钢中夹杂物浅析

钢中夹杂物浅析

1. 钢中夹杂物的分类

1.1 根据钢中非金属夹杂物的来源分类

（1）内生夹杂物钢在冶炼过程中，脱氧反应会产生氧化物和硅酸盐等产物，若在钢液凝固前未浮出，将留在钢中。溶解在钢液中的氧、硫、氮等杂质元素在降温和凝固时，由于溶解度的降低，与其他元素结合以化合物形式从液相或固溶体中析出，最后留在钢锭中，它是金属在熔炼过程中，各种物理化学变化而形成的夹杂物。内生夹杂物分布比较均匀，颗粒也较小，正确的操作和合理的工艺措施可以减少其数量和改变其成分、大小和分布情况，但一般来说是不可避免的。

（2）外来夹杂物钢在冶炼和浇注过程中悬浮在钢液表面的炉渣、或由炼钢炉、出钢槽和钢包等内壁剥落的耐火材料或其他夹杂物在钢液凝固前未及时清除而留于钢中。它是金属在熔炼过程中与外界物质接触发生作用产生的夹杂物。如炉料表面的砂土和炉衬等与金属液作用，形成熔渣而滞留在金属中，其中也包括加入的熔剂。这类夹杂物一般的特征是外形不规则，尺寸比较大，分布也没有规律，又称为粗夹杂。这类夹杂物通过正确的操作是可以避免的。

1.2 根据夹杂物的形态和分布，标准图谱分为A、B、C、D和DS五大类。

这五大类夹杂物代表最常观察到的夹杂物的类型和形态:

（1）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；

（2）B类(氧化铝类)：大多数没有变形，带角的，形态比小(一般<3)，黑色或带蓝色的颗粒，沿轧制方向排成一行(至少有3个颗粒)；

（3）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；

（4）D类(球状氧化物类)：不变形，带角或圆形的，形态比小(一般<3),黑色或带蓝色的，无规则分布的颗粒；

（5）DS 类(单颗粒球状类)：圆形或近似圆形，直径>13μm的单颗粒夹杂物。

2. 钢中夹杂物主要类型及特征

2.1 硫化物

硫化物是钢液中所含的硫在凝固时以沉淀物析出形成的产物。它在加工变形中本身不破碎、不变形，属于塑性夹杂物。硫化物主要有硫化铁(FeS)、硫化锰(MnS)和铁锰硫化物(FeS·MnS)。硫化铁往往独立存在，大部分处于铁素体中，具有不同的形状，色彩为亮黄色或略呈浅蓝色。硫化锰则很少独立存在，一般都与硫化铁共存而形成硫化铁硫化锰(FeS·MnS)固溶体。铁锰硫化合物在明视场下呈灰色或灰蓝色，随着硫化锰的含量减少，将由灰色变为亮黄色。

2.2 氧化物

氧化物为脆性夹杂物，它随着压力加工而破碎，沿金属变形的方向呈链状分布。在钢中常见的氧化物有FeO、MnO、SiO、Al2O3、Cr2O3，等。这些夹杂物在明视场下大部分呈灰色至暗灰色，有时略呈紫色。

氧化亚铁(FeO)能溶解大量的氧化亚锰(MnO)，从而形成FeO·MnO固溶体，呈纺锤形、小球状。

氧化铝(Al2O3)属于脆性夹杂物，在加工中破碎为不规则的粒状，呈链状分布于钢中。不含杂质的三氧化二铝在明视场下呈黄白色，当含有杂质或合金元素时，色彩改变为灰蓝色或灰紫色。

2.3 硅酸盐

硅酸盐夹杂物成分非常复杂，它能够溶解氧化物和硫化物，从而形成各种类型的化合物、共晶体及机械混合物。在钢中常见的硅酸盐夹杂物有铁硅酸盐(2FeO·SiO2)、锰硅酸盐(2MnO·SiO2)、铝硅酸盐(3Al2O3·2SiO2)，钙硅酸盐(CaO·SiO2 )、(2CaO·SiO2)、(3CaO·SiO2)和铁锰硅酸盐(mFeO·nMnO·SiO2)。

在硅酸盐夹杂物中，除锰硅酸盐和铁硅酸盐为塑性易变形外，其它的硅酸盐类为脆性，在加工变形过程中都易破碎，在明视场下观察均呈灰色或暗灰色。

2.4 氮化物

氮化物属于脆性化合物，它在钢中一般不沉淀，常常与亲和力强的钛、钒、锆等合金元素形成稳定的氮化物或其他复杂氮化物型夹杂物。氮化物的形态相当规则，一般都呈小晶体，多半具有立方体的形状，为正方形、棱形、三角形、长方形等，常在含钛、锆和钒钢中出现。

3. 钢中夹杂物对钢材质量的影响

夹杂物的危害性取决于其数量、形状、大小、分布以及其熔点和物理、化学的性能。夹杂物呈串状或网络状态存在时，便分割了金属基体的连续性，从而降

低了塑性和强度，使钢在轧制、锻造或其他压力加工过程中，在夹杂物所处区域易形成裂纹。

当夹杂物具有低熔点(FeO与FeS共晶体熔点为985℃)的性质时，在热加工变形过程中，由于其熔融或软化，使钢产生热脆性而导致开裂。另外，硫化物对金属抗腐蚀性和抗磨性也有不良的影响。

当钢中存在铝夹杂物(Al2O3)或其他氮化物(A1N、TiN、ZrN)时，使钢的表面硬度不均匀，造成冷加工切削和研磨困难，其表面粗糙度达不到技术要求。

当夹杂物分布于产品零件的表层时，会造成应力集中，早期因疲劳源会引起表层剥落或疲劳开裂。

当钢中夹杂物已超标时，给热处理和焊接工艺带来很大困难，例如造成化学热处理(渗碳、渗氮、碳氮共渗)渗层不均匀；在盐浴炉加热、电阻炉加热、感应加热淬火时，因夹杂物易造成应力集中而形成淬火开裂；在焊接时，将会导致焊接件的强度大大降低或开裂。

4. 钢中夹杂物的检测方法

鉴别钢中的非金属夹杂物的方法分为宏观法和微观法两大类。宏观法即经常采用的断口鉴别法、硫印、酸蚀(冷蚀、热蚀)法、超声波鉴定法等，这些方法主要是来了解和研究大截面中夹杂物的分布状况。微观鉴别方法有化学法、岩相法、X射线法、衍射分析法、电子探针(电子扫描)法、金相鉴定法。前5种方法虽有其优点但都存在一定的局限性，必需与其他的方法配合方能实施。而金相鉴定法除了对夹杂物的化学成分、晶体结构不能鉴别外，在光学金相显微镜下可以直接观察和鉴别夹杂物的形态、大小、数量、分布、类型、光学性能、塑性及抛光性能等，同时金相法还具有操作简便、容易实施的特点。就目前而言，应用金相扫描电镜相结合的方法来鉴别非金属夹杂物是最广泛、最有效的方法。