金属中非金属夹杂物

金属中非金属夹杂物

金属材料中含有的一类具有非金属特性的组成物。它们在金属和合金的熔炼、凝固过程中产生，并在随后的热、冷加工过程中经历一系列变化，对金属和合金的性能产生多方面的影响。

根据非金属夹杂物（以下简称夹杂物）的来源，通常把夹杂物分为外来的和内生的两大类。混入金属中的炉衬耐火材料或炉渣颗粒（包括刚带入的、或与金属液发生化学反应而在成分和结构上已有相当大改变的）属于外来夹杂物；在熔炼、凝固过程中，熔融金属中含有的各化学元素的化学反应产物，来不及排除，仍保留在固态金属中，称为内生夹杂物。

钢中非金属夹杂物分类非金属夹杂物，既可以按化学成分划分，也可以按力学性能划分。

按夹杂物的化学成分分类

①简单氧化物如FeO、MnO、Cr

2O

3

、Al

2

O

3

、SiO

2

以及钛、钒、铌的氧化物等。

②复杂氧化物其中尖晶石类夹杂物用化学式 AO·B

2O

3

表示(化学式中A表

示二价金属,如镁、锰、铁等；B表示三价金属，如铁、铬、铝等)。这类化合物

具有尖晶石MgO·Al

2O

3

型结构,由此而得名。尖晶石类夹杂物为一大类氧化物,

如MnO·Al

2O

3

、MnO·Cr

2

O

3

、MnO·Fe

2

O

3

、FeO·Al

2

O

3

、FeO·Cr

2

O

3

(图1)、FeO·Fe

2

O

3

(Fe

3

O

4

)、

MgO·Al

2O

3

、MgO·Cr

2

O

3

、MgO·Fe

2

O

3

等。这些化合物都有一个相当宽的成分可变

范围;实际遇到的尖晶石类夹杂物往往是多成分的。此类氧化物在工业用钢中比

较常见。钙的铝酸盐如CaO·Al

2O

3

、CaO·2Al

2

O

3

也属于复杂氧化物(图2)。但它

们不具有尖晶石型结构,所以,不属于尖晶石型氧化物。

③硅酸盐及硅酸盐玻璃通用化学式可写成ιFeO·m nO·n Al2O3·p SiO2。它们一般具有多成分形式。既可以是单相,也可以是多相。单相情况下,一般呈玻璃态。随脱氧情况的不同出现各式各样的硅酸盐如铁硅酸盐、铁锰硅酸盐、铁锰铝硅酸盐等。

以上三类夹杂物统称为氧化物系夹杂物。

④硫化物主要是FeS、MnS；此外,根据情况不同，可能出现CaS、TiS、稀土硫化物等。根据钢液的成分特别是钢液的脱氧程度，所形成的硫化物在铸态情况下具有不同形态：Ⅰ类是复合形式出现的硫化物(氧硫化物)，Ⅱ类是借共晶反应形成的硫化物，Ⅲ类是具有几何外形、任意分布的硫化物（图3）。

⑤氮化物如VN、TiN、AlN、ZrN、NbN等。

按夹杂物的力学性能分类非金属夹杂物破坏了金属基体的连续性。当金属制品承受载荷时，夹杂物会引起应力集中，使材料易生裂纹。在经过变形加工的金属中，非金属夹杂物的形状取决于夹杂物相对于金属基体的形变程度，随夹杂物的成分和金属（钢）的形变温度而异。

按夹杂物的形变情况，夹杂物可分为四类：

①脆性夹杂物指那些不具有范性的简单氧化物和复杂氧化物以及氮化物;当钢经热加工变形时,这类夹杂物的形状和尺寸不发生变化,但夹杂物的分布有变化。氧化物和氮化物夹杂均可沿钢延伸方向排列成串，呈点链状。属于这类的

有Al

2O

3

、Cr

2

O

3

,尖晶石氧化物,钒、钛、钴的氮化物以及其他一些高熔点夹杂物。

②范性夹杂物这类夹杂物在钢经受加工变形时具有良好范性，沿着钢的流变方向延伸成条带状。属于这类的有硫化物，含SiO

2

量较低(40～60％)的铁锰

硅酸盐和其中溶有FeO、MnO、Al

2O

3

的硅酸钙和硅酸镁等。

③球状（或点状）不变形夹杂物在铸态钢中呈球状；经形变加工后，夹杂

物保持球形不变。属于这类的有SiO

2、含SiO

2

较高（＞70％）的硅酸盐、钙的

铝酸盐、纯的硅酸钙和纯的硅酸铝等。

④半范性夹杂物指各种多相的铝硅酸盐夹杂物。其中作为基底的夹杂物（铝硅酸盐玻璃）一般当钢受热加工时具有范性;但是在这基底上分布的析出相晶体

(如Al

2O

3

、尖晶石类氧化物)的范性很差。钢经热变形后,范性夹杂物相（基底）

多少随钢变形延伸，而脆性的夹杂物相不变形，仍保持原来形状，只是彼此之间的距离被拉长。

夹杂物对钢铁性能的影响影响是多方面、多途径的。在多数场合下，夹杂物产生有害影响；在另外一些场合下，夹杂物却显示了有益的作用。

夹杂物对钢铁力学性能和工艺性能的主要影响是降低材料的范性、韧性和疲劳极限，造成材料性能上的方向性，使冷热加工性能变坏，使零件或工具(如轧辊)的表面光洁度降低。夹杂物可以使材料的抗腐蚀性能降低，对磁性材料的矫顽力也有明显影响等等。夹杂物对材料性能的影响可以是间接的，例如，高度弥散的夹杂物影响晶界迁移。在热加工和热处理过程中可利用这个影响，使我们有可能得到细晶粒的金属材料，使材料在加工过程中能出现二次再结晶。非金属夹杂物对相变也产生不容忽视的影响。关于非金属夹杂物的有利影响可举出诸如利用夹杂物MnS的作用生产取向硅钢片,利用硫化物改善钢的切削加工性等（见易切削钢）。

夹杂物对静力拉伸力学性能的影响随所涉及的性能指标不同而异。夹杂物一