钢中非金属夹杂物的检测

钢中非金属夹杂物的检测
一.概述
非金属夹杂物是钢中不可避免的杂质，它的存在使金属基体的均匀连续性受到破坏。

非金属夹杂在钢中的形态、含量和分布情况都不同程度地影响着各种性能，诸如常规力学性能、疲劳性能、加工性能等。

因此，非金属夹杂物的测定与评定引起人们的普遍重视。

夹杂物的含量和分布状况等往往被认为是评定钢的冶金质量的一个重要指标，并被列为优质钢和高级钢的常规项目之一。

钢中非金属夹杂物按其来源和大小，大体可分为两大类：
1.显微夹杂物或称内在夹杂物，这类夹杂物是钢冶炼和凝固过程中，由于一系列物理和化学反应所生成。

例如，在冶炼过程中，由于加入脱氧剂而形成氧化物和硅酸盐等。

这些夹杂物来不及完全上浮进入钢渣，而残留在钢液中，即为内在夹杂。

如：Al、Fe-si等脱氧剂可以形成下列夹杂：
3FeO+2Al 3Fe+ Al2O3
2FeO+ Si SiO2+2Fe
nFeO+mSiO2 nFeO·mSiO2
nAl2O3+mSiO2 nAl2O3·mSiO2
另外，钢在凝固冷却过程中，S、N等元素，由于溶解度的降低而生成硫化物、氮化物等也将残留在钢中。

2.宏观夹杂物或称外来夹杂物，这类夹杂物是在钢的冶炼或浇
铸过程中，由于耐火材料等外来物混入造成。

其特点是大而无固定形状。

就对钢而言，宏观夹杂物的危害更大。

夹杂物的检验方法也有宏观检验法和显微检验法两种。

非金属夹杂物的显微检验法是指借助于金相显微镜在规定的实验条件下，检验金相试样中非金属夹杂物的方法。

该法的主要优点是可以确定夹杂物的类型、分布、数量和大小，可以发现极细小的夹杂物。

但是，由于受试样尺寸及取样位置、数量的限制。

所以显微检验法的评定结果在很大程度上存在偶然性。

往往会过分夸大细小夹杂物的重要性而将那些试样以外或检验面以外的较大夹杂物遗漏，所以，显微检验法总是与宏观检验法相辅相成、互相补充的。

如果非金属夹杂物的宏观检验对优质钢来说是必不可少的检验项目之一，那么显微检验法则是特殊用途钢（如轴承钢、重要用途的合金结构钢等）广泛采用的检验方法。

二.显微夹杂物的分类
钢中非金属夹杂物的种类很多，应将性质相似、形态相似对钢的性能影响作用相似的各种夹杂物划分类别。

从检验方便考虑，分类方法力求简单、明了、科学。

非金属夹杂物除按来源可分为内在夹杂物如外来夹杂物外，尚可按化学成分分类，分为氧化物、硫化物和氮化物等，而氧化物又可分为简单氧化物，复杂氧化物和硅酸盐（见下图）
还可按其塑性变形能力分：
1）脆性夹杂物：这种夹杂物塑性变形能力差，在热加工时其大小不变化，但可以沿热加工方向成链状排列，属于这类的夹杂物有氧化物和脆性硅酸盐。

2）塑性夹杂物：热加工时这类夹杂物发生塑性变形，沿加工方向延伸成条状，属于这类夹杂物的有硫化物和含SiO2较少的铁锰硅酸盐。

（可分为两类：A类-硫化物类、C类-硅酸盐类）3）点状不变形夹杂物。

这类夹杂物铸态呈球状，在热加工过程中形状不变，保持球状，这类夹杂物为复杂的硅酸盐。

（可分为两类：B类-氧化铝、D类和DS类-球状氧化物）
非金属夹杂物的分类方式各国的标准不同，我们GB/T 10561-2005等按上述原则和国际标准ISO4967:1998（E）采用基本相一致的方法，根据夹杂物的形态和分布标准图片分为A、B、C、D和Ds 五大类：
A类（硫化物类）：具有高的延展性，有较宽范围形态比（长度/宽度）的单个灰色夹杂物，一般端部呈圆角；
B类（氧化铝类）：大多数没有变形、带角、形态比小（一般＜3），黑色带兰色的颗粒沿轧制方向排列成一行（至少有3个颗粒）；
C类（硅酸盐类）：具有高的延展性，有较宽范围形态比（一般≥3）的单个呈黑色或深灰色夹杂物，一般端部呈锐角；
D类（球状氧化物类）：不变形、带角或圆形的，形态比（一般＜3）黑色或带兰色，无规则分布的颗粒；
Ds类（单颗粒球状类）：圆形或近似圆形，直径≥13um的单颗粒夹杂物。

A、B、C、D四类标准图片从0.5级~3级分粗系和细系共48张，Ds类0.5级～3级共6张。

三.检查方法：
1.取样
1）取样尺寸：保证检查面积约为200mm2（20mm*10mm），平行于纵轴。

2）取样部位：见标准第3页
（1）直径或边长＞40mm钢棒或钢坯取表面至中心部位，1/2半径处；
（2）直径或边长＞25～40mm钢棒或钢坯：检验面为边缘至中心；
（3）直径或边长≤25mm：检验面通过直径的整个截面；
（4）厚度≤25mm 板材：检验面位于宽度1/4处的全厚度截面；
（5）厚度＞25mm ～50mm 板材：位于宽度1/4和板表面到中心位置；
（6）厚度＞50mm 钢板：检验面位于宽度1/4和板表面到中间位置和厚度1/4截面。

3）制样：试样要热处理提高硬度，在冷态下，机械方法切取磨制与抛光要避免夹杂物的剥落、变形和抛光面的污染。

抛光速度、抛光剂等选择恰当、抛光面要光洁，防止划痕等假象。

4）检查：一般采用检查整个抛光面，每个视场同标准图片对比，
每类夹杂物按细条和粗条记下级别，与所检验面上最恶劣视场相符合的标准图片级别来评定。

FeO 夹杂（明场） FeO 夹杂（暗场）
Al 2O 3夹杂（明场） Al 2O 3夹杂（暗场）
a 明场
b 暗场
脆性夹杂物受拉应力作用下发生破裂导致裂源的产生
氮化层疏松检查
渗氮零件经磨制抛光浸蚀后，在500倍下可看到化合层内呈黑色点状缺陷对使用性能有明显的影响，必须重视、
1.化合物层疏松的形成：
化合物疏松多发生在碳氮共渗或高氮势长时间气体渗氮的情况下。

1）液体N-C共渗时，由于氮势高，渗速快，特别是使用新盐液时，疏松比较严重，疏松随盐浴中亚铁氰酸盐（Na4[Fe(CH)6]）含量的增加而增加，随着使用时间的延长，盐浴中氮势的降低，疏松程度相应下降。

2）气体N-C共渗的化合物疏松，是由于亚稳定的高氮相化合物在渗氮过程中发生分解，折出氮分子而当下气孔。

当炉气中NH3含量超过某一数值，开始出现多孔性的表面，随着炉气中NH3含量的继续增加，疏松程度就越严重。

3）气体渗氮时，化合物层出现的疏松与氨气纯度，渗层中平均氮浓度有关。

如氨气中含有水分，渗层中氮浓度过高，易产生疏松。

2.化合物层疏松形态与危害：
在渗氮特别是N-C共渗后，渗层的化合物层出现细小的微孔或孔洞，可以未经腐蚀的金相试样上观察到。

由于微孔的大小、数量和分别的不同，对性能的影响不同，有少数的微孔可储存润滑油，降低摩擦系数。

对使用性能是有利的。

但随着微孔的增多、增大，使化合物
层脆性增大，易引起起皮剥落，严重降低使用寿命。

3.氮化层疏松的检验
氮化层疏松国家标准GB/T 11354-2005《钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验》按化合层内微孔的形状、数量及密集程度分为五级（见下表）
渗氮层疏松级别
渗氮零件试样经侵蚀后在500倍下观察，取其疏松最严重的部位按标准评级，一般工件在1～3级为合格，重要零件1～2级合格。