夹杂物

钢中非金属夹杂物 (non-metallic inclusions in steel)

钢中夹带的各种非金属物质颗粒的统称。钢中含有氧、氮、硫等元素，它们在钢中的溶解度在高温下高，而在室温下溶解度很低，在钢冷却和凝固时析出并同铁和其它金属等结合成为各种化合物，称为非金属的夹杂物。除此以外，炉渣、耐火材料、泥沙等外来物质也可能混入钢中形成非金属夹杂物。早期文献曾把钢中非金属夹杂物称为“夹渣”，这个名称容易使人误解，以为非金属夹杂物就是混入钢中的炉渣。现在通常把各种混入钢中的物质称为外来夹杂物，它们的形状不规则(图1、图2)，而将由于内部物理和化学反应产生的夹杂物称为内生夹杂物，其典型特征是尺寸较小，数目多，分布均匀。钢中生成夹杂物的过程大致如下：脱氧剂加入钢液中以后，脱氧元素和氧发生化学反应生成不溶于钢的氧化物；有的脱氧元素也能和硫、氮化合生成硫化物、氮化物。这类化合物称为初生夹杂物。除极少数颗粒细小的夹杂物外，大多数初生夹杂都能从钢液中浮升出来进入渣中。而当钢液冷却和凝固时，由于溶解度下降和氧、硫等的偏析，在凝固过程中又产生氧化物和硫化物等，称为次生夹杂物。次生夹杂难以从钢中排除而残留在树枝晶间或最后析出于晶粒界上。图3为FeO夹杂，图4为FeS夹杂。钢液脱氧后，继续接触到空气或其他氧化物如耐火材料等，使钢液重新吸收氧，即发生二次氧化。二次氧化是成品钢中非金属夹杂物的重要来源。

钢中有非金属夹杂物存在，破坏了金属基体的连续性，使钢的品质变坏。在特殊情况下，有的夹杂物有利于钢的某种性能(如切削性)，但这只是在特殊的条件下。一般说非金属夹杂物对钢的力学性能、物理性能和化学性能都有相当大的危害。用通俗的话来说，含夹杂物多的钢是“脏”的，纯净的钢所含有的夹杂物很少。然而纯净钢是一个相对的概念，钢的洁净与否和它的用途有关，也和夹杂物的形状、颗粒大小和可塑性等有关。数量虽少但颗粒较大的夹杂物往往比数量较多但尺寸细小的夹杂物危害更大；形状不规则的比球形的夹杂物危害大。而对于精密的细小零件，表面上的微小夹杂物也有很大的害处。所以对非金属夹杂物不仅要研究怎样减少它的含量，也要研究它的形态和分布。非金属夹杂物类型，可从不同的观察角度进行分类。按照化学成分可分为氧化物夹杂、硫化物夹杂和氮化物夹杂；按照夹杂物的塑性可分为范性夹杂、脆性夹杂和不变形夹杂；按照夹杂物尺寸可分为大型夹杂和微型夹杂等。夹杂物的性质和形态均和它的成分有关。

由于非金属夹杂物对钢的性能有多方面的影响，而夹杂物的来源是各式各样的，难以准确判断，钢中非金属夹杂物的研究一直是炼钢中的重要课题。对钢中非金属夹杂物的分析鉴定技术随着显微分析仪器

的进步也在不断地发展。

氧化物夹杂氧化物是最常见的夹杂，其种类也比较多。通常将氧化物夹杂归纳成以下4类：(1)简单氧化物，如FeO、Fe3O4、Fe2O3 、MnO、SiO2、Al 2 O3、Cr2O3以及(Mn、Fe)O固溶体；(2)硅酸盐；

(3)尖晶石类夹杂；(4)钙铝酸盐。其中具代表性的重要夹杂物有氧化铝、硅酸盐、尖晶石和钙铝酸盐。

氧化铝铝脱氧钢中含铝量较高，脱氧生成物为Al2O3。Al2O3熔点很高，在炼钢温度下为固态，不可能凝并成大的液滴。但Al2O3和钢的界面张力大，容易和钢液分离，称为疏铁性夹杂物。固态的Al2O3颗粒在界面张力作用下能聚集在一起，在高温下烧结成珊瑚状的“簇”(图5)。初生的Al2O3夹杂大部分从钢液内上浮而去除。随着钢液温度降低和凝固，以及钢液和硅酸盐耐火材料相互作用，可重新生成Al2O3夹杂，有的Al2O3晶体附着在硅酸盐物质上面。Al2O3的矿物名称为刚玉，硬度很大。Al2O3夹杂是硬而脆的夹杂物，轧钢时碎裂成带棱角的小颗粒，能把金属基体划伤，产生微裂纹和应力集中，损害钢的力学性能。

硅酸盐硅酸盐夹杂物种类很多。单相的硅酸盐如硅酸铁、硅酸锰由硅、锰脱氧生成，沸腾钢或半镇静钢中可见到这类夹杂。单相的硅酸盐夹杂一般成为玻璃质，以小球体出现。SiO2夹杂物也可成为玻璃质的小球体。在偏振光下观察它们时有明显黑十字出现(图6)。有的也可能以矿物形态出现。多种元素脱氧可生成各种复杂硅酸盐夹杂，它们可能成为玻璃质，也可能成为组合起来的晶体。外来夹杂多为复相硅酸盐。硅酸盐因成分各异，其性质差别也很大。玻璃质的硅酸盐可以在高温下受压变形延伸。

尖晶石尖晶石是一个二价氧化物BO和一个三价氧化物A2O3形成的化合物BO•A2O3。钢中常见的尖晶石夹杂物列于表1。尖晶石为立方晶体，质脆，轧钢时不变形而被破碎。各种尖晶石可以成为固溶体，也可能沉淀在硅酸盐夹杂上。

表1钢中常见的尖晶石夹杂物的成分及其熔点

钙铝酸盐在CaO-Al2O3系中，随着二者比例的不同，可以形成不同的化合物：3CaO•Al2O3、12CaO•7Al2O3,CaO•Al2O3、CaO•2Al2O3、CaO•6Al2O3实际上观察到的钙铝酸盐夹杂的成分可在相当宽的范围变化，而且各种铝酸钙中的CaO可被MnO、FeO、MgO等部分替代，Al2O3可被Fe2O3、Cr2O3部分替代。钙铝酸盐夹杂多见于用钙处理的铝脱氧钢中，合成渣渣洗的轴承钢中也出现过钙铝酸盐夹杂。大多数钙铝酸盐夹杂为球形，经压力加工后不变形。

硫化物夹杂硫化物夹杂种类较少，最主要的是MnS。MnS在钢液中不能生成，在钢凝固时由于硫的偏析，硫化物夹杂才析出于树枝晶间。冷却速度越快，析出的硫化物颗粒越小，但数目增多。随着钢中含氧量的不同，铸态钢中硫化物夹杂有3类形态，如图7所示：I类硫化物为无规则分布的球状，颗粒尺寸较大，在含氧量高的沸腾钢和半镇静钢中可见到，它是在凝固初期与铁晶体同时析出的。Ⅱ类硫化物为网状或链状，沿晶界分布，是凝固的最后期生成的。Ⅲ类硫化物是边、角、面都清晰显现的块状物，无规则分布，出现于过量铝脱氧的钢中，是由于凝固过程中硫化物晶体自行发育的结果。表2为产生这3类硫化物的钢成分举例。硫化物夹杂大多塑性良好，在轧钢时顺着轧制方向延伸成条状。Ⅱ类硫化物在轧钢后可形成连绵不断的条带，所以无论在铸态或在轧态钢中，Ⅱ类硫化物对钢的性能的危害最大。

氮化物夹杂钢中加入与氮亲和力大的元素Al、V、Ti、Zr、Nb等可生成它们的氮化物。氮化物夹杂颗粒较小，形态为方形或多边形，性脆，压力加工时不变形。有的氮化物夹杂中还含有碳、硫，不是纯的氮化物。

形态控制夹杂物的类型、含量、尺寸大小、形态和分布等对于钢的性能都有不同程度的影响，而且随着钢的使用条件而异。夹杂物的形态，包括铸态的和压力加工后的形态，对钢制品的缺陷有重要意义。各种夹杂物在压力加工前后的形态变化示意于图8。由图可以看出：铝酸钙等球状不变形夹杂在轧钢时金属基体围绕夹杂物变形，夹杂旁形成空腔；尖晶石、高Al2O3的铝酸盐和Al2O3簇等脆性夹杂轧制时破碎成串状小颗粒；塑性的硅酸盐和硫化物轧钢后成为条带形复相夹杂物的塑性基体被拉长，其中的晶体改变了相对位置。由图还可以看出，除球状不变形夹杂外，变形后的夹杂物横亘于金属基体中间，使垂直于轧制方向的力学性能如强度，韧性等都显著降低，这造成了钢材的各向异性。对于钢筋，角钢等长