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(duì)鋼的綜合性能要求也日趨嚴(yán)格，相應(yīng)地對(duì)鋼的材質(zhì)要求了越來(lái)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(huì)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(huì)造成熱脆性。因此，夾雜物的數(shù)量和分布被認(rèn)定是評(píng)定鋼材質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，并且被列為優(yōu)質(zhì)鋼和高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼出廠的常規(guī)檢測(cè)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(duì)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(guò)程中的一個(gè)艱巨任務(wù)。而對(duì)于金相分析工作者來(lái)說(shuō)，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(lái)源分類
1.1 內(nèi)生夾雜物
鋼在冶煉過(guò)程中，脫氧反應(yīng)會(huì)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(shí)，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(guò)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(lái)說(shuō)是不可避免的。
1.2 外來(lái)夾雜物
鋼在冶煉和澆注過(guò)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(shí)清除而留于鋼中。它是金屬在熔煉過(guò)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(guò)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(jiàn)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(jiǎn)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(shí)，夾雜比較常見(jiàn)。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(guò)程中，由于冷卻速度較快，某些液態(tài)的硅酸鹽來(lái)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?yuàn)A雜；
③呈塊狀，外形不規(guī)則，在過(guò)量鋁脫氧時(shí)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(shí)形成AlN、TiN、ZrN和VN等氮化物。在出鋼和澆鑄過(guò)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?shī)A物
熱加工時(shí)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?shī)A雜物
熱變形時(shí)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?shī)A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?shī)A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(shí)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(shí)仍保持原狀或只是拉開(kāi)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(lái)，采用電子探針對(duì)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?？梢詼y(cè)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(gè)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(duì)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(chǎng)觀察中夾雜物為MnS、SiO2和FeS，通過(guò)能譜儀（EDS）對(duì)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(chǎng)觀察夾雜物的顏色、形態(tài)、大小和分布；在暗場(chǎng)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(píng)定相應(yīng)的級(jí)別，評(píng)判其對(duì)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(chǎng)、暗場(chǎng)和偏光下的光學(xué)特征（表1），與已知的夾雜物特征對(duì)照以確定其類型。必要時(shí)可以測(cè)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(jiàn)表2。
表1 常見(jiàn)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(píng)級(jí)
5.1 國(guó)標(biāo)評(píng)級(jí)
定量測(cè)定是優(yōu)質(zhì)鋼以及高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼的常規(guī)檢測(cè)項(xiàng)目之一。夾雜物類型已知的條件下，采用標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)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(píng)級(jí)可以根據(jù)GB/T10561—2005標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。試樣經(jīng)過(guò)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(chǎng)與標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別圖片比較來(lái)評(píng)定其等級(jí)。GB/T10561—2005標(biāo)準(zhǔn)列出三類夾雜物的級(jí)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(gè)系列，每一個(gè)系列分5級(jí)，級(jí)別越高，表示夾雜物含量越多。評(píng)級(jí)時(shí)若不能評(píng)成整數(shù)，可以采用半級(jí)。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(jí)別，對(duì)于合金結(jié)構(gòu)鋼，一般最高級(jí)別不得超過(guò)氧化物及硫化物各3級(jí)，兩者之和為5.5級(jí)。
高碳鉻軸承鋼則按照GB/T18254—2016標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類及評(píng)級(jí)。按GB/T 10561—2005中的A法進(jìn)行評(píng)級(jí),其檢驗(yàn)結(jié)果應(yīng)符合下列規(guī)定:
a) 對(duì)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(gè)鋼錠至少有一個(gè)試樣以及所有試樣的平均值應(yīng)不超過(guò)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(guò)表3規(guī)定;
b)對(duì)于DS類的非金屬夾雜物，其最大值應(yīng)不超過(guò)表3的規(guī)定;
c) 對(duì)于氮化鈦:牌號(hào)G8Cr15、GCr15鋼材應(yīng)按形貌分別并人B類、D類、DS類評(píng)級(jí),其他牌號(hào)的鋼材由供需雙方協(xié)商評(píng)級(jí)。
表3 軸承鋼中非金屬夾雜物的合格級(jí)別
為了定量研究夾雜物對(duì)性能的影響，需要測(cè)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(shí)，要在電鏡下進(jìn)行。定量測(cè)定要求測(cè)定較多的視場(chǎng)以求得統(tǒng)計(jì)分布。自動(dòng)圖像分析儀的應(yīng)用可以大大加速測(cè)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(píng)級(jí)
將夾雜物分為A、B、C和D四個(gè)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(gè)系列，每個(gè)夾雜物由表示夾雜物數(shù)量遞增的五級(jí)圖片（1~5）組成。評(píng)定夾雜物級(jí)別時(shí)，允許評(píng)半級(jí)。結(jié)果是用每個(gè)試樣每類夾雜物最惡劣視場(chǎng)的級(jí)別數(shù)表示。鋼中非金屬夾雜物的評(píng)定方法可以參照GB/T10561—2005標(biāo)準(zhǔn)。
5.3 ASTM評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
ASTM標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖又稱修改的JK圖，評(píng)級(jí)圖中夾雜物的分類，系列的劃分均與JK評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)圖相同，但評(píng)級(jí)圖由0.5~2.5組成，它適用于評(píng)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(jí)別的視場(chǎng)總數(shù)來(lái)表示。
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結(jié)束語(yǔ)
鋼中非金屬夾雜物含量雖然少，但對(duì)鋼的性能影響極大，所以必須對(duì)它進(jìn)行定性和定量的檢測(cè)。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(píng)定夾雜物的級(jí)別，綜合來(lái)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。