鋼中非金屬夾雜物

鋼中夾帶的各種非金屬物質顆粒的統稱。鋼中含有氧、氮、硫等元素，它們在鋼中的溶解度在高溫下高，而在室溫下溶解度很低，在鋼冷卻和凝固時析出並同鐵和其它金屬等結合成為各種化合物，稱為非金屬的夾雜物。除此以外，爐渣、耐火材料、泥沙等外來物質也可能混入鋼中形成非金屬夾雜物。

基本介紹

• 中文名：鋼中非金屬夾雜物
• 外文名：nonmetallic inclusionsin steel                        
• 學科：冶金工程
• 夾雜元素：氧、氮、硫等元素
• 危害：破壞了金屬基體的連續性
• 特徵：尺寸較小，數目多，分布均勻

介紹

早期文獻曾把鋼中非金屬夾雜物稱為“夾渣”，這個名稱容易使人誤解，以為非金屬夾雜物就是混入鋼中的爐渣。現在通常把各種混入鋼中的物質稱為外來夾雜物，它們的形狀不規，而將由於內部物理和化學反應產生的夾雜物稱為內生夾雜物，其典型特徵是尺寸較小，數目多，分布均勻。鋼中生成夾雜物的過程大致如下：脫氧劑加入鋼液中以後，脫氧元素和氧發生化學反應生成不溶於鋼的氧化物；有的脫氧元素也能和硫、氮化合生成硫化物、氮化物。這類化合物稱為初生夾雜物。除極少數顆粒細小的夾雜物外，大多數初生夾雜都能從鋼液中浮升出來進入渣中。而當鋼液冷卻和凝固時，由於溶解度下降和氧、硫等的偏析，在凝固過程中又產生氧化物和硫化物等，稱為次生夾雜物。次生夾雜難以從鋼中排除而殘留在樹枝晶間或最後析出於晶粒界上。鋼液脫氧後，繼續接觸到空氣或其他氧化物如耐火材料等，使鋼液重新吸收氧，即發生二次氧化。二次氧化是成品鋼中非金屬夾雜物的重要來源。

研究意義

鋼中有非金屬夾雜物存在，破壞了金屬基體的連續性，使鋼的品質變壞。在特殊情況下，有的夾雜物有利於鋼的某種性能（如切削性），但這只是在特殊的條件下。一般說非金屬夾雜物對鋼的力學性能、物理性能和化學性能都有相當大的危害。用通俗的話來說，含夾雜物多的鋼是“髒”的，純淨的鋼所含有的夾雜物很少。然而純淨鋼是一個相對的概念，鋼的潔淨與否和它的用途有關，也和夾雜物的形狀、顆粒大小和可塑性等有關。數量雖少但顆粒較大的夾雜物往往比數量較多但尺寸細小的夾雜物危害更大；形狀不規則的比球形的夾雜物危害大。而對於精密的細小零件，表面上的微小夾雜物也有很大的害處。所以對非金屬夾雜物不僅要研究怎樣減少它的含量，也要研究它的形態和分布。非金屬夾雜物類型，可從不同的觀察角度進行分類。按照化學成分可分為氧化物夾雜、硫化物夾雜和氮化物夾雜；按照夾雜物的塑性可分為范性夾雜、脆性夾雜和不變形夾雜；按照夾雜物尺寸可分為大型夾雜和微型夾雜等。夾雜物的性質和形態均和它的成分有關。

由於非金屬夾雜物對鋼的性能有多方面的影響，而夾雜物的來源是各式各樣的，難以準確判斷，鋼中非金屬夾雜物的研究一直是煉鋼中的重要課題。對鋼中非金屬夾雜物的分析鑑定技術隨著顯微分析儀器的進步也在不斷地發展。

氧化物夾雜

氧化物是最常見的夾雜，其種類也比較多。通常將氧化物夾雜歸納成以下4類：（1）簡單氧化物，如FeO、Fe₃O₄、Fe₂O₃、MnO、SiO₂、Al₂O₃、Cr₂O₃以及（Mn、Fe）O固溶體；（2）矽酸鹽；（3）尖晶石類夾雜；（4）鈣鋁酸鹽。其中具代表性的重要夾雜物有氧化鋁、矽酸鹽、尖晶石和鈣鋁酸鹽。

氧化鋁

鋁脫氧鋼中含鋁量較高，脫氧生成物為Al₂O3。Al₂O3熔點很高，在煉鋼溫度下為固態，不可能凝並成大的液滴。但Al₂O₃和鋼的界面張力大，容易和鋼液分離，稱為疏鐵性夾雜物。固態的Al₂O₃顆粒在界面張力作用下能聚集在一起，在高溫下燒結成珊瑚狀的“簇”。初生的Al₂O₃夾雜大部分從鋼液內上浮而去除。隨著鋼液溫度降低和凝固，以及鋼液和矽酸鹽耐火材料相互作用，可重新生成Al₂O₃夾雜，有的Al₂O₃晶體附著在矽酸鹽物質上面。Al₂O₃的礦物名稱為剛玉，硬度很大。Al₂O₃夾雜是硬而脆的夾雜物，軋鋼時碎裂成帶稜角的小顆粒，能把金屬基體劃傷，產生微裂紋和應力集中，損害鋼的力學性能。

矽酸鹽

矽酸鹽夾雜物種類很多。單相的矽酸鹽如矽酸鐵、矽酸錳由矽、錳脫氧生成，沸騰鋼或半鎮靜鋼中可見到這類夾雜。單相的矽酸鹽夾雜一般成為玻璃質，以小球體出現。SiO₂夾雜物也可成為玻璃質的小球體。在偏振光下觀察它們時有明顯黑十字出現。有的也可能以礦物形態出現。多種元素脫氧可生成各種複雜矽酸鹽夾雜，它們可能成為玻璃質，也可能成為組合起來的晶體。外來夾雜多為復相矽酸鹽。矽酸鹽因成分各異，其性質差別也很大。玻璃質的矽酸鹽可以在高溫下受壓變形延伸。

鈣鋁酸鹽

在CaO-Al₂O₃系中，隨著二者比例的不同，可以形成不同的化合物：3CaO · Al₂O₃、12CAO·7Al₂O₃、CaO·Al₂O₃、CaO· 2Al₂O₃、CaO·6Al₂O₃。實際上觀察到的鈣鋁酸鹽夾雜的成分可在相當寬的範圍變化，而且各種鋁酸鈣中的CaO可被MnO、FeO、MgO等部分替代，Al₂O₃可被Fe₂O₃、Cr₂O₃部分替代。鈣鋁酸鹽夾雜多見於用鈣處理的鋁脫氧鋼中，合成渣渣洗的軸承鋼中也出現過鈣鋁酸鹽夾雜。大多數鈣鋁酸鹽夾雜為球形，經壓力加工後不變形。

硫化物夾雜

硫化物夾雜種類較少，最主要的是MnS。MnS在鋼液中不能生成，在鋼凝固時由於硫的偏析，硫化物夾雜才析出於樹枝晶間。冷卻速度越快，析出的硫化物顆粒越小，但數目增多。隨著鋼中含氧量的不同，鑄態鋼中硫化物夾雜有3類形態：Ⅰ類硫化物為無規則分布的球狀，顆粒尺寸較大，在含氧量高的沸騰鋼和半鎮靜鋼中可見到，它是在凝固初期與鐵晶體同時析出的。Ⅱ類硫化物為網狀或鏈狀，沿晶界分布，是凝固的最後期生成的。Ⅲ類硫化物是邊、角、面都清晰顯現的塊狀物，無規則分布，出現於過量鋁脫氧的鋼中，是由於凝固過程中硫化物晶體自行發育的結果。硫化物夾雜大多塑性良好，在軋鋼時順著軋制方向延伸成條狀。Ⅱ類硫化物在軋鋼後可形成連綿不斷的條帶，所以無論在鑄態或在軋態鋼中，Ⅱ類硫化物對鋼的性能的危害最大。

氮化物夾雜

鋼中加入與氮親和力大的元素Al、V、Ti、Zr、Nb等可生成它們的氮化物。氮化物夾雜顆粒較小，形態為方形或多邊形，性脆，壓力加工時不變形。有的氮化物夾雜中還含有碳、硫，不是純的氮化物。

鑑定和分析

鋼中有非金屬夾雜物存在是不可避免的。然而，夾雜物的來源、類型和分布等卻帶有極大的偶然性。新鋼種的研製也可能造成新的非金屬夾雜物的產生。因此，鑑定和分析非金屬夾雜物是識別夾雜物、了解其成分、性質和來源的必要手段。通過夾雜物的鑑定和分析可為冶煉和澆鑄工藝中減少有害夾雜物提供科學的依據。鑑定夾雜物的方法可分為巨觀鑑定和微觀鑑定兩大類。

巨觀鑑定

用肉眼或低倍放大檢查金屬材料的斷口或表面，或藉助X射線、γ射線或超音波等無損探傷方法檢查材料內部的夾雜物。在煉鋼車間環境髒亂或所用耐火材料質量差時，鋼錠或鑄坯表面能找到肉眼可見的大型外來夾雜，生產秩序良好時，則很少出現這種問題。X射線透視可檢測出鋼內部的大型Al₂O₃簇。超音波探傷可判斷鋼內部夾雜物的定量分布，試驗證明探傷結果和定量顯微鏡測定的夾雜物數量有很好的對應關係。超音波探傷的主要缺點是對硫化物夾雜的檢測不敏感。硫化物夾雜可用硫印法檢查，硫在固態鋼中溶解度很小，大都成為硫化物析出，硫印所顯示的硫偏析區就是硫化物夾雜位置。又因為鋁酸鈣夾雜常和硫化鈣伴生，硫印也能反映高鈣夾雜的分布，但是合金鋼中Zr、Nb、Cr、V等的硫化物不能在硫印上反映出來。巨觀鑑定的優點是可以直接檢查鋼材中的夾雜物分布情況，缺點是不能準確判斷夾雜物的性質和成分。

微觀鑑定

夾雜物的微觀鑑定已形成完整的綜合技術，包括金相法、岩相法、X衍射分析及電子探針、掃描電鏡和透射電鏡等鑑定設備。20世紀50年代常用光學顯微鏡的明場、暗場和偏振光作夾雜物的定性鑑定，有時配合以對試樣的化學腐蝕。夾雜物的礦物構成則套用X射線粉末衍射法。60年代以後，電子顯微技術和電子微區分析技術套用於夾雜物的鑑定，使夾雜物鑑定分析得到一個飛躍發展。透射電子顯微鏡有極高的解析度（0.2～0.3nm），相當於光學顯微鏡的千倍，但是它不能直接觀察材料本身，而是製成薄膜復型來觀察，只用於觀察細小顆粒的夾雜物。掃描電子顯微鏡的解析度（10nm）不及透射電鏡，但是可以直接觀察試樣，得到立體感很強的圖像，而且可以藉助樣品上激發出的X射線能譜，得出樣品中各元素的相對量。電子探針是電子探針顯微分析儀的簡稱。它可以分析μm體積內的元素成分，直接給出元素分布的圖像，從而判斷夾雜的礦物組成，非常有利於分析複雜夾雜物的成分。

定量分析

對於鋼材的生產和使用者，如何對鋼的潔淨度進行量化表示是很有意義的。最簡便的方法是對夾雜物評級，按照壓力加工後的夾雜特徵分為4類：A型為條帶狀硫化物，B型為串鏈狀脆性夾雜如Al₂O₃，C型為塑性變形的矽酸鹽，D型為球狀不變形夾雜。由權威單位提出表示潔淨度的夾雜評級圖作為規範，需要評價的鋼則與之對比。隨著鋼品種的變化和用途的擴大，使用這種評級法已不能正確表達鋼的品質。另一種方法是在金相顯微鏡下選若干個視場計量夾雜物的數目，但這很費眼睛而且也不準確。由於定量金相技術的發展，PASEM（分析顆粒的掃描電子顯微鏡）成為定量研究夾雜物的最有效工具。它能測定夾雜物尺寸分布、面積、周長、投影長度等8種參數，而且能記錄夾雜物中心位置坐標，使夾雜物的參數和掃描圖像、能譜分析相對應，全部數據均用計算機自動處理。夾雜物的定量除了物理方法外，電解分離夾雜和化學分析仍然是很有用的方法，可用於分析夾雜物的化學組成和相組成等。高合金鋼中的物相分離和分析方法仍需繼續研究。