非金屬夾雜物特征

按來(lái)源分類

鋼中非金屬夾雜物的來(lái)源主要來(lái)源有內(nèi)生夾雜和外來(lái)夾雜兩部分組成。

內(nèi)生夾雜物

鋼鐵的冶煉實(shí)質(zhì)是液態(tài)金屬的氧化一還原反應(yīng)。由于金屬在高溫液體狀態(tài)下對(duì)氧和其它氣體的溶解量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于凝固狀態(tài)，因此在煉鋼的后期必須設(shè)法將過(guò)剩的氧盡量從鋼液中排除出去，因此在煉鋼的后期必須設(shè)法將過(guò)剩的氧盡量從鋼液中排除出去。排除的方法：在電爐煉鋼中主要是靠含氧低的爐渣，使氧從鋼液中擴(kuò)散到渣中去，另外向鋼液中加入對(duì)氧親和力較強(qiáng)的脫氧元素， 這樣在鋼液中就發(fā)生了脫氧反應(yīng)，并生成了夾雜物。

由于這些夾雜一般尺寸較大, 大多數(shù)可以在還原期上浮到渣內(nèi), 從而去除了鋼液中相當(dāng)數(shù)量的氧。但仍有一部份殘留在鋼液中。另外上述的反應(yīng)是與鋼液溫度密切相關(guān)的, 當(dāng)鋼液溫度逐步降到凝固溫度時(shí), 上述反應(yīng)不斷向右進(jìn)行, 形成的非金屬夾雜物的顆粒也不斷減小, 浮出鋼液就逐漸變得困難。當(dāng)鋼液澆入鋼錠模后, 由于冷卻速度突然加快, 液態(tài)鋼對(duì)氣體的溶解度也驟然降低因此上述脫氧反應(yīng)也迅速加劇。此時(shí)除Mn，Si和Al等強(qiáng)脫氧元素進(jìn)行脫氧反應(yīng)外, 其它如Cr、Fe等也會(huì)參加脫氧反應(yīng)，生產(chǎn)FeO·SiO₂、FeO·Al₂O₃、MnO·Cr₂O₃、mMnO·nFeO等復(fù)合夾雜物, 而這類夾雜物大多是從鋼中原有的脫氧產(chǎn)物SiO₂、MnO、Al₂O₃等為核心而伴生的，因此這類夾雜物的組成和結(jié)構(gòu)都極為復(fù)雜，而且其數(shù)量一般占鋼中總夾雜量的40~60%。

外來(lái)夾雜物

該夾雜是指由渣、耐火材料或與鋼液相接觸的其它材料機(jī)械結(jié)合所形成的夾雜物。鋼在冶煉和澆注過(guò)程中懸浮在鋼液表面的爐渣、或由煉鋼爐、出鋼槽和鋼包等內(nèi)壁剝落的耐火材料或其他夾雜物在鋼液凝固前未及時(shí)清除而留于鋼中。它是金屬在熔煉過(guò)程中與外界物質(zhì)接觸發(fā)生作用產(chǎn)生的夾雜物 。如爐料表面的砂土和爐襯等與金屬液作用, 形成熔渣而滯留在金屬中, 其中也包括加入的熔劑。這類夾雜物一般的特征是外形不規(guī)則, 尺寸比較大, 分布也沒(méi)有規(guī)律, 又稱為粗夾雜。這類夾雜物通過(guò)正確的操作是可以避免的。

按化學(xué)成分類

氧化物系夾雜

簡(jiǎn)單氧化物有FeO，F(xiàn)e₂O₃，MnO，SiO_{2 ，}Al₂O_3，MgO和Cu₂O 等。在鑄鋼中, 當(dāng)用硅鐵或鋁進(jìn)行脫氧時(shí)，SiO₂ 和Al₂O₃ 夾雜比較常見。A l₂O₃ 在鋼中常常以球形聚集呈顆粒狀成串分布。復(fù)雜氧化物，包括尖晶石類夾雜物和各種鈣的鋁酸鹽等,以及鈣的鋁酸鹽。硅酸鹽夾雜也屬于復(fù)雜氧化物夾雜，這類夾雜物有2FeO · SiO₂ ( 鐵硅酸鹽) 、2MnO · SiO₂ ( 錳硅酸鹽) 和CaO · SiO₂ ( 鈣硅酸鹽) 等。這類夾雜物在鋼的凝固過(guò)程中，由于冷卻速度較快，某些液態(tài)的硅酸鹽來(lái)不及結(jié)晶，其全部或部分以玻璃態(tài)的形式保存于鋼中。

硫化物系夾雜

主要是FeS, MnS 和CaS 等。由于低熔點(diǎn)的FeS 易形成熱脆，所以一般均要求鋼中要含有一定量的錳，使硫與錳形成熔點(diǎn)較高的MnS 而消除FeS 的危害。因此鋼中硫化物夾雜主要是MnS。鑄態(tài)鋼中硫化物夾雜的形態(tài)通常分為三類：① 形態(tài)為球形，這種夾雜物通常出在用硅鐵脫氧或脫氧不完全的鋼中； ② 在光學(xué)顯微鏡下觀察呈鏈狀的極細(xì)的針狀?yuàn)A雜；③ 呈塊狀，外形不規(guī)則，在過(guò)量鋁脫氧時(shí)出現(xiàn)。

氮化物夾雜

當(dāng)鋼中加入與氮親和力較大的元素時(shí)形成AlN，TiN，ZrN 和VN 等氮化物。在出鋼和澆鑄過(guò)程中鋼液與空氣接觸， 氮化物的數(shù)量是會(huì)顯著增加的。

按不同形態(tài)分類

由于不同夾雜物在加熱溫度下具有不同的塑性，所以加工變形后鋼材中的夾雜物將呈現(xiàn)不同的形態(tài)，依此可將夾雜物區(qū)分成三類：塑性?shī)A雜、脆性?shī)A雜及不變形夾雜。

塑性?shī)A雜

塑性?shī)A雜在熱加工過(guò)程中，是沿著熱加工方向延伸成條帶狀。在FeS、MnS 以及SiO₂ 含量較低（40%—60%）的時(shí)候，低熔點(diǎn)的硅酸鹽夾雜就屬于這一類夾雜。

脆性?shī)A雜

脆性?shī)A雜在熱加工的過(guò)程中是不發(fā)生變形的，但它卻是沿著熱加工方向破裂成串。Al₂O₃和尖晶石型復(fù)合氧化物，以及釩、鈦、鋯的氮化物等一些高熔點(diǎn)高硬度的夾雜物，就是屬于這一類夾雜。

不變形夾雜

不變形夾雜在熱加工的過(guò)程中，是保持原來(lái)本身的球點(diǎn)狀不變。SiO₂ 、含SiO₂ 較高（>70%）的硅酸鹽、鈣的鋁酸鹽以及高熔點(diǎn)的硫化物 RE₂S₃ 、 RE₂O₂S 、CaS 等，都是屬于這一類夾雜。

概述

鋼中非金屬夾雜物是指鋼中不具有金屬性質(zhì)的氧化物、硫化物、硅酸鹽和氮化物。它們是鋼在冶煉過(guò)程中由于脫氧劑的加入形成氧化物、硅酸鹽和鋼在凝固過(guò)程中由于某些元素(如硫、氮) 溶解度下降而形成的硫化物、氮化物，這些夾雜物來(lái)不及排出而留在鋼中。外來(lái)夾雜物是爐渣或耐火材料或其它夾雜在鋼液凝固過(guò)程中未及時(shí)浮出而殘留于鋼中。它們常作為衡量鋼質(zhì)量的重要指標(biāo)，其類型、組成、形態(tài)、含量、尺寸、分布等各種狀態(tài)因素都對(duì)鋼性能產(chǎn)生影響。

隨著近代精煉技術(shù)的發(fā)展，鋼的“潔凈度”大大提高，夾雜物在鋼中的含量雖然極微，但對(duì)鋼的性能卻具有不可忽視的影響，非金屬夾雜物在鋼中破壞了金屬基體的連續(xù)性，致使材料的塑性、韌性降低和疲勞性能降低，使鋼的冷熱加工性能乃至某些物理性能變壞。鋼中夾雜物對(duì)鋼性能的影響主要在對(duì)鋼韌性的危害，而且危害程度隨鋼的強(qiáng)度增高而增加。然而其中夾雜物的數(shù)量及分布形態(tài)是影響鋼材質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。

產(chǎn)生原因

冶煉過(guò)程中非金屬夾雜物產(chǎn)生的原因：

造渣材料

堿性煉鋼常用的造渣材料是石灰和螢石。石灰，主要成分是CaO，其含量應(yīng)不小于85%，SiO₂含量應(yīng)不大于2%，硫含量應(yīng)小于0.15%。石灰易吸收水分而變成粉末，所以，造渣時(shí)應(yīng)使用剛燒好的、燒透的石灰，或?qū)κ疫M(jìn)行預(yù)熱后再使用，這樣能防止石灰給鋼液帶入過(guò)多的水分，否則就會(huì)使鋼液氫含量增加，影響鋼的質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使鋼報(bào)廢。螢石，主要成分是CaF₂ ，含量為85%-95% ，SiO₂含量約為6%。加入螢石能夠幫助化渣，是良好的助熔劑，它可以在短時(shí)間內(nèi)改善爐渣的流動(dòng)性。石灰中若摻雜硫化物礦石，必須將這種螢石排除掉，否則會(huì)降低爐渣的脫硫能力，易造成硫化物（MnS）夾雜。

鐵合金

在冶煉時(shí)，如果使用烘烤時(shí)間短、烘烤溫度低、甚至根本未經(jīng)烘烤的鐵合金材料，勢(shì)必將會(huì)增加外來(lái)夾雜物和氣體帶入鋼液中的機(jī)會(huì)。經(jīng)過(guò)烘烤的鐵合金上到爐臺(tái)，在寒冷的冬季，露天擺放的鐵合金會(huì)很快涼下來(lái)，將這些涼的鐵合金加入到鋼包內(nèi)，不可能很快融化并且在鋼液中分布均勻，它們得經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的熔化和攪拌的過(guò)程。對(duì)于精煉爐來(lái)說(shuō)，鋼水在真空處理結(jié)束后，這時(shí)還要補(bǔ)加一些鐵合金調(diào)整鋼液中元素的含量，如果沒(méi)有在工藝規(guī)定的時(shí)間內(nèi)出鋼，勢(shì)必將會(huì)影響真空除氣、去雜質(zhì)的效果，同時(shí)又增加了外來(lái)夾雜物進(jìn)入鋼液中的機(jī)會(huì)，影響鋼水質(zhì)量。

精煉爐真空操作

精煉爐冶煉的大都是重點(diǎn)鋼種，精煉爐的真空操作起了畫龍點(diǎn)睛之功效。精煉爐是把一般煉鋼爐中要完成的部分精煉任務(wù)，移到專門的容器中進(jìn)行。鋼水經(jīng)真空處理是為了脫氫、脫氧和排除非金屬夾雜物。精煉爐冶煉的鋼水是由電弧爐提供的初煉鋼水，有些初煉鋼水在初煉過(guò)程中沒(méi)有一定的脫碳量，脫碳速度也達(dá)不到要求，這樣就造成鋼液去氣速度小于吸氣速度，不利于排出鋼中氣體和使夾雜物充分上浮。把這種劣質(zhì)鋼水兌入精煉爐，全都依靠精煉真空處理處夾雜物，不可能達(dá)到最佳的效果。真空脫氧過(guò)程中鋼水、熔渣激烈沸騰使鋼包內(nèi)襯的耐火材料受到強(qiáng)烈沖刷，耐火材料的熔融混入產(chǎn)生的夾雜物如果不能充分上浮便進(jìn)入鋼液，因此對(duì)精煉包內(nèi)襯的耐火材料應(yīng)該進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

氬氣

氬氣是一種惰性氣體，在鋼液中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和變化。煉鋼時(shí)，將氬氣通過(guò)精煉包底部的多孔透氣磚不斷吹入熔池中，氬氣形成大量的小氣泡，對(duì)于鋼水中的有害氣體如氫、氧、氮來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于一個(gè)“真空室”，這個(gè)小“真空室”內(nèi)其它氣體的分壓幾乎等于零。于是溶解在鋼液中的氣體不斷地向氬氣泡中擴(kuò)散，氫和氮在氬氣泡中的分壓力隨著氣泡上浮而增加，氣泡在鋼液中上浮時(shí)受熱膨脹，因此氫和氮的分壓力仍能保持較低的水平，所以繼續(xù)吸收氫和氮，最后隨氬氣泡上浮溢出鋼液而被去除。氬氣上浮時(shí)引起鋼液攪動(dòng)，提供了夾雜顆粒碰撞的機(jī)會(huì)，有利于夾雜的排除。可見，煉鋼過(guò)程中，如果未調(diào)整好合適的氣體參數(shù)（氬氣壓力、流量、氣泡大小等），勢(shì)必影響精煉效果，增加產(chǎn)生非金屬夾雜物的趨勢(shì)。

危害

不同形態(tài)的夾雜物混雜在金屬內(nèi)部，破壞了金屬 的連續(xù)性和完整性。夾雜物同金屬之間的結(jié)合情況不 同、彈性和塑性的不同以及熱膨脹系數(shù)的差異，常使金 屬材料的塑性、韌性、強(qiáng)度、疲勞極限和耐蝕性等受到顯著響，同時(shí)也常常影響加工零件的表面質(zhì)量和加工工具的壽命。非金屬夾雜分塑性?shī)A雜和脆性?shī)A雜。塑性?shī)A雜如MnS等隨金屬變形而延伸軋薄。另一些夾雜物軟化點(diǎn)及硬度很高，熱加工中不變形，不破碎，保持原來(lái)形狀， 如TIN、稀土硫氧化物等。銅中氧化夾雜Cu2O常分布 在晶界上，Cu₂O是一種硬脆相，會(huì)降低金屬的熱塑性，還影響銅的導(dǎo)電能力。

因此，導(dǎo)體銅最好是無(wú)氧銅(含 氧量0.003%以下)。鋁合金在熔煉過(guò)程中，熔體表面的氧化皮膜很容易混進(jìn)熔體進(jìn)入鑄錠形成夾雜物。 這些氧化膜在金屬的塑性變形過(guò)程中會(huì)使金屬產(chǎn)生分層。特別是在其鍛件中，氧化膜沿金屬流線分布會(huì)嚴(yán)重 影響鍛件的疲勞性能。因此，飛行器鍛件對(duì)氧化膜有非常嚴(yán)格的要求。非金屬夾雜的形態(tài)、大小和在金屬中分布的情況不同，對(duì)金屬性能有不同的影響。通常集中分布、尺寸 較大的顆粒和團(tuán)塊對(duì)金屬材料性能的影響最大；分散、細(xì)小顆粒的影響相對(duì)要小一些。高度彌散分布的雜質(zhì) 可作為異質(zhì)晶核使鑄錠晶粒細(xì)化，在變形和熱處理過(guò) 程中影響晶界遷移，可改善再結(jié)晶組織。非金屬夾雜物按占母體金屬的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)評(píng)定，或根據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中的圖片評(píng)級(jí)，并按產(chǎn)品的使用要求確定允許存在的百分比或級(jí)別。

降低鋼中非金屬夾雜物的有效方法

在諸多對(duì)鋼液非金屬夾雜物影響的因素中， 主要就鋼液弱攪拌和鋼液鎮(zhèn)靜時(shí)間兩個(gè)因素進(jìn)行分析。認(rèn)為非金屬夾雜物在精煉過(guò)程中的去除主要有以下幾種方式：

（1）非金屬夾雜物在鋼包內(nèi)由于浮力的作用上浮，到達(dá)鋼液面后，進(jìn)入渣中去除，一般大顆粒的非金屬夾雜物比較容易上浮分離。

（2）通過(guò)底吹氣體，使鋼中的非金屬夾雜物隨氣泡上浮分離。

（3）一些小顆粒的非金屬夾雜在高度紊流( 氣體的攪拌等) 的鋼包爐精煉過(guò)程中相互碰撞, 生成顆粒較大的非金屬夾雜, 從而上浮去除。

影響鋼水中非金屬夾雜物的因素主要有：冶煉過(guò)程工藝操作控制、原鋪材料的質(zhì)量?jī)纱蟛糠帧?

冶煉工藝操作控制

在鋼的冶煉工藝操作控制過(guò)程中，脫碳吹氧過(guò)量、大量的補(bǔ)加合金、沸騰和還原時(shí)間不充分、鋼液攪拌強(qiáng)度不均勻、溫度過(guò)高、鋼渣成分控制不好、大量的升溫、大流量攪拌、過(guò)高速喂線等操作都會(huì)增加鋼液中非金屬夾雜物。非金屬夾雜物中的硫化物、氧化物、氮化物大多在冶煉過(guò)程中產(chǎn)生。

原鋪材料的質(zhì)量

對(duì)于使用的原鋪材料，其中合金和造雜料本身的品味和耐火材料的質(zhì)量、鋼包準(zhǔn)備的程度（溫度、清潔度等）都會(huì)對(duì)鋼液中的非金屬夾雜物造成影響。非金屬夾雜物中的大部分硅酸鹽在冶煉過(guò)程中產(chǎn)生，少部分由原鋪材料代入。 2100433B

早期文獻(xiàn)曾把鋼中非金屬夾雜物稱為“夾渣”，這個(gè)名稱容易使人誤解，以為非金屬夾雜物就是混入鋼中的爐渣?，F(xiàn)在通常把各種混入鋼中的物質(zhì)稱為外來(lái)夾雜物，它們的形狀不規(guī)，而將由于內(nèi)部物理和化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的夾雜物稱為內(nèi)生夾雜物，其典型特征是尺寸較小，數(shù)目多，分布均勻。鋼中生成夾雜物的過(guò)程大致如下：脫氧劑加入鋼液中以后，脫氧元素和氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成不溶于鋼的氧化物；有的脫氧元素也能和硫、氮化合生成硫化物、氮化物。這類化合物稱為初生夾雜物。除極少數(shù)顆粒細(xì)小的夾雜物外，大多數(shù)初生夾雜都能從鋼液中浮升出來(lái)進(jìn)入渣中。而當(dāng)鋼液冷卻和凝固時(shí)，由于溶解度下降和氧、硫等的偏析，在凝固過(guò)程中又產(chǎn)生氧化物和硫化物等，稱為次生夾雜物。次生夾雜難以從鋼中排除而殘留在樹枝晶間或最后析出于晶粒界上。鋼液脫氧后，繼續(xù)接觸到空氣或其他氧化物如耐火材料等，使鋼液重新吸收氧，即發(fā)生二次氧化。二次氧化是成品鋼中非金屬夾雜物的重要來(lái)源。

鋼中有非金屬夾雜物存在，破壞了金屬基體的連續(xù)性，使鋼的品質(zhì)變壞。在特殊情況下，有的夾雜物有利于鋼的某種性能（如切削性），但這只是在特殊的條件下。一般說(shuō)非金屬夾雜物對(duì)鋼的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能都有相當(dāng)大的危害。用通俗的話來(lái)說(shuō)，含夾雜物多的鋼是“臟”的，純凈的鋼所含有的夾雜物很少。然而純凈鋼是一個(gè)相對(duì)的概念，鋼的潔凈與否和它的用途有關(guān)，也和夾雜物的形狀、顆粒大小和可塑性等有關(guān)。數(shù)量雖少但顆粒較大的夾雜物往往比數(shù)量較多但尺寸細(xì)小的夾雜物危害更大；形狀不規(guī)則的比球形的夾雜物危害大。而對(duì)于精密的細(xì)小零件，表面上的微小夾雜物也有很大的害處。所以對(duì)非金屬夾雜物不僅要研究怎樣減少它的含量，也要研究它的形態(tài)和分布。非金屬夾雜物類型，可從不同的觀察角度進(jìn)行分類。按照化學(xué)成分可分為氧化物夾雜、硫化物夾雜和氮化物夾雜；按照夾雜物的塑性可分為范性?shī)A雜、脆性?shī)A雜和不變形夾雜；按照夾雜物尺寸可分為大型夾雜和微型夾雜等。夾雜物的性質(zhì)和形態(tài)均和它的成分有關(guān)。

由于非金屬夾雜物對(duì)鋼的性能有多方面的影響，而夾雜物的來(lái)源是各式各樣的，難以準(zhǔn)確判斷，鋼中非金屬夾雜物的研究一直是煉鋼中的重要課題。對(duì)鋼中非金屬夾雜物的分析鑒定技術(shù)隨著顯微分析儀器的進(jìn)步也在不斷地發(fā)展。