O nastanku krogličastih in UDK: 620 186 14 ° ASM/SLA: M21c, 9—69 prozornih vključkov aluminijevega oksida v jeklih F. Vodopivec, B. Koroušič, B. Ralič in J. Arh Kratek pregled literature. Opis oblike vključkov na osnovi opazovanj v optičnem in raster mikroskopu. Sestava vključkov in jekel v katerih so nastali. Razprava o pogojih za nastanek vključkov in njihovo ohranitev v jeklu. Krogličaste vključke s premerom do 2 [xm sta opazila Plockkinger in Wahlster v ostanku kisle raztopitve jekel, pomirjenih z aluminijem (1), krogličaste vključke aluminijevega oksida so opazili tudi Ooi, Sekine in Kasai (2). Pred nekaj časa smo opazili krogličaste vključke na metalograf-skih obruskih jekel, ki so kristalizirala v laboratorijski kokili po desoksidaciji z aluminijem (3,4). Steinmetz in Lindenberg sta ugotovila (5), da med desoksidacijo mirujoče taline čistega železa z aluminijem nastajajo krogličasti vključki z reakcijo med kisikom v raztopini v talini in dodanim aluminijem (5). Ko se podaljša čas reakcije, nastajajo vključki z dendritno obliko in končno se ti razvijajo v zrnate vključke, kakršne najdemo normalno v jeklih, dezoksidiranih z aluminijem. Izvršili smo nekatere raziskave z namenom, da opredelimo pogoje, v katerih se lahko v jeklu razvijajo krogličasti vključki aluminijevega oksida. Vzorce za preiskave smo vzeli iz jeklene taline po različnih tehnoloških posegih, npr.: pihanje kisika in dodatek desoksidantov. Če jeklo ni bilo predhodno dezoksidirano z aluminijem, smo desoksidacijo s tem elementom izvršili v laboratorijski kokili, v katero smo vlili vzorce za preiskave in analize. V tabeli 1 je sestava vseh preiskanih jekel. Količina prostega kisika je bila izračunana s predpostavko, da je bila talina brez aluminija, ta je bil dodan v laboratorijsko kokilo, in pri 1600° C v ravnotežju z vsebino ogljika in silicija, kolikor je teh elementov pokazala kemijska analiza strjenega jekla. Metalografske preiskave so pokazale različne vrste oksidnih vključkov v jeklih: krogličaste vključke manganovega alumosilikata; krogličaste vključke kalcij-aluminijevih silikatov, vključke kalcijevega aluminata, galaksitne vključke, zrnate vključke aluminijevega oksida in krogličaste in prozorne vključke s premerom do ca. 20 txm (si. 1 in 2). Ti vključki so pokazali pri mikroskopiranju v polarizirani svetlobi križ, ki je značilen za silikatne vključke. Opazovanje jedkanih površin obruskov v raster elektronskem mikroskopu je pokazalo, da je bila površina krogličastih vključkov gle v posamičnih primerih popolnoma gladka. Često so iz površine rastle zaobljene protuberance, krogličasti vključki pa so bili povezani v pare in v večje sprege (si. 3, 4, 5, 6 in 7). .Jfl M jm* MP > >£. V! * 40/j Al Slika 1 Mikroposnetek v navadni (M) in polarizirani svetlobi pod navzkrižnimi nikoli (MP), elektronski posnetek sestave (E) in specifični X posnetek za Al (Al). Različno veliki prozorni in prosojni krogličasti vključki aluminijevega oksida. Jeklo 2. Fig. 1 Microphotograph in ordinary (M) and polarized light un-der crossed nicols (MP), electron picture (E) and specific X-ray picture for Al (Al). Transparent and translucent spheroidal inclusions of aluminium oxide of various sizes. Steel 2. Analiza v elektronskem mikroanalizatorju je pokazala, da so krogličasti vključki brez silicija, kalcija, mangana, žvepla in drugih elementov ter da je v njih največ 0,1 % železa. Analiza je bila izvršena s snopom s premerom pod 1 um in z energijo 15 kV. Kljub temu je lahko majhna količina železa posledica analitske napake zaradi fluores-cence matriksa med analizo v elektronskem mikroanalizatorju. Zato je mogoče iz analize sklepati, da so krogličasti vključki čisti aluminijev oksid. Ni bilo preverjeno, ali je to oksid tipa A1303 ali kak drug aluminijev oksid. Iz podatkov v tabe- li 1 je mogoče sklepati, da na nastanek krogličastih in prozornih vključkov aluminijevega oksida ne vpliva prisotnost različne količine ogljika, silicija, mangana in različnih nečistoč v jekleni talini. Tudi nima vpliva prisotnost drugih vrst vključkov v jekleni kopeli, na primer silikatov, aluminatov ali zrnatih vključkov A1203. Vključki nastajajo v širokem intervalu koncentracije kisika v talini in pri zelo različnih dodatkih aluminija za desok-sidacijo jeklene taline. To je nekoliko v protislovju s podatkom iz reference 5, da nastajajo krogličasti vključki aluminijevega oksida le pri določeni količini kisika, raztopljenega v jekleni talini. To nesoglasje je najverjetneje posledica razlike v kristalizaciji jekla. Kristalizacija se je izvršila pri preiskusih, opisanih v referenci 5, zelo počasi, v našem primeru pa so se jekla zelo hitro strdila. V paralelnih vzorcih jekla, ki niso bili desoksi-dirani v laboratorijski kokili, smo opazili le vključke brez aluminijevega oksida in zrnate vključke tega oksida. V vzorcih, ki so bili vzeti po desoksidaciji jekla iz ponovce, smo našli pretežno zrnate vključke aluminijevega oksida, posamične • • Slika 2 Mikroposnetki v navadni in polarizirani svetlobi pod navzkrižnimi nikoli, krogličasti vključki aluminijevega oksida in vključki galaksita. Fig. 2 Microphotographs in ordinary and polarized light under crossed nicols, spheroidal inclusions of aluminium oxide and galaxite inclusions. in zelo redke krogličaste vključke aluminijevega oksida in nobenih prozornih vključkov tega oksida. Enako velja za vzorce jekla, ki so bili odrezani od blokov istih jekel. Metalografska preiskava ni pokazala nobenih posebnih značilnosti v porazdelitvi krogličastih vključkov aluminijevega oksida, često pa so bili zbrani v gruče. V krogličastih in prozornih vključ-kih nismo nikdar opazili zrastkov drugih oksidov, ki so bili sicer prisotni v jeklu kot samostojni vključki. Kaže torej, da nastanejo krogličasti in prozorni vključki alumnijevega oksida z reakcijo med kisikom, ki je raztopljen v jekleni talini in aluminijem, ki je bil dodan za dezoksidacijo, kot navaja vir 5, in ne z redukcijo drugih oksidov, prisotnih v talini pred dodatkom aluminija. Lahko torej sklepamo, da v ravnotežnih pogojih nastajajo krogličasti vključki pri določenem potencialu kisika v jekleni talini, pri intenzivni desoksidaciji, ki se izvrši v laboratorijski kokili, pa predstavljajo krogličasti vključki prvo stopnjo reakcije med kisikom raztopljenim v talini, in aluminijem, ki je bil dodan za dezoksidacijo ter zato njihov nastanek ni pogojen z določeno aktivnostjo kisika v talini. SKLEP V jeklih, ki so bila dezoksidirana z aluminijem in hitro strjena v laboratorijski kokili, smo opazili krogličaste in prozorne vključke aluminijevega oksida, ki so na metalografskih obruskih zelo podobni prozornim silikatnim vključkom. Na nastanek krogličastih in prozornih vključkov aluminijevega oksida ne vpliva prisotnost drugih vrst oksid-nih vključkov v jeklu ter različna množina ogljika, silicija in mangana in nečistost v jekleni talini. Vključki nastanejo v širokem intervalu koncentracije kisika in v širokem intervalu količine aluminija, ki je bil dodan za dezoksidacijo jeklene taline. Na osnovi sedanjih spoznanj sklepamo, da nastajajo vključki v začetku intenzivne dezoksidaci-ske reakcije med kisikom, ki je raztopljen v jekleni talini, in aluminijem, ki je bil dodan za dezoksidacijo. Viri 1. E. Plockinger in M. Wahlster: Stahl und Eisen 80, 1960, 639— 2. H. Ooi, T. Sekine in G. Kasai: Trans. ISIJ 15, 1975, 371— —379 3. F. Vodopivec in B. Ralič: Železarski Zbornik 6, 1972, št. 4, 215—229 4. F. Vodopivec, J. Arh in B. Ralič: Železarski Zbornik 9, 1975, št. 3, 167—179 5. E. Steimetz in H. U. Lindenberg: Archiv Eisenhiitten-wesen 47, 1976, april, 199—204 Slika 3, 4, 5, 6 in 7 Posnetki krogličastih vključkov aluminijevega oksida v raster mikroskopu. Fig. 3, 4, 5, 6 and 7 Pictures of spheroidal inclusions of aluminium oxide in the scanning microscope. Tabela: Sestava jekel v % C Si Mn O1 O,2 Al,3 VkljuSki 1 0,06 0,19 0,21 0,049 0,0114 0,057 A 2 0,13 0,28 1,41 0,032 0,0069 0,18 B 3 0,15 0,35 1,12 0,015 0,0069 0,034 C, D 4 0,62 0,26 0,59 0,031 0,0091 0,14 A, D 5 0,04 0 0,28 0,072 0,0506 0,12 B, C, D 6 0,12 0 0,15 0,065 0,017 0,06 D 7 0,16 0,38 1,16 0,047 0,0067 0,06 B,C 8 0,06 0,27 0,45 0,053 0,009 0,24 D 9 0,12 0,22 1,13 0,015 0,0072 0,055 A, C, D 10 0,71 0,34 0,49 0,029 0,003 0,24 C, D 11 0,16 0,38 1,16 0,009 0,0067 0,076 A, C, D 12 0,05 0 0,22 0,072 0,0405 0,26 B,C 1. Skupna količina kisika v jeklu 2. Izračunana količina kisika, ki je pri 1600°C v ravnotežju z ogljikom in silicijem v jekleni talini 3. Kislinoto-pen aluminij (dodan za dezoksidacijo jekla v laboratorijski kokilici) 4. Viključki v jetklu poleg krogličastih in prozornih vključkov aluminijevega oksida A — zrnati vključki aluminijevega oksida, B — galaksit, C — krogličast kalcijev aluminat, D — ikrogličast kalcij--aluminijev silikat ZUSAMMENFASSUNG Die Untersuchungen an einern mit Aluminium vollbe-ruhigten und in der Probeentnahmekokille schnellerstar-renden Stahl zeigten das Vorhanden kugeliger und durch-sichtiger Einschliisse, deren Elektronenmi\kroanalyse nicht anderes als nur Aluminiumoxyd ergab. Die Einschliisse sind in Stahlen mit verschiedenen Gehalten an Kohlen-stoff, Silizium, Mangan und anderen Begleitelementen ent-standen, bei verschiedenem Aluminiumzusatz fiir die Desoxydation und bei verschiedenem Sauerstoffgehalt, welches zur Zeit der Desoxydation in der Stahlschmelze gelosst war. Solche Einschliisse sind auch in der Stahlschmelze entsta-nden in welcher schon friiher andere Sor- ten oxydischer Einschliisse, so wie auch kornige Alumi-niumoxydeinschliisse anwesend waren. Die Untersuchungen im Rastermikroskop ergaben, dass die Oberflache dieser Einschliisse nicht glatt ist son-dern, dass aus der Oberflache abgerunderte Protuberan-zen heraus wachsen. Die Beobachtungen zeigten, dass diese Einschliisse wahrscheinlich am Anfang der intensi-ven Desoxydationsreaktion zwischen dem in der Schmelze gelostem Sauerstoff und dem Aluminium, vvelcher zur Desoxydation zugegeben worden ist entstanden sind und sind im Stahl wegen der grossen Abkiihlgeschwindigkeit desselben in der Probeentnahmekokille arhalten geblieben. SUMMARY Investigations of steel deoxidized by aluminium and rapidly cooled in a laboratory mould revealed spheroidal and transparent inclusions vvhich composition determined by electron microanalyzer was only aluminium oxide. The inclusions were formed in steel with various contents of carbon, silicon, manganese and impurities, at various additions of deoxidizing aluminium and various contents of dissolved oxygen in the melts. Such inclusions were formed also m steel melts containing other oxide inclusions and also grained inclusions of aluminium oxide. Investigation by scanning microscope revealed that sur-face of inclusions is not smooth but rounded protuberan-ces grow out of it. Observations show that inclusions were probably formed in the initial stages of intensive deoxidi-zing reaction between the aluminium and the dissolved oxygen in the melt, and they were preserved in steel due to rapid cooling in the laboratory mould. 3AKAIOTEHHE HccAeAOBaHHH noKa3aAH, nro cTaAH, npeABapHTeABHO pacKHCAe-HHHe C a.MOMHHHCM K SbICTpO OTBepAeAbie B Aa6opaTOpiILIX k3ao»t-HHitax coAepacaT inapoBHAHbie H npo3paKc coAep>KaA bkaio-teHHH OKHCefi apythx BHAOB, a TaKHCe 3epHHCTbte BKAIOMeHHH okhch aAIOMHHHH. HcCACAOBaHHSr c paCTpOBbIM MHKpOCKOnOM noKa3aAH, mto noBepmHocTb BKA104CHHH He rAaTKaa: Ha n0BepxH0CTH npopa-cTaHiia 3aKpyAeHHbix npoTy5epaHH. HccAeAOBaHHH TaK«e noKa3aAH, mto BKAioyeiiHH bo3mojkho 06pa30BaAHCb B Ha^aAe hhtchchbhoh pcaKunii pacKncAeHHH mcžkav aAiOMHHHeM h khcaopoaom b pacTBope pacnAaBa CtaAH, H COXpaHH-AHCb B CTaAH BCAeACTBHH 6blCTpOrO OTBepAeHHH B Aa6opaTOpHbix H3AO>KHHHaX.