Что такое неметаллические включения

05.06.2026
Инженерные термины и определения

Неметаллические включения — это посторонние фазы в стали и сплавах, состоящие преимущественно из оксидов, сульфидов, силикатов и нитридов. Они образуются на разных этапах металлургического передела и являются концентраторами напряжений, снижая усталостную долговечность, пластичность и вязкость металла. Контроль неметаллических включений — обязательная часть оценки чистоты стали.

Что такое неметаллические включения и откуда они берутся

Неметаллические включения — мельчайшие частицы химических соединений, нерастворимые в твёрдой стали. Их размер обычно лежит в диапазоне от 1 до 50 мкм, реже встречаются крупные дефекты до 100–300 мкм. Содержание включений в качественной стали составляет всего 0,01–0,1 % по объёму, но их влияние на свойства непропорционально велико.

Эндогенные и экзогенные включения

Эндогенные — образуются непосредственно в жидкой стали в результате химических реакций. Главный источник — раскисление металла алюминием, кремнием, марганцем. Продукты раскисления (Al₂O₃, SiO₂, MnO) частично остаются в стали.
Экзогенные — попадают в металл извне: из футеровки сталеразливочных ковшей, шлака, разливочной оснастки. Их размер обычно крупнее эндогенных и форма более неправильная.

Принцип работы: как включения влияют на свойства стали

Неметаллические включения нарушают сплошность металлической матрицы и работают как концентраторы напряжений. Вокруг крупного твёрдого оксида при нагружении возникают пиковые напряжения, в 3–10 раз превышающие средний уровень.

Усталостные трещины в подшипниковых, рессорных и высокопрочных конструкционных сталях зарождаются преимущественно на оксидных включениях типа Al₂O₃ и шпинелях MgO·Al₂O₃ размером свыше 10–15 мкм.

Влияние на механические свойства

Снижение ударной вязкости KCV на 10–40 % при увеличении содержания сульфидов.
Уменьшение поперечной пластичности и относительного сужения ψ.
Анизотропия свойств после прокатки — продольные значения KCV выше поперечных в 2–4 раза.
Снижение усталостной долговечности подшипников ШХ15 при превышении балла оксидов 2,5.
Появление расслоений, флокенов и ликвационных трещин.

Виды и классификация неметаллических включений

Классификация ведётся по химическому составу и морфологии. В отечественной практике используют шкалы ГОСТ 1778-70, в международной — ISO 4967:2013 и ASTM E45-18a.

Тип включения	Состав	Обозначение по ГОСТ 1778-70	Эквивалент по ASTM E45
Сульфиды	MnS, FeS	С (строчечные)	Type A (Sulfide)
Оксиды строчечные	Al₂O₃, шпинели	ОС	Type B (Alumina)
Силикаты пластичные	FeO·SiO₂, MnO·SiO₂	СП	Type C (Silicate)
Силикаты хрупкие	сложные алюмосиликаты	СХ	Type C
Силикаты недеформирующиеся	муллит, корунд-стекло	СН	Type D (Globular oxide)
Оксиды точечные	FeO, MnO	ОТ	Type D
Нитриды	TiN, AlN, ZrN	НС, НТ	отдельная оценка

Морфологические особенности

Сульфиды MnS пластичны и при горячей прокатке вытягиваются в строчки длиной до нескольких миллиметров. Глинозём Al₂O₃ хрупок: при деформации он крошится и образует цепочки округлых частиц. Силикаты в зависимости от состава ведут себя по-разному — от пластичных эвтектических FeO·SiO₂ до недеформирующихся высокоглинозёмистых.

Применение оценки и где это критично

Контроль неметаллических включений обязателен для ответственных категорий сталей.

Подшипниковые стали (ШХ15, 100Cr6) — допустимый балл оксидов не выше 2,5–3 по ГОСТ 801 и ISO 683-17.
Рельсовая сталь — оценка по ГОСТ Р 51685, требования к глинозёмистым строчечным включениям.
Пружинные стали (60С2А, 65Г) — контроль строчечных оксидов, влияющих на усталость.
Высокопрочный крепёж класса 10.9–12.9 — контроль по EN ISO 898-1.
Трубные стали для магистральных газопроводов — требования к чистоте по API 5L.
Стали авиационного назначения — двойной и тройной переплав ESR/VAR.

Методы оценки и контроля

Металлографический метод по ГОСТ 1778-70

Шлиф полируют до зеркального блеска и оценивают при увеличении ×100. Каждый тип включений сравнивают с эталонной шкалой балльности от 0 до 6. Метод 1Ш — оценка худшего поля зрения, метод Ш1–Ш6 — статистический.

Автоматический анализ изображений

Современные системы на базе SEM-EDS (например, INCA Feature, ASPEX/ASCAT) позволяют автоматически классифицировать включения по составу и размеру. Стандарт ASTM E1245 описывает количественные параметры: объёмная доля, средний размер, плотность распределения.

Ультразвуковой контроль

Для крупных включений размером свыше 0,5 мм применяют иммерсионный УЗК с фокусирующими преобразователями частотой 10–25 МГц. Метод стандартизован для авиационных сталей по AMS 2154.

Способы снижения загрязнённости стали

Внепечная обработка — продувка аргоном, обработка синтетическими шлаками для всплытия включений.
Вакуумирование (VD, VOD, RH) — удаление газов и плавучих оксидов.
Модифицирование кальцием — превращение твёрдых Al₂O₃ в жидкие глобулярные кальциевые алюминаты.
Электрошлаковый переплав (ЭШП/ESR) — снижение содержания серы до 0,003 % и измельчение оксидов.
Вакуумно-дуговой переплав (ВДП/VAR) — наивысший уровень чистоты для авиационных и инструментальных сталей.
Защита струи от вторичного окисления при разливке инертными газами и шиберными затворами.

Преимущества и риски: двойственная роль включений

В большинстве случаев неметаллические включения — нежелательные дефекты. Однако некоторые из них специально вводят или контролируют как полезные.

Полезные эффекты:

Сульфиды MnS улучшают обрабатываемость резанием — основа автоматных сталей (А12, А40Г).
Нитриды TiN и AlN сдерживают рост зерна при нагреве (микролегирование).
Включения карбонитридов работают как центры дисперсионного упрочнения.

Вредные эффекты:

Снижение усталостной долговечности и вязкости.
Растрескивание при холодной деформации и сварке.
Появление флокенов в водородчувствительных сталях.

Частые вопросы о неметаллических включениях

Чем опасны неметаллические включения для эксплуатации детали?

Они работают как концентраторы напряжений и места зарождения усталостных трещин. Особенно критичны крупные оксидные включения свыше 10–15 мкм для подшипников, рессор и высокопрочного крепежа.

По какому стандарту оценивают балл загрязнённости?

В России — по ГОСТ 1778-70 с балльной шкалой от 0 до 6 для каждого типа включений. В международной практике — по ISO 4967 и ASTM E45. Автоматический количественный анализ выполняют по ASTM E1245.

Чем отличаются эндогенные и экзогенные включения?

Эндогенные образуются в жидкой стали при раскислении и обычно мелкие, относительно равномерно распределённые. Экзогенные попадают извне — из футеровки и шлака — и характеризуются крупным размером и неправильной формой.

Как уменьшить количество включений в стали?

Применяют комплекс операций: внепечную обработку с продувкой аргоном, вакуумирование, обработку кальцием, защиту струи при разливке. Для ответственных сталей используют ЭШП или ВДП — переплавные процессы с высокой степенью рафинирования.

Могут ли включения быть полезными?

Да, в автоматных сталях сульфиды марганца специально вводят для улучшения обрабатываемости. Дисперсные нитриды титана и алюминия сдерживают рост зерна при нагреве и используются в микролегированных конструкционных сталях.

Заключение. Неметаллические включения определяют металлургическую чистоту стали и напрямую влияют на её эксплуатационный ресурс. Знание классификации, источников образования и методов оценки по ГОСТ 1778-70, ISO 4967 и ASTM E45 позволяет инженеру правильно интерпретировать сертификаты качества и выбирать сталь под конкретные условия нагружения. Современные технологии внепечной обработки и переплава дают возможность получать стали с уровнем чистоты, недоступным традиционным процессам.

Материал носит ознакомительный и образовательный характер. Автор не несёт ответственности за решения, принятые на основе данной публикации; контроль качества металлопродукции и выбор стали следует проводить по действующим нормативным документам, стандартам предприятия и техническим условиям заказчика.

Появились вопросы?

Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.

Задать вопрос

Подшипники SKF -15%!

Bosсh Rexroth