах. Темплеты для поперечных макрошлифов и продольных изломов вырезают перпендикулярно направлению прокатки (ковки). Поперечные макрошлифы оценивают путём сравнения с фотоэталонами шкал или отдельных дефектов. Гостами предусмотрена оценка макроструктуры по 5-ти балльным шкалам. Степень развития дефектов (балл) определяется количеством дефектных участков, их размерами, резкостью проявления. Наиболее распространёнными являются следующие дефекты.

Межкристаллитные трещины и прослойки - извилистые тонкие паукообразные полоски, направленные от оси прутка в стороны. Образуются при кристаллизации металла вследствие выделения на границах кристаллов плёнок окислов или сульфидов.

Ковочные трещины - разветвления в осевой зоне в виде креста, и расходящиеся от центра прутка. В изломе выглядят как грубые окисленные расслоения. Образуются вследствие высоких напряжений при ковке металла, имеющего при температурах деформации высокую прочность и низкую пластичность.

Флокены - тонкие разрывы металла округлой или овальной формы. На макрошлифах в виде тонких извилистых трещин длиной от 1 до 30 мм и более, а продольных изломах в виде светлых округлых пятен, отличающихся от остального излома серебристым кристаллическим строением. Данный дефект развивается из микротрещин, возникновение которых обусловлено хрупкостью металла, высокой концентрацией водорода и напряжениями от структурных превращений. Образуются в процессе охлаждения стали при температурах £ 200°С.

Корочки - участки металла различной травимости, разные по форме и величине. Могут быть тёмными или светлыми в зависимости от места расположения по высоте слитка, от химического состава, температуры образования и степени насыщенности газовыми и неметаллическими включениями. В основном это кислородные экзогенные включения. Наиболее часто образуются на поверхности жидкого металла в изложнице и вследствие большей плотности твёрдого металла тонут в жидком металле, увлекая вместе с собой скопления включений (тёмные корочки). При перерывах в разливке, вследствие чего металл, находящийся в сифонных проводках, успевает окислиться и загустеть образуются неметаллические включения (светлые корочки).

Скворечник - разрыв внутри деформированного металла, иногда выходящий на поверхность. Образуется из внутренней, обычно поперечной, трещины, возникающей при посадке холодных слитков печь со слишком высокой температурой.

Черновины - группа трещин, надрывов в осевой части прутка в виде рыхлой, сильно травящейся внутренней зоны или отдельных пятен. Образуется при деформации вследствие перегрева, пережога осевой зоны прутка. Возникновение дефекта связано с зональной и дендритной ликвацией, приводящей к обогащению отдельных участков ликватами, имеющими более низкую температуру плавления по сравнению со средним составом стали.

2.3. Порядок выполнения работы и обработка результатов

2.3.1. Виды и характеристика ликвационных дефектов

Ликвация - это неоднородность отдельных участков металлов по хими-

ческому составу, структуре, неметаллическим включениям.

Предусматривается классификация и оценка четырёх видов ликвации.

1) Точечная ликвация или точечная неоднородность - мелкие округлые, сильно травящиеся (матовые) точки, расположенные по всему сечению образца, за исключением краевой зоны. Развитие дефекта (балл) в основном определяется количеством точек и растравом металла в них. Принимаются во внимание размеры точек и площадь образца, поражённая ими. В закалённом продольном изломе ликвация иногда обнаруживается в виде полосок с более светлой кристаллической структурой. Уменьшается при снижении в стали серы, фосфора, кислорода и азота.

2) Пятнистая ликвация - отдельные тёмные пятна различных размеров и формы. По расположению на образцах различают два вида пятнистой ликвации общую и краевую. Мерами предупреждения данного дефекта является уменьшение содержания газов, оптимальное раскисление металла, выпуск перегретого металла.

3) Ликвационный квадрат или ликвационный круг контуры ликвации определяются контурами слитка. На макротемплете выявляется в виде полоски металла (располагающейся чаще на середине радиуса или ¼ стороны квадрата), травящейся более интенсивно по сравнению с остальной частью шлифа. Уменьшается при уменьшении массы слитка, снижения содержания серы, фосфора, а также понижения температуры разливки.

4) Подусадочная ликвация - тёмные, легко растворяющиеся участки металла в центре заготовок. Появление тёмных пятен может быть обусловлено также науглероживанием металла от утепляющих засыпок, содержащих углерод. Для исключения данного дефекта необходимо точно регулировать величину обрези прибыльной части слитка.

Для уточнения классификации дефектов и выявления ликвации рекомендуется дополнительная проверка методами по­верхностного травления и отпечатков.

2.3.2. Определение химической неоднородности стали

Для оценки химической неоднородности распределения таких вредных (в большинстве случаев) примесей, как сера и фосфор, а также углерод ис­пользуют отдельные частные методики, которые позволяют выявить зо­нальную, внутридендритную или межкристаллитную ликвацию этих эле­ментов.

1) Для выявления ликвации серы используют метод серного отпечатка (метод Баумана) по ГОСТ 10243-75, который можно отнести к группе ме­тодов поверхностного травления. При снятии отпечатка с высокосернистых (автоматных) сталей макрошлифы предварительно протирают тампоном, смоченным в 2-5%-ном растворе серной кислоты (Н₂SO₄), удаляя при этом продукты первичной реакции.

Отпечаток снимают на бромсеребряную фотобумагу, соответственную размерам темплета (унибром по ГОСТ 10752-79). Листы фотобумаги вы­держивают 5-10 минут на свету в 2…5%-ном растворе серной кислоты, затем слегка просушивают между листами фильтровальной бумаги и наклады­вают эмульсионной стороной на поверхность макрошлифа. С обратной стороны фотобумагу непрерывно поглаживают резиновым валиком или тампоном, не допуская ее смещения, до полного удаления пузырьков газа, образующихся при реакции, а также газов, оставшихся между бумагой и макрошлифом, так как эти пузырьки оставляют на бумаге белые пятна и искажают результаты анализа. Фотобумагу выдерживают на макрошлифе при температуре ~20°С в течение 3…10 минут в зависимости от легирования стали и содержания в ней серы. Полученный отпечаток промывают в воде, фиксируют в растворе гипосульфита в течение 15 минут, тщательно промывают в воде, просушивают. На участках повышенного содержания серы бумага окрашивается в светло-коричневый цвет (на легированной стали) или в темно-коричневый цвет (на углеродистой стали с повышенным содержанием серы, а также фосфора) и указывает форму и характер распре­деления сульфидов.

Происхождение такого рода реакции объясняется следующим. Сера находится в стали в виде соединений с марганцем (МnS) или железом (FeS). На тех участках поверхности металла, на которых имеются скопления сернистых соединений (сульфидов), происходит реакция между ними и серной кислотой, оставшейся на фотобумаге:

MnS + Н₂SO₄ ¾® MnSO₄ + Н₂S (2.1)

или

FeS + Н₂SO₄ ¾® FeSO₄ + Н₂S (2.2)

Образующийся водород непосредственно против очагов своего выде­ления воздействует на кристаллики бромида серебра фотоэмульсии, поэтому на этих участках происходит дальнейшая реакция

Н₂S + 2AgBr ¾® 2HBr + Ag₂S (2.3)

2) Для выявлении ликвации фосфора в стали и чугуне методом травле­ния используют реактив Гейна, содержащий 85 г хлористой меди (CuCl₂), 53 г хлористого аммония (NH₄Cl) на 1000 мл воды.

При погружении макрошлифа в реактив в течение 30…60 с происходит обменная реакция: железо вытесняет медь (поры, трещины, неметаллические включения), происходит травление. Макрошлиф вынимают, слой осевшей меди снимают ватным тампоном под струей воды и протирают макрошлиф досуха, чтобы предохранить его от быстрого окисления на воздухе. Участки, обогащенные фосфором, окрашиваются в более темный цвет.

Для выявления ликвации фосфора, наряду с реактивом Гейна, часто используют реактивы Обергоффера и Стэда (табл. 2.1). Реактив Обергоффера обеспечивает медленное и равномерное формирование картины травления. Обогащенные фосфором места остаются гладкими, в то время как обедненные им становятся шероховатыми вследствие образования на них тонкой медной пленки. Контрастность выявления макроструктуры можно повысить, используя многократное промежуточное полирование и повторное травление.

Реакция Стэда при многократном повторении процесса травления позволяет получить желаемый результат. Травление осуществляется примерно 1 минуту. Образование медного слоя на поверхности темплета начинается на свободных от фосфора участках и постепенно распространяется на участки феррита с незначительным содержанием фосфора. В результате длительного травления только участки с высоким содержанием фосфора остаются без медного покрытия.

3) Для выявления присутствия свинца в стали и его скоплений исполь­зуют метод Врэгга по ГОСТ 10243-75. Подготовленный макрошлиф опускают в 10%-ный раствор персульфата аммония, выдерживают до получения серой окраски, промывают в проточной воде до удаления серого на­лета и высушивают. Бромсеребряную фотобумагу обрабатывают для удаления солей серебра фиксажем в течение 7…10 мин, промывают в проточной воде и высушивают. Затем фотобумагу замачивают в течение 5…7 мин в 5%-ном водном растворе едкого натра, слегка просушивают фильтровальной бумагой и накладывают эмульсионной стороной на образец. Протиркой тампоном в течение 5 мин обеспечивают плотный контакт фотобумаги с поверхностью образца.

Готовый отпечаток погружают на 10…15 с в 5%-ный водный раствор сульфида натрия, промывают и высушивают. При наличии в стали свинца отпечаток приобретает светло-коричневый цвет с темными пятнами в местах ликвации. При отсутствии свинца цвет бумаги не изменяется.

После изучения сущности основ макроанализа, осуществить подготовку макрошлифов, предназначенные для выявления ликвации серы и фосфора, а также для установления присутствия в стали свинца.

Разработать для каждого случая схему травления и осуществить ее.

При перемене реактива снова подготавливают поверхность макрошлифа. Ее достаточно прошлифовать шкуркой с мелким зерном, чтобы снять следы предыдущего травления.

2.4. Оформление отчета об исследовании

1. Изучение макроанализа шлифов

Цель работы:

Выявленные дефекты, характеристика режимов травления макрошли­фов:

Методика проведения работы:

2. Результаты наблюдений.

Обосновать выбор методики выявления макроструктуры и описать по­лученные результаты.

Зарисовать фигуры травления (приложение - отпечатки, полученные а фотобумаге) и сделать вывод о качестве изучаемого металла.

Полученные результаты (отпечатки) сравнить с внутризаводскими эта­лонами.

2.5. Контрольные вопросы

1. Какие задачи решает макроанализ и виды макроанализа?

2. Как готовятся макрошлифы?

3. Какие реактивы и режимы используются при макроанализе?

4. Поверхностные дефекты и их характеристика?

5. Внутренние дефекты и особенности макроструктуры в этом случае?

6. Ликвацию какого элемента можно получить с помощью отпечатка Баумана, где используется реактив Гейна?

7. Какое влияние оказывают сернистые неметаллические включения на свойства стали, виды сернистых включений?

8. Как влияет фосфор на свойства стали?

9. Какое содержание серы и фосфора допустимо в качественных сталях и чугунах и почему?

10. Способы устранения вредного влияния серы, фосфора, свинца в стали.

Поиск по сайту: