夾雜物變性處理指在鋼中加入少量變性劑，改變非金屬夾雜物的結構、組成和形態，從而改變其性質的過程。 夾雜物變性處理能使夾雜物球化或接近球狀，這樣可使鋼材的各向異性差別減小或基本消除。
基本介紹
- 中文名：夾雜物變性處理
- 外文名：non-metallic inclusions modification treatment
- 學科：冶金工程
- 參數：相對形變率
- 常用變性劑：鈣合金、稀土合金
- 目的：改變金屬性質
定義,夾雜物的性質改變,作用,常用的變性劑,鈣及其合金,稀土合金,
定義
指在鋼中加入少量變性劑，改變非金屬夾雜物的結構、組成和形態，從而改變其性質的過程。鋼中非金屬夾雜物是不可能完全消除的，在儘量降低其在鋼中含量的同時，科學地控制夾雜物的類型、尺寸、分布和形態，儘量降低其對鋼材質的危害就是變性處理的目的。由於鋼中夾雜物的組成、結構等不同，在各種溫度下的塑性情況也不相同，常用相對變形率表示其差異：
式中v為相對變形率；ε1為夾雜物的形變數；ε2為基體的形變數。
夾雜物的性質改變
鋼中有些夾雜物呈脆性，加工時破碎成鏈狀或串狀，此為脆性夾雜物，例如Al2O3，尖晶石型氧化物。有些夾雜物塑性很好，加工時沿加工方向延伸成長條狀、片層狀，此為塑性夾雜物，例如MnS，含SiO2不高的矽酸鹽等，它們的存在成為鋼材縱、橫向機械性能差異的主要原因。
有些硫化物如FeS，熔點很低（1170～1197℃），可與FeO和Fe生成熔點更低的Fe-FeS二元共熔體（988℃）和三元共熔體（920℃），而且分布在晶粒界上，呈網狀析出；鋼熱加工開始溫度為1100～1150℃，此時晶粒界上的硫化物已經熔化，故一經加工即開裂（熱脆）。後來用加錳的方法將FeS夾雜物改變為MnS夾雜物，其熔點為1620℃，可達到消除鋼的“熱脆”現象，這就是早期對夾雜物變性處理的工藝。還有些夾雜物體膨脹係數與基體不同，可在夾雜物四周引起複雜的應力場。例如鋁酸鹽、Al2O3和矽酸鹽在鋼的冷卻過程中比基體體膨脹係數小，夾雜物四周的基體承受拉應力稱為嵌鑲應力，使鋼的疲勞性能降低。
作用
夾雜物變性處理能使夾雜物球化或接近球狀，這樣可使鋼材的各向異性差別減小或基本消除。鋼材中變性處理後的夾雜物消除了有尖角、銳角的一類夾雜物，減少了引起應力集中和產生微裂紋的可能性，由於應力集中引起的應力腐蝕也隨之降低。並能改善鋼材的疲勞壽命，延長切削刀具的加工壽命。而高熔點的夾雜物經變性處理後則變成低熔點的在澆注溫度下仍為液態的夾雜物，澆鑄時不再堵塞水口，有利於連續鑄鋼的順利進行。
常用的變性劑
鈣及其合金
常用的變性劑為鈣合金，稀土合金。工業上大多用含鈣合金（如CaSi）進行鈣處理使夾雜物得以變性。
鈣及其合金是常用的夾雜物變性處理劑。鈣合金在鋼液中熔化後，鈣與鋼液中的氧、硫夾雜物接觸起反應，待溫度達到一定高度時鈣氣化成鈣氣泡，鈣氣泡中的Ca溶解於鋼液成為溶解[Ca]，並與鋼液中的氧及Al2O3夾雜物反應；由於鋁脫氧鋼中溶解的氧並不很高，因此鈣與鋼中大量分散的Al2O3發生反應並使Al2O3夾雜表面的CaO含量的升高，出現液態nCaO·mAl2O3層，此液態層不斷增加，最終改變了Al2O3夾雜的組成，成為12CaO·7Al2O3，或3CaO·Al2O3夾雜物。這兩種夾雜物在澆注溫度下由於熔點低都是液態的，它們在凝固時按最小界面能原理成為球狀。此球形夾雜物在鋼加工過程中不變形也不破碎仍為球狀，也即把鋼中鏈狀或串狀，多邊形帶稜角的Al2O3夾雜物改變為球狀或接近球狀的鈣鋁酸鹽夾雜，使鋼材性能得到了改善。
稀土合金
另一種常用的夾雜物變性處理劑是稀土合金。稀土元素（RE）有鈰（Ce），鑭（La），鐠（Pr），釹（Nd）。它們的共同特點是熔點較低、沸點很高、密度大且與氧、硫的親和力很強，純的稀土金屬很貴。工業上常用的為混合稀土如45%～51%Ce和23%～26%La等，還有稀土矽鐵，如15%～20%Ce、10%～11%La和30%～35%Si等。鋼中的Al2O3簇狀夾雜物遇到RE會發生如下反應，如鋼液中加Ce：Al2O3+2[Ce]=Ce2O3+2[Al]
實際煉鋼生產中加入混合稀土合金或稀土矽鐵合金後，很少形成純的稀土氧化物，大多形成稀土氧硫化物RE2O2S，伴隨著反應局部區域氧的降低，生成稀土硫化物RES，故最終在鋼中形成以稀土氧硫化物為核心，稀土硫化物為外殼的夾雜物。這類夾雜物儘管熔點很高，但塑性不大，故不會在鋼加工過程中形成長條狀或片層狀；此夾雜物也不是脆性的，不會在鋼加工時破碎呈鏈狀或串狀分布，由於表面儘量縮小，此夾雜物呈球狀或紡錘狀。熱加工時延伸較少，硬度比Al2O3低，故使夾雜物對鋼性能的影響得到改善。
若稀土加入量過少，氧化物、硫化物沒有完全變性；加入量過多，超過溶解量範圍，晶界上會析出金屬間稀土化合物REFe5和REFe2，形成熔點低於熱加工溫度的共熔體，產生“熱脆”並使鋼的機械性能惡化。一般認為[RE]/[S]比控制在3左右，[S]/[O]比控制在10～100之間。可以使氧化物、硫化物得到變性處理。
