鋼中非金屬夾雜物的分類與鑒定主要有哪些？
鋼中非金屬夾雜物的分類與鑒定主要有哪些？
- 2021/9/19 8:30:29
隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展，對鋼的綜合性能要求也日趨嚴(yán)格，相應(yīng)地對鋼的材質(zhì)要求了越來越高。非金屬夾雜物作為獨(dú)立相存在于鋼中，破壞了鋼基體的連續(xù)性，加大了鋼中組織的不均勻性，嚴(yán)重影響了鋼的各種性能。例如，非金屬夾雜物導(dǎo)致應(yīng)力集中，引起疲勞斷裂；數(shù)量多且分布不均勻的夾雜物會明顯降低鋼的塑性、韌性、焊接性以及耐腐蝕性；鋼中呈網(wǎng)狀存在的硫化物會造成熱脆性。因此，夾雜物的數(shù)量和分布被認(rèn)定是評定鋼材質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，并且被列為優(yōu)質(zhì)鋼和高級優(yōu)質(zhì)鋼出廠的常規(guī)檢測項(xiàng)目這一。
非金屬夾雜物的性質(zhì)、形態(tài)、分布、尺寸及含量不同，對鋼性能的影響也不同。所以提高金屬材料的質(zhì)量，生產(chǎn)出潔凈鋼，或控制非金屬夾雜物性質(zhì)和要求的形態(tài)，是冶煉和鑄錠過程中的一個艱巨任務(wù)。而對于金相分析工作者來說，如何正確判斷和鑒定非金屬夾雜物也因此變得十分重要。
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鋼中非金屬夾雜物的來源分類
1.1 內(nèi)生夾雜物
鋼在冶煉過程中，脫氧反應(yīng)會產(chǎn)生氧化物和硅酸鹽等產(chǎn)物，若在鋼液凝固前未浮出，將留在鋼中。溶解在鋼液中的氧、硫、氮等雜質(zhì)元素在降溫和凝固時，由于溶解度的降低，與其他元素結(jié)合以化合物形式從液相或固溶體中析出，最后留在鋼錠中，它是金屬在熔煉過程中形成的夾雜物。內(nèi)生夾雜物分布比較均勻，顆粒也較小，正確的操作和合理的工藝措施可以減少其數(shù)量和改變其成分、大小和分布情況，但一般來說是不可避免的。
1.2 外來夾雜物
鋼在冶煉和澆注過程中懸浮在鋼液表面的爐渣，或由煉鋼爐、出鋼槽和鋼包等內(nèi)壁掉落的耐火材料或其他夾雜物在鋼液凝固前未及時清除而留于鋼中。它是金屬在熔煉過程中與外界物質(zhì)接觸發(fā)生作用產(chǎn)生的夾雜物。如爐料表面的砂土和爐襯等與金屬液作用，形成熔渣而滯留在金屬中，其中也包括加入的熔劑。這類夾雜物一般外形不規(guī)則，尺寸比較大等，又稱為粗夾雜。這類夾雜物通過正確的操作是可以避免的。
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鋼中非金屬夾雜物按化學(xué)成分分類
鋼中非金屬夾雜物按化學(xué)成分詳細(xì)分類見圖1，主要分為三大類。
圖1 鋼中非金屬夾按照化學(xué)成分分類圖
2.1 氧化物系夾雜
簡單氧化物有FeO、Fe2O3、MnO、SiO2、Al2O3、MgO和Cu2O等。在鑄鋼中，當(dāng)用硅鐵或鋁進(jìn)行脫氧時，夾雜比較常見。在鋼中常常以球形聚集呈顆粒狀成串分布。復(fù)雜氧化物，包括尖晶石類夾雜物和各種鈣的鋁酸鹽等以及鈣的鋁酸鹽（圖2）。硅酸鹽夾雜也屬于復(fù)雜氧化物夾雜，這類夾雜物有2FeO·SiO2(鐵硅酸鹽)、2MnO·SiO2(錳硅酸鹽)和CaO·SiO2(鈣硅鹽）等（圖3）。這類夾雜物在鋼的凝固過程中，由于冷卻速度較快，某些液態(tài)的硅酸鹽來不及結(jié)晶，其全部或部分以玻璃態(tài)的形式保存于鋼中。
（a）氧化鋁夾雜 （b）鈣的鋁酸鹽夾雜
圖2 掃描電鏡下的氧化鋁和鈣的鋁酸鹽夾雜
（a）硅酸鹽夾雜（b）硫化錳夾雜
圖3 掃描電鏡下的硅酸鹽和硫化錳夾雜
2.2 硫化物系夾雜
主要是FeS、MnS和CaS等。由于低熔點(diǎn)的FeS易形成熱脆，所以一般均要求鋼中要含有一定量的錳，使硫與錳形成熔點(diǎn)較高的MnS而消除FeS的危害。因此鋼中硫化物夾雜主要是MnS。
鑄態(tài)鋼中硫化物夾雜的形態(tài)通常分為3類：
①形態(tài)為球形，這種夾雜物通常出現(xiàn)在用硅鐵脫氧不完全的鋼中；
②在光學(xué)顯微鏡下觀察呈鏈狀的極細(xì)的針狀夾雜；
③呈塊狀，外形不規(guī)則，在過量鋁脫氧時出現(xiàn)。
2.3 氮化物夾雜
當(dāng)鋼中加入與氮親和力較大的元素時形成AlN、TiN、ZrN和VN等氮化物。在出鋼和澆鑄過程中鋼液與空氣接觸，氮化物的數(shù)量顯著增加。
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按夾雜物的塑性變形能力分類
（1）脆性夾物
熱加工時該類夾雜物形狀和尺寸都不變化，但可能沿加工方向成串排列或呈點(diǎn)鏈狀，屬于這類夾雜物的有Al2O3和Cr2O3。
（2）塑性夾雜物
熱變形時該類夾雜物具有良好范性，沿變形方向延伸成條帶狀。屬于這類的有硫化物及含SiO2含量較低（40%~60%）的鐵錳硅酸鹽。
（3）球狀不變性夾雜
鑄態(tài)呈球狀，熱加工后保持球狀不變，如SiO2及含SiO2較高（>70%）的硅酸鹽。
（4）半塑性夾雜物
指各種復(fù)相的鋁硅酸鹽夾雜?；w鋁硅酸鹽有塑性，熱加工時將產(chǎn)生塑性變形，但是其中包含著的析出相，如氧化鋁等是脆性的，加工時仍保持原狀或只是拉開距離。
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夾雜物的鑒定
早期主要用光學(xué)顯微鏡配合X射線結(jié)構(gòu)分析和化學(xué)成分分析，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和豐富的資料。近年來，采用電子探針對夾雜物進(jìn)行微區(qū)成分分析日益增多。目前鑒定夾雜物的大致方法有以下兩種。
4.1 金相法與微區(qū)域成分分析結(jié)合
在金相觀察中選出待定夾雜物后，用電子探險(xiǎn)針（EPMA）進(jìn)行微區(qū)成分分析或者應(yīng)用掃描電鏡（SEM）自帶能譜分析（EDS）進(jìn)行成分分析。通常可以測定尺寸大于1μm的夾雜物的組成元素和大致成分，如果采用個別元素的面掃描還可以得到更為直觀的結(jié)果。圖4是使用掃描電鏡對Q460鋼中的一顆夾雜物進(jìn)行的面分析圖譜，依次進(jìn)行硫、錳、硅和鐵四種元素的面掃描，從掃描結(jié)果可以推斷出，明場觀察中夾雜物為MnS、SiO2和FeS，通過能譜儀（EDS）對其進(jìn)行成分分析，還可直接得到各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
圖4 夾雜物掃描電鏡面掃描圖
4.2 光學(xué)金相法
在光學(xué)顯微鏡下利用明視場觀察夾雜物的顏色、形態(tài)、大小和分布；在暗場下觀察夾雜物的固有色彩和透明度；在正交偏振光下觀察夾雜物的各種光學(xué)性質(zhì)，從而判斷夾雜物類型。根據(jù)夾雜物的分布情況及數(shù)量評定相應(yīng)的級別，評判其對鋼材性能的影響。目前檢驗(yàn)和研究鋼中非金屬夾雜物的方法很多，有化學(xué)法、巖相法、金相法、電子探針和電子掃描法等。
金相法鑒定夾雜物是根據(jù)夾雜物的形貌、分布及其在明場、暗場和偏光下的光學(xué)特征（表1），與已知的夾雜物特征對照以確定其類型。必要時可以測定夾雜物的顯微硬度或經(jīng)受化學(xué)試劑腐蝕的能力。非金屬夾雜物的金相法鑒定步驟見表2。
表1 常見非金屬夾雜物的光學(xué)特征
表2 非金屬夾雜物的金相法鑒定
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非金屬夾雜物的定量評級
5.1 國標(biāo)評級
定量測定是優(yōu)質(zhì)鋼以及高級優(yōu)質(zhì)鋼的常規(guī)檢測項(xiàng)目之一。夾雜物類型已知的條件下，采用標(biāo)準(zhǔn)等級比較法，以判定鋼材質(zhì)量的優(yōu)劣或是否合格。夾雜物的評級可以根據(jù)GB/T10561—2005標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。試樣經(jīng)過仔細(xì)拋光，夾雜物應(yīng)保存完好，不經(jīng)侵蝕在放大100倍顯微鏡下觀察。把試樣上夾雜物最嚴(yán)重的視場與標(biāo)準(zhǔn)級別圖片比較來評定其等級。GB/T10561—2005標(biāo)準(zhǔn)列出三類夾雜物的級別圖。氧化物為一類，硫化物又按照夾雜物最嚴(yán)重的粗細(xì)分為兩個系列，每一個系列分5級，級別越高，表示夾雜物含量越多。評級時若不能評成整數(shù)，可以采用半級。作為重要零件用的合金結(jié)構(gòu)鋼或工具鋼，應(yīng)根據(jù)零件的要求定出非金屬夾雜物的合格級別，對于合金結(jié)構(gòu)鋼，一般最高級別不得超過氧化物及硫化物各3級，兩者之和為5.5級。
高碳鉻軸承鋼則按照GB/T18254—2016標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類及評級。按GB/T 10561—2005中的A法進(jìn)行評級,其檢驗(yàn)結(jié)果應(yīng)符合下列規(guī)定:
a) 對于A類、B類、C類、D類的非金屬類夾雜物，模注鋼所有試樣三分之二和每個鋼錠至少有一個試樣以及所有試樣的平均值應(yīng)不超過表3規(guī)定；連鑄鋼所有試樣三分之二和所有試樣的平均值應(yīng)不超過表3規(guī)定;
b)對于DS類的非金屬夾雜物，其最大值應(yīng)不超過表3的規(guī)定;
c) 對于氮化鈦:牌號G8Cr15、GCr15鋼材應(yīng)按形貌分別并人B類、D類、DS類評級,其他牌號的鋼材由供需雙方協(xié)商評級。
表3 軸承鋼中非金屬夾雜物的合格級別
為了定量研究夾雜物對性能的影響，需要測定夾雜物的大小及間距的統(tǒng)計(jì)分布，在夾雜物較細(xì)小時，要在電鏡下進(jìn)行。定量測定要求測定較多的視場以求得統(tǒng)計(jì)分布。自動圖像分析儀的應(yīng)用可以大大加速測定工作的進(jìn)程，并獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果。
5.2 JK標(biāo)準(zhǔn)評級
將夾雜物分為A、B、C和D四個基本類型，它們分別是硫化物、氧化鋁、硅酸鹽和球狀氧化物。每類夾雜物按照厚度和直徑的不同又可分為細(xì)系和粗系兩個系列，每個夾雜物由表示夾雜物數(shù)量遞增的五級圖片（1~5）組成。評定夾雜物級別時，允許評半級。結(jié)果是用每個試樣每類夾雜物最惡劣視場的級別數(shù)表示。鋼中非金屬夾雜物的評定方法可以參照GB/T10561—2005標(biāo)準(zhǔn)。
5.3 ASTM評級標(biāo)準(zhǔn)
ASTM標(biāo)準(zhǔn)評級圖又稱修改的JK圖，評級圖中夾雜物的分類，系列的劃分均與JK評級標(biāo)準(zhǔn)圖相同，但評級圖由0.5~2.5組成，它適用于評定高純度鋼的夾雜物，常用于承受較大壓延量的產(chǎn)品中，如板材、管材和線材等。結(jié)果是用每類夾雜物不同級別的視場總數(shù)來表示。
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結(jié)束語
鋼中非金屬夾雜物含量雖然少，但對鋼的性能影響極大，所以必須對它進(jìn)行定性和定量的檢測。根據(jù)夾雜物在顯微鏡下不同的光學(xué)特征，可以定性鑒定鋼中非金屬夾雜物，在結(jié)合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)微區(qū)成分分析可以定量評定夾雜物的級別，綜合來判定鋼的質(zhì)量，進(jìn)而找出規(guī)律，改進(jìn)工藝，盡可能減少有害夾雜物的含量，提高產(chǎn)品質(zhì)量。