微量元素对钢的影响

题目：浅谈钢中夹杂物及微量元素对钢质量

的影响

学院：冶金与能源学院

专业:冶金工程

班级：16研二班

姓名：杨帆

学号：2016202127

2017.1.2

浅谈钢中夹杂物及微量元素对钢质量的影响

杨帆

华北理工大学冶冶金与能源学院，河北，唐山，063000

摘要

随着现代工程技术的发展，对钢的综合性能要求也日趋严格，相应地对钢的材质要求了越来越高。非金属夹杂物作为独立相存在于钢中，破坏了钢基体的连续性，加大了钢中组织的不均匀性，严重影响了钢的各种性能。例如，钢中夹杂物特别是 Al2O3 夹杂对钢的质量、机械性能等有极大影响 ,必须严格控制。另外，非金属夹杂物导致应力集中，引起疲劳断裂；数量多且分布不均匀的夹杂物会明显降低钢的塑性、韧性、焊接性以及耐腐蚀性；钢中呈网状存在的硫化物会造成热脆性。因此，夹杂物的数量和分布被认定是评定钢材质量的一个重要指标，并且被列为优质钢和高级优质钢出厂的常规检测项目之一。

其次，钢中微量元素的对钢的影响也日益加重。随着钢铁行业的不断发展，对钢铁质量的要求日趋严格，使得钢铁企业越来越重视对钢中微量元素的调控，本文从钢材的种类分析入手，分析钢中夹杂物及微量元素对钢质量的影响。

关键词：夹杂物、钢质量、微量元素

Abstract

With the development of modern engineering technology, the comprehensive performance requirements of steel are also becoming more and more strict. Non metallic inclusions exist in the steel as an independent phase, which destroy the continuity of the steel matrix, increase the uniformity of the microstructure of the steel, and seriously affect the performance of the steel. For example, the inclusion of steel, especially the Al2O3 inclusion has a great impact on the quality of steel, mechanical properties, etc., must be strictly controlled. In addition, non metallic inclusions lead to stress concentration caused by fatigue fracture; inclusion number and uneven distribution will significantly reduce the plasticity, toughness, weldability and corrosion resistant steel; steel mesh is sulfide will cause hot brittleness exist. Therefore, the quantity and distribution of the inclusions is recognized as an important indicator of evaluating the quality of steel, and is listed as one of the conventional test items of high quality steel and high quality steel factory.

Second, the impact of trace elements in steel on steel is also increasing. With the continuous development of iron and steel industry, iron and steel on the quality of the increasingly stringent requirements, the iron and steel enterprises pay more and more attention to the regulation of the trace elements in the steel, this paper starts from the analysis of the types of steel, influence analysis of inclusions in steel and trace elements on the quality of steel.

Key words:inclusion, steel quality, trace element

一、前言

随着钢铁工业的进一步发展 ,钢的材质设计和应用技术的开发给冶金工业带来了极大的挑战。钢铁产品将按着钢液洁净度高、成分控制精度高和产品性能稳定性能高的方向发展,其中高纯净度钢的生产是21世纪钢铁企业面临的重大课题 ,它的解决与钢的冶炼过程密切相关 ,而任何钢的冶炼都需要脱氧 ,脱氧制度(脱氧剂种类、用量、时间、次序)不同 ,钢液的脱氧效率、洁净度乃至钢材产品的质量都将受到极大的影响。本文将通过分析脱氧产生的夹杂物对钢质量的影响，说明夹杂物的控制对提高钢液洁净度,改善钢质量的作用。

二、夹杂物对产品性能影响的机理

钢的性能主要取决于钢的化学成分和组织。目前,用户对钢的强度、韧性、加工性能等要求日趋提高,对钢的化学成分和组织均匀性的要求也越来越高。钢中夹杂物主要以非金属化合物形态存在,如氧化物、硫化物、氮化物等,造成钢的组织不均匀, 而且它们的几何形状、化学成分、物理因素等不仅使钢的冷热加工性能和某些理化指标恶化 ,而且还能降低钢的机械性能和疲劳性能。

三、钢中主要夹杂物的来源

钢中的非金属夹杂物来源于两个方面:一是随冶炼过程产生 ,即在出钢时加入铁合金的脱氧产物和浇注过程中钢水和空气的二次氧化产物 ,称内生夹杂 ,此类夹杂一般颗粒细小 ,在钢中分布均匀;二是因种种原因从外界带入的,称外来夹杂物,此类夹杂物多为外形不规则、尺寸较大且分部不均匀。

3.1钢中非金属夹杂物的来源分类

3.1.1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。

3.1.2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脱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

夹杂物一般是外形不规则，尺寸比较大，颁也没有规律，又称为粗夹杂。这类夹杂物通过正确的操作是可以避免的。

3.2钢中非金属夹杂物按化学成分分类

钢中非金属夹杂物按化学成分详细分类见图1，主要分为三大类。

图1 钢中非金属夹按照化学成分分类图

3.2.1氧化物系夹杂

简单氧化物有FeO,Fe

2O

3

,MnO,SiO

2

,Al

2

O

3

,MgO和Cu

2

O等。在铸钢中，当用硅

铁或铝进行脱氧时，夹杂比较常见。在钢中常常以球形聚集呈颗粒状成串分布。复杂氧化物，包括尖晶石类夹杂物和各种钙的铝酸盐等，以及钙的铝酸盐（图

2b）。硅酸盐夹杂也属于复杂氧化物夹杂，这类夹杂物有2FeOSiO

2

(铁硅酸盐)、

2MnO.SiO

2(锰硅酸盐)和CaO.SiO

2

（钙硅盐）等（图3a）这类夹杂物在钢的凝固

过程中，由于冷却速度较快，某些液态的硅酸盐来不及结晶，其全部或部分以玻璃太的形式保存于钢中。

3.2.2硫化物系夹杂

主要是FeS, MnS和CaS等。由于低熔点的FeS易形成热脆，所以一般均要求钢中要含有一定量的锰，使硫与锰形成熔点较高的MnS而消除FeS的危害。因此钢中硫化物夹杂主要是MnS（图3b）.

铸态钢中硫化物夹杂的形态通常分为三类：①形态为球形，这种夹杂物通常出现在用硅铁脱氧不完全的钢中；②在光学显微镜下观察呈链状的极细的针状夹杂；③呈块状，外形不规则，在过量铝脱氧时出现。

图2 扫描电镜下的氧化铝和钙的铝酸盐夹杂

图3 扫描电镜下的硅酸盐和硫化锰夹杂

3.2.3氮化物夹杂

当钢中加入与氮亲和力较大的元素时形成A1N，TiN，ZrN和VN等氮化物。在出钢和浇铸过程中钢液与空气接触，氮化物的数量显著增加。

3.3按夹杂物的塑性变形能力分类

（1）脆性夹物热加工时该类夹杂物形状和尺寸都不变化，但可能沿加工方

向成串排列或呈点链状，属于这类夹杂物的有Al

2O

3

和Cr

2

O

3

。

（2）塑性夹杂物热变形时该类夹杂物具有良好范性，沿变形方向延伸成条带状。属于这类的有硫化物及含量较低（40%~60%）的铁锰硅酸盐。

（3）球状不变性夹杂铸态呈球状，热加工后保持球状不变，如SiO

2及含SiO

2

较高（>70%）的硅酸盐。

（4）半塑性夹杂物指各种复相的铝硅酸盐夹杂。基体铝硅酸盐有塑性，热加工时将产生塑性变形，但是其中包含着的析出相如氧化铝等是脆性的，加工时仍保持原状或只是拉开距离。

四、夹杂物的鉴定

早期的工作者主要用光学显微镜配合X射线结构分析和化学成分分析，积累了宝贵的经验和丰富的资料。近年来，采用电子探针对夹杂物进行微区成分分析日益增多。目前鉴定夹杂物的大致方法有以下两种。

4.1金相法与微区域成分分析相结合

在金相观察中选出待定夹杂物后，用电子探险针（EPMA）进行微区成分分析或者应用扫描电镜（SEM）自带能谱分析你（EDS）进行成分分析。通常可以测定尺寸大于1um的夹杂物的组成元素和大致成分，如果采用个别元素的面扫描还可以得到更为直观的结果。图4是使用扫描电镜对Q460钢中的一颗夹杂物进行的面分析图谱，依次进行硫、锰、硅和铁四种元素的面扫描，从扫描结果可以推断出，明场观察中夹杂物为MnS, SiO

，和FeS，通过能谱仪（EDS）对其进行成分

2

分析，还可直接得到各元素的质量分数。

图4夹杂物扫描电镜面扫描图

4.2光学金相法

在光学显微镜下利用明视场观察夹杂物的颜色、形态、大小和分布；在暗场下观察夹杂物的固有色彩和透明度；在正交偏振光下观察夹杂物的各种光学性质，从而判断夹杂物类型。根据夹杂物的分布情况及数量评定相应的级别，评判其对钢材性能的影响。目前检验和研究钢中非金属夹杂物的方法很多，有化学法、岩相法、金相法、电子探针和电子扫描法等。

有金相法鉴定夹杂物是根据夹杂物的形貌、分布及其在明场、暗场和偏光下的光学特征（表1），与已知的夹杂物特征对照以确定其类型。必要时可以测定

夹杂物的显微硬度或经受化学试剂腐蚀的能力。非金属夹杂物的金相法鉴定步骤见表2。

表1 常见非金属夹杂物的光学特征

表2 非金属夹杂物的金相法鉴定

五、重点夹杂物分析

5.1 Al2O3夹杂

此类夹杂物为钢中内生夹杂物。在镇静钢中 , 采用有 Al 脱氧工艺即用 Fe - Al 或 Al 脱氧时 ,Al2O3 是常见氧化物夹杂中对钢质影响最大的一类 ,它属于脆性不变形夹杂物 ,与基体的热变形能力差异较大 ,在热加工的应力作用

下 ,大块的 Al2O3 等脆性夹杂 ,经变形破碎成具有尖锐菱角的夹杂 ,并成链状分布在基体中 ,这些坚硬的形状不规则 Al2O3 夹杂能将基体划伤 ,并在夹杂物周围产生应力集中场直至在交界面处形成空隙或裂纹[1] 。在中高碳钢 ,尤其在重轨钢中 ,Al2O3 夹杂在周期应力的作用下 ,会成为疲劳源 ,最终因疲劳裂纹的扩展造成大块金属脱落的“掉块” 导致钢的断裂。根据国内客车运行和制动条件 ,应用断裂力学理论计算表明 ,当 Al2O3 夹杂大于 26μm时 ,也可使之成为疲劳裂纹源 ,因此 ,在重轨的有关标准中 ,对非金属夹杂物

Al2O3 要求特别严 ,即“B 类夹杂不大于 1 级”。

5.2 硅酸盐及钙的铝酸盐夹杂

此类夹杂物成分复杂 ,它的产生受钢液脱氧工艺、钢水条件及浇注系统中耐火材料使用情况等的影响 ,有内生的 ,也有外来的 ,还有内外共同作用的。在轧制过程中 ,这些夹杂物保持原来的球点状。特别是硅酸盐夹杂 ,它在钢的凝固过程中 ,由于冷却速度较快 ,某些液态硅酸盐来不及结晶 ,其全部或部分以过冷液体即玻璃态的形式存在于钢中 ,在 800～1300 ℃内 ,塑性依其组成不

同变化很快[2] 。在低碳钢特别是沸腾钢中 ,此类夹杂物(通常为外来夹杂) 会使盘条塑、韧性降低 ,或引起带钢分层等。

六、钢中夹杂物的控制

随着产品质量、性能要求的不断提高 ,生产非金属夹杂物少的洁净钢或控制非金属夹杂物性质及要求的形态是冶炼和浇注过程中一项艰巨的任务。为减少钢中夹杂物 ,最根本的途径 ,一是尽量减少外来夹杂物对钢水的污染 ,二是设法促使已存在于钢水中的夹杂物排出 ,以净化钢液。

6.1外部夹杂物的控制

减少外来夹杂物对钢水的污染 ,应根据其来源采取相应的措施。对连铸坯来讲 ,从出钢到钢水进入结晶器前做好如下工作:控制好出钢时的脱氧操作及挡渣操作 ,防止钢包下渣;采用保护浇注 ,防止二次氧化;采用炉外精炼新技术;使用大容量中间包 ,使夹杂物充分上浮;采用合适的保护渣 ,高质量的耐火材料;钢包及中间包等要干净。

包钢于 1997 年引进德马克炉外精炼设备LF 及VD 处理炉和弧形连铸机

后 ,大大解决了钢中外来夹杂物多的问题 ,但值得注意的是 ,保护渣及耐火材料的质量在一定程度上成为影响钢质量的主要原因。

6.2 内部夹杂物的控制

任何钢的冶炼过程都要脱氧 ,因此 ,脱氧产物———非金属氧化物的产

生是不可避免的 ,但如何控制好内生非金属夹杂物特别是 Al

2O

3

夹杂的数量、

形态和分布 ,合理的选择脱氧剂及脱氧制度具有关键的作用。包钢是我国生产重轨的主要基地之一 , 多年来一直致力于开发生产强度高、耐磨性好的钢轨产品 ,如 BNbRE轨 ,但随着我国铁路运输高速、重载及行车安全的要求 ,解决钢中夹杂问题 ,提高钢轨耐磨、耐疲劳性能是当前炼钢工作的重点 ,为此 ,包钢在脱氧工艺方面做了大量的研究和试验 ,通过运用无 Al 脱氧工艺及 Ca 处理技术来控制钢中夹杂物 ,取得了一定的效果。

七、微量元素对钢质量的影响

7.1磷（P）

磷是碳钢中的有害杂质。主要溶于铁素体起强化作用。含量提高，钢材的强度提高，塑性和韧性显著下降。特别是温度愈低，对塑性和韧性的影响愈大。磷在钢中的偏析倾向强烈，一般认为：磷的偏析富集，使铁素体品格严重畸变，是钢材冷脆性显著增大的原因。磷使钢材变脆的作用，使它显著降低钢材的可焊性。

7.2氧（O）

氧是钢中的有害杂质，主要存在于非金属夹杂物内，少量溶于铁素体中。非金属夹杂物降低钢的力学性能，特别是韧性。氧有促进时效倾向的作用。氧化物所造成的低熔点亦使钢的可焊性变坏。

7.3氮（N）

氮主要嵌溶于铁素体中，也可呈化合物形式存在。氮对钢材性质的影响与碳、磷相似，使钢材的强度提高，塑性特别是韧性显著下降。

氮可加剧钢材的时效敏感性和冷脆性，降低可焊接性降低钢的延展性和韧性，降低耐腐蚀性。

7.4硫（S）

硫是很有害的元素。呈非金属的硫化物夹杂物存在于钢中，降低各种力学性能。硫化物所造成的低熔点使钢在焊接时易于产生热裂纹，显著降低可焊性。硫亦有强烈的偏析作用，增加了危害性。

7.5铬（Cr）

在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑形和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢和耐热钢的重要合金元素。

7.6镍（Ni）

镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑形和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。但由于镍是较稀缺资源，故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。

7.7钼（Mo）

钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性。在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。结构钢中加入钼能提高机械性能。还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。

7.8钛（Ti）

钛是钢中强脱氧剂。他能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。

7.9钒（V）

钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化晶粒组织，提高强度和韧性。钒与碳形成碳化物，在高温下课提高抗氢腐蚀能力。

7.10钨（W）

钨熔点高，比重大，是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。在工具钢加钨，可显著提高红硬性和热强性，作切削工具及锻造模具。

7.11铌（Nb）

铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性提高强度，但塑形和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象。

7.12钴（Co）

钴是稀有的贵金属，多用于特殊钢和合金中，如热强钢和磁性材料。

7.13铜(Cu)

铜是奥氏体形成元素。由于铜有石墨化倾向，所以其仅加入低碳钢中，并且数量不大于1.5%。

铜的主要作用：改善耐蚀能力；借助沉淀硬化来提高合金的抗拉强度；铜在那些不发生沉淀硬化的钢中能够轻微地提高屈服强度，但钢的塑性、韧性下降；在碳钢中，它提高淬透性并降低延展性；当含铜量超过0.4%-0.5%时，使钢件在热加工时表面容易产生裂纹。

7.14铝（Al）

铝的碳化物形成能力比铁低。铝促进石墨化。

铝的主要作用：铝与氮或氧生成有效的细小弥散物而抑制晶粒长大；铝通过氮的较低温扩散（氮化）而生成有效的表面硬化层；铝借助在钢的表面生成一层强的氧化铝使钢耐腐蚀；铝是优良的脱氧剂；铝能细化晶粒，从而提高钢的强度和韧性；用铝脱氧的镇静钢，能降低钢的时效倾向，如冷轧低碳薄钢板，经精轧后可长期存放，不产生应变时效；铝对淬透性的贡献是中等的。铝在一些钢和合金中的含量范围：普通钢中铝的含量在0.01~0.03%，铁素体不锈钢0~0.30%，沉淀硬化不锈钢0~1.5%。

7.15硼（B）

硼是在2300℃熔化的非常硬的固体。

硼的主要作用：在完全脱氧的钢中加入微量的硼（0.0005~0.005%）能显著提高钢的淬透性，这时由于降低了冷却期间相转变速率所致，但当含碳量增加时，使淬透性下降，因此，硼加入含碳量＜0.6%的低碳或中碳钢中作用明显；如加入少量的硼，减少其它更昂贵的合金元素一半的量，仍能使钢保持同样的转变速率；硼改善了钢的延展性能和力学性能。

7.16稀土（Xt）

钢中加入稀土元素，可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分部、和性质，从而改善钢的各种性能，如韧性、焊接性、冷加工性能。

八、结束语

无论是夹杂物还是微量元素都对钢即有有利的影响也有不利的影响，钢中微量元素分为两类：一类为有意加入的元素，如为改善机械切削性能加入S、Pb、Se、Te，为抗腐蚀加Cu等。另一类不是有意加入而是由炼钢炉料和浇注过程带入的元素，在冶炼中去除这些元素是很困难的。总而言之，不管是各种微量元素还是夹杂物都对钢的影响大同小异。

钢中夹杂物对钢的性能、质量有极大影响 , 特别是 Al

2O

3

夹杂 ,它是影

响重轨钢疲劳性能的主要原因之一 ,必须在炼钢过程加以控制。

包钢先进的连铸工艺装备对控制钢中内外部夹杂提供了良好的环境 ,其

中 ,采用无 Al 脱氧工艺生产的重轨钢 ,钢中 Al

2O

3

夹杂得到了控制 ,并取

得了较好效果。

钙处理技术可使钢中 Al2O3、 MnS 等夹杂变性 ,改善钢的性能、质量。包钢运用钙处理工艺有效的控制了钢中夹杂物的形态 ,使钢质量、机械性能等均有提高 ,特别对重轨钢质量的提高有积极作用。

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