blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2025-3-274-279blackmet-2911Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEНеметаллические включения в микропорах массивных стальных отливокNon-metallic inclusions in micropores of massive steel castingsГойхенбергЮ. Н.GoikhenbergYu. N.

Юрий Нафтулович Гойхенберг, д.т.н., старший научный сотрудник, профессор кафедры «Материаловедение и физико-химия материалов»

Россия, 454080, Челябинск, пр. Ленина, 76

Yurii N. Goikhenberg, Dr. Sci. (Eng.), Senior Researcher, Prof. of the Chair of Materials Science and Physical Chemistry of Materials

76 Lenina Ave., Chelyabinsk 454080, Russian Federation

goikhenbergyn@susu.ruКулаковБ. А.KulakovB. A.

Борис Алексеевич Кулаков, д.т.н., профессор кафедры «Пирометаллургические и литейные технологии»

Россия, 454080, Челябинск, пр. Ленина, 76

Boris A. Kulakov, Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Chair of Pyrometallurgical and Foundry Technologies

76 Lenina Ave., Chelyabinsk 454080, Russian Federation

kulakovba@susu.ruПолухинД. С.PolukhinD. S.

Дмитрий Сергеевич Полухин, к.т.н., исполнительный директор

Россия, 454010, Челябинск, Енисейская ул., 8

Dmitrii S. Polukhin, Cand. Sci. (Eng.), Executive Director

8 Eniseiskaya Str., Chelyabinsk 455030, Russian Federation

polukhin.dmitriy@konar.ruЮжно-Уральский государственный университетРоссияSouth Ural State UniversityRussian FederationООО «Научно-технический центр Конар»РоссияLLC “Scientific and Technical Centre KONAR”Russian Federation202501072025683274279Copyright © Гойхенберг Ю.Н., Кулаков Б.А., Полухин Д.С., 20252025Гойхенберг Ю.Н., Кулаков Б.А., Полухин Д.С.Goikhenberg Y.N., Kulakov B.A., Polukhin D.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2911

Изучение литой структуры отливок позволяет оптимизировать технологические параметры процесса литья и повысить качест­во литых заготовок. Проведены электронно-микроскопические исследования неметаллических включений и рентгеноспектральный анализ их микрообъемов в металлических пластинах, вырезанных из дефектных участков массивной отливки. Исследованы «свежие» изломы ударных образцов с острым V-образным надрезом, разрушенных при –60 °С. Установлено, что на границах и в теле зерен отливки практически отсутствуют окисные пленки и неметаллические включения. Последние встречаются на внутренней поверхности микропор или вблизи них по краю, а на границах зерен или в их теле присутствуют карбонитриды алюминия. Определение химического состава неметаллических включений в микрообъемах порядка 1 мкм3 позволило установить их природу и возможные причины появления, а также сформулировать практические рекомендации по предотвращению визуально наблюдаемых дефектов в массивной отливке. Для повышения качества и уменьшения количества возникающих в отливке микропор необходимо использовать при выплавке стали более чистую шихту, не содержащую цинк, который имеет низкую температуру кипения. При заливке формы его пары вместе с другими газами поднимаются к прибыли, под которой в результате кристаллизации оседают в чистом виде или в виде соединений типа ZnO на стенках образующихся микропор, рыхлостей, раковин. Кроме того, требуется более тщательно удалять шлак, чтобы он не участвовал в образовании пор, и его частицы не осаждались в порах или вблизи них в виде магнезиальной шпинели, сульфидов кальция и марганца, оксидов железа, алюминия, кальция и др. Также требуется ограничить остаточное содержание алюминия в стали после ее раскисления до 0,03 %, как принято в металлургическом производстве, и минимизировать содержание смолы в материале формы.

The study of the cast structure of castings makes it possible to optimize the technological parameters of the casting process and improve the quality of cast billets. Electron microscopic studies of nonmetallic inclusions and X-ray spectral analysis of their micro-volumes in metal plates cut from defective sections of a massive casting were carried out. The “fresh” fractures of impact samples with a sharp V-shaped incision destroyed at –60 °C were investigated. It was found that there are practically no oxide films and non-metallic inclusions at the boundaries and in the body of the casting grains. The latter occur on the inner surface of micropores or near them at the edge, and aluminum carbonitrides are present at the grain boundaries or in their body. Determination of chemical composition of non-metallic inclusions in micro-volumes of the order of 1 µm3 allowed us to establish their nature and possible causes of their appearance, as well as formulate practical recommendations for the prevention of visually observable defects in a massive casting. To improve the quality and reduce the number of micropores occurring in the casting, it is necessary to use a cleaner charge that does not contain zinc. Zinc has a low boiling point (907 °C [10]), and, when casting the mold, its vapors, along with other gases, rise to a casting head, under which, as a result of crystallization, they settle in pure form or in the form of ZnO-type compounds on the walls of the resulting micropores, shrinkage porosities, cavities. In addition, it is necessary to remove the slag more carefully so that it does not participate in pores formation, and its particles do not precipitate in or near the pores in the form of magnesia spinel, calcium and manganese sulfides, iron, aluminum, calcium oxides, etc. It is also required to limit the residual aluminum content in steel after its deoxidation to 0.03 %, as is customary in metallurgical production, and to minimize the resin content in the mold material.

массивная отливкарастровая электронная микроскопиямикропорыплавканеметаллические включениярентгеноспектральный анализmassive castingscanning electron microscopymeltingmicroporesnonmetallic inclusionsX-ray spectral analysisReferencesПроизводство стальных отливок: Учебник для вузов / Козлов Л.Я., Колокольцев В.М., Вдовин К.И. и др. / Под ред. Л.Я. Козлова. Москва: МИСИС; 2003:352.Kozlov L.Ya., Kolokol’tsev V.M., Vdovin K.I., etc. Production of Steel Castings. Textbook for Universities. Moscow: MISIS; 2003:352. (In Russ.).Шульте Ю.А. Производство отливок из стали. Киев; Донецк: Вища школа; 1983:184.Shul’te Yu.A. Production of Castings from Steel. Kiev; Donetsk: Vishcha shkola; 1983:184. (In Russ.).Бабаcкин Ю.В. Структура и свойства литой стали. Киев: Наукова думка; 1980:240.Babaskin Yu.V. Structure and Properties of Cast Steel. Kiev: Naukova dumka; 1980:240. (In Russ.).Казанцев М.Н., Флегентов И.А., Жевелев О.Ю. Качество литых корпусных деталей запорной арматуры и насосов. Оборудование и технологии для нефтегазового комп­лекса. 2016;(5):8–15.Kazantsev M.N., Flegentov I.A., Zhevelev O.Yu. Quality of cast body parts of shut-off valves and pumps. Oborudovanie i tekhnologii dlya neftegazovogo kompleksa. 2016;(5):8–15. (In Russ.).Чечуха В.И., Садоха М.А. Дефекты при литье под высоким давлением и меры предупреждения газовых дефектов. Литье и металлургия. 2023;(4):16–24. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2023-4-16-24Chechukha V.I., Sadokha M.A. Defects in high-pressure casting and measures to prevent gas defects. Lit'e i metallurgiya. 2023;(4):16–24. (In Russ.). https://doi.org/10.21122/1683-6065-2023-4-16-24Григорович К.В., Красовский П.В., Трушникова А.С. Анализ неметаллических включений – основа конт­роля качества стали и сплавов. Аналитика и контроль. 2002;6(2):133–142.Grigorovich K.V., Krasovskii P.V., Trushnikova A.S. Analysis of non–metallic inclusions as the basis for quality control of steel and alloys. Analitika i kontrol’. 2002;6(2):133–142. (In Russ.).Harris M.L., Richards V.L., Lekakh S., O’Malley R. Evolution of Non-Metallic Inclusions in Foundry Steel Casting Processes: Masters Theses. 2016:22–39.Harris M.L., Richards V.L., Lekakh S., O’Malley R. Evolution of Non-Metallic Inclusions in Foundry Steel Casting Processes: Masters Theses. 2016:22–39.Panichkin A.V., Korotenko R.Yu., Kenzhegulov A.K., Kshibekova B.B., Alibekov Zh.Zh. Porosity and non-metallic inclusions in cast iron produced with a high proportion of scrap. Complex Use of Mineral Resources. 2022;4(323): 68–76. https://doi.org/10.31643/2022/6445.42Panichkin A.V., Korotenko R.Yu., Kenzhegulov A.K., Kshibekova B.B., Alibekov Zh.Zh. Porosity and non-metallic inclusions in cast iron produced with a high proportion of scrap. Complex Use of Mineral Resources. 2022;4(323): 68–76. https://doi.org/10.31643/2022/6445.42Li P., Liu D., Pan Zh., Zhang P., Zhang G. Separation of non-metallic inclusions from high strength low alloy steel by electromagnetic stirring. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021;791:012085. https://doi.org/10.1088/1755-1315/791/1/012085Li P., Liu D., Pan Zh., Zhang P., Zhang G. Separation of non-metallic inclusions from high strength low alloy steel by electromagnetic stirring. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021;791:012085. https://doi.org/10.1088/1755-1315/791/1/012085Thiele K., Truschner C., Walkner C., Meisel T.C., Ilie S., Rössler R., Michelic S.K. Investigating the origin of non-metallic inclusions in Ti-stabilized ULC steels using diffe­rent tracing techniques. Metals. 2024;14(1):103. https://doi.org/10.3390/met14010103Thiele K., Truschner C., Walkner C., Meisel T.C., Ilie S., Rössler R., Michelic S.K. Investigating the origin of non-metallic inclusions in Ti-stabilized ULC steels using diffe­rent tracing techniques. Metals. 2024;14(1):103. https://doi.org/10.3390/met14010103ГОСТ 1778-2022. Металлопродукция из сталей и сплавов. Металлографические методы определения неметаллических включений. Москва: Российский институт стандартизации; 2023.GOST 1778-2022. Metal products made of steels and alloys. Metallographic methods for the determination of non-metallic inclusions. Moscow: Russian Institute of Standardization; 2023. (In Russ.).Шульте Ю.А. Неметаллические включения в электростали. Москва: Металлургия; 1964:207.Shu’lte Yu.A. Nonmetallic Inclusions in Electrical Steels. Moscow: Metallurgiya; 1964:207. (In Russ.).Кислинг Р., Ланге Н. Неметаллические включения в стали. Москва: Металлургия; 1968:124.Kisling R., Lange N. Nonmetallic Inclusions in Steel. Moscow: Metallurgiya; 1968:124. (In Russ.).Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. Москва: МИСИС; 1994:328.Gorelik S.S., Skakov Yu.A., Rastorguev L.N. Radiographic and Electron-Optical Analysis. Moscow: MISIS; 1994:328. (In Russ.).Быков Ю.А., Карпухин С.Д. Растровая электронная микроскопия и применение: Учебное пособие по курсу «Современные методы исследования структуры материала» / Под ред. Ю.А. Быкова. Москва: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана; 2002:30.Bykov Yu.A., Karpukhin S.D. Scanning electron microscopy and X-ray spectral microanalysis. Equipment, principle of operation, application: Handbook on the course “Modern methods of studying material structure”. Moscow: Bauman STU; 2002:30. (In Russ.).Guo J., Cheng S., Guo H., Yaguan Mail. Determination of non-metallic inclusions in an ingot of continuous casting of steel with an ultra-low carbon content, free of impurities, using the metallographic method, the electrolytic method and the RTO method. Scientific Reports. 2019;9(1):2929. https://doi.org/10.1038/s41598-018-36766-6Guo J., Cheng S., Guo H., Yaguan Mail. Determination of non-metallic inclusions in an ingot of continuous casting of steel with an ultra-low carbon content, free of impurities, using the metallographic method, the electrolytic method and the RTO method. Scientific Reports. 2019;9(1):2929. https://doi.org/10.1038/s41598-018-36766-6Болдин А.Н., Давыдов Н.И., Жуковский С.С. и др. Литые формовочные материалы. Формовочные, стержневые смеси и покрытия: Справочник. Москва: Машинострое­ние; 2006:507.Boldin A.N., Davydov N.I., Zhukovskii S.S., etc. Cast Molding Materials. Molding, Core Mixtures and Coatings. Reference Book. Moscow: Mashinostroenie; 2006:507. (In Russ.).Металлография железа. Том 2. Шредер А., Розе А. Структура сталей. Монография с атласом микрофотографий / Пер. с англ. Ленинград: Металлургия; 1972:284.De Ferri Metallographia: Metallographic Atlas of Iron, Steels and Cast Irons. Vol. II: Schrader A., Rose A. Structure of Steels. Verlag Stahleisen; 1966:559.Крылов С.А., Щербаков А.И., Макаров А.А., Тонышева О.А. Снижение содержания неметаллических вклю­­чений в коррозионностойкой азотсодержащей стали. Труды ВИАМ. 2017;53(5):3–13. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2017-0-5-1-1Krylov S.A., Shcherbakov A.I., Makarov A.A., Tonysheva O.A. Reduction of the content of non-metallic inclusions in corrosion-resistant nitrogen-containing steel. Trudy VIAM. 2017. 2017;53(5):3–13. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2017-0-5-1-1Эстрин И.А. Анализ с точки зрения энергоэффектив­ности теплотехнологий оксида цинка. Труды Ростовского государственного университета путей сообщения. 2021;(2(55)):147–150.Estrin I.A. Analysis from the point of view of energy efficiency of zinc oxide heat technologies. Trudy Rostov­skogo gosudarstvennogo universiteta putei soobshcheniya. 2021;(2(55)):147–150.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.