鋼中非金屬夾雜物研究意義

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。用通俗的話來說，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夾雜、脆性夾雜和不變形夾雜；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。

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源。

氧化物是最常見的夾雜，其種類也比較多。通常將氧化物夾雜歸納成以下4類：（1）簡(jiǎn)單氧化物，如FeO、Fe₃O₄、Fe₂O₃、MnO、SiO₂、Al₂O₃、Cr₂O₃以及（Mn、Fe）O固溶體；（2）硅酸鹽；（3）尖晶石類夾雜；（4）鈣鋁酸鹽。其中具代表性的重要夾雜物有氧化鋁、硅酸鹽、尖晶石和鈣鋁酸鹽。

鋼中非金屬夾雜物氧化鋁

鋁脫氧鋼中含鋁量較高，脫氧生成物為Al₂O3。Al₂O3熔點(diǎn)很高，在煉鋼溫度下為固態(tài)，不可能凝并成大的液滴。但Al₂O₃和鋼的界面張力大，容易和鋼液分離，稱為疏鐵性夾雜物。固態(tài)的Al₂O₃顆粒在界面張力作用下能聚集在一起，在高溫下燒結(jié)成珊瑚狀的“簇”。初生的Al₂O₃夾雜大部分從鋼液內(nèi)上浮而去除。隨著鋼液溫度降低和凝固，以及鋼液和硅酸鹽耐火材料相互作用，可重新生成Al₂O₃夾雜，有的Al₂O₃晶體附著在硅酸鹽物質(zhì)上面。Al₂O₃的礦物名稱為剛玉，硬度很大。Al₂O₃夾雜是硬而脆的夾雜物，軋鋼時(shí)碎裂成帶棱角的小顆粒，能把金屬基體劃傷，產(chǎn)生微裂紋和應(yīng)力集中，損害鋼的力學(xué)性能。

鋼中非金屬夾雜物硅酸鹽

硅酸鹽夾雜物種類很多。單相的硅酸鹽如硅酸鐵、硅酸錳由硅、錳脫氧生成，沸騰鋼或半鎮(zhèn)靜鋼中可見到這類夾雜。單相的硅酸鹽夾雜一般成為玻璃質(zhì)，以小球體出現(xiàn)。SiO₂夾雜物也可成為玻璃質(zhì)的小球體。在偏振光下觀察它們時(shí)有明顯黑十字出現(xiàn)。有的也可能以礦物形態(tài)出現(xiàn)。多種元素脫氧可生成各種復(fù)雜硅酸鹽夾雜，它們可能成為玻璃質(zhì)，也可能成為組合起來的晶體。外來夾雜多為復(fù)相硅酸鹽。硅酸鹽因成分各異，其性質(zhì)差別也很大。玻璃質(zhì)的硅酸鹽可以在高溫下受壓變形延伸。

鋼中非金屬夾雜物鈣鋁酸鹽

在CaO-Al₂O₃系中，隨著二者比例的不同，可以形成不同的化合物：3CaO · Al₂O₃、12CAO·7Al₂O₃、CaO·Al₂O₃、CaO· 2Al₂O₃、CaO·6Al₂O₃。實(shí)際上觀察到的鈣鋁酸鹽夾雜的成分可在相當(dāng)寬的范圍變化，而且各種鋁酸鈣中的CaO可被MnO、FeO、MgO等部分替代，Al₂O₃可被Fe₂O₃、Cr₂O₃部分替代。鈣鋁酸鹽夾雜多見于用鈣處理的鋁脫氧鋼中，合成渣渣洗的軸承鋼中也出現(xiàn)過鈣鋁酸鹽夾雜。大多數(shù)鈣鋁酸鹽夾雜為球形，經(jīng)壓力加工后不變形。

硫化物夾雜種類較少，最主要的是MnS。MnS在鋼液中不能生成，在鋼凝固時(shí)由于硫的偏析，硫化物夾雜才析出于樹枝晶間。冷卻速度越快，析出的硫化物顆粒越小，但數(shù)目增多。隨著鋼中含氧量的不同，鑄態(tài)鋼中硫化物夾雜有3類形態(tài)：Ⅰ類硫化物為無規(guī)則分布的球狀，顆粒尺寸較大，在含氧量高的沸騰鋼和半鎮(zhèn)靜鋼中可見到，它是在凝固初期與鐵晶體同時(shí)析出的。Ⅱ類硫化物為網(wǎng)狀或鏈狀，沿晶界分布，是凝固的最后期生成的。Ⅲ類硫化物是邊、角、面都清晰顯現(xiàn)的塊狀物，無規(guī)則分布，出現(xiàn)于過量鋁脫氧的鋼中，是由于凝固過程中硫化物晶體自行發(fā)育的結(jié)果。硫化物夾雜大多塑性良好，在軋鋼時(shí)順著軋制方向延伸成條狀。Ⅱ類硫化物在軋鋼后可形成連綿不斷的條帶，所以無論在鑄態(tài)或在軋態(tài)鋼中，Ⅱ類硫化物對(duì)鋼的性能的危害最大。

鋼中加入與氮親和力大的元素Al、V、Ti、Zr、Nb等可生成它們的氮化物。氮化物夾雜顆粒較小，形態(tài)為方形或多邊形，性脆，壓力加工時(shí)不變形。有的氮化物夾雜中還含有碳、硫，不是純的氮化物。

鋼中有非金屬夾雜物存在是不可避免的。然而，夾雜物的來源、類型和分布等卻帶有極大的偶然性。新鋼種的研制也可能造成新的非金屬夾雜物的產(chǎn)生。因此，鑒定和分析非金屬夾雜物是識(shí)別夾雜物、了解其成分、性質(zhì)和來源的必要手段。通過夾雜物的鑒定和分析可為冶煉和澆鑄工藝中減少有害夾雜物提供科學(xué)的依據(jù)。鑒定夾雜物的方法可分為宏觀鑒定和微觀鑒定兩大類。

鋼中非金屬夾雜物宏觀鑒定

用肉眼或低倍放大檢查金屬材料的斷口或表面，或借助X射線、γ射線或超聲波等無損探傷方法檢查材料內(nèi)部的夾雜物。在煉鋼車間環(huán)境臟亂或所用耐火材料質(zhì)量差時(shí)，鋼錠或鑄坯表面能找到肉眼可見的大型外來夾雜，生產(chǎn)秩序良好時(shí)，則很少出現(xiàn)這種問題。X射線透視可檢測(cè)出鋼內(nèi)部的大型Al₂O₃簇。超聲波探傷可判斷鋼內(nèi)部夾雜物的定量分布，試驗(yàn)證明探傷結(jié)果和定量顯微鏡測(cè)定的夾雜物數(shù)量有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。超聲波探傷的主要缺點(diǎn)是對(duì)硫化物夾雜的檢測(cè)不敏感。硫化物夾雜可用硫印法檢查，硫在固態(tài)鋼中溶解度很小，大都成為硫化物析出，硫印所顯示的硫偏析區(qū)就是硫化物夾雜位置。又因?yàn)殇X酸鈣夾雜常和硫化鈣伴生，硫印也能反映高鈣夾雜的分布，但是合金鋼中Zr、Nb、Cr、V等的硫化物不能在硫印上反映出來。宏觀鑒定的優(yōu)點(diǎn)是可以直接檢查鋼材中的夾雜物分布情況，缺點(diǎn)是不能準(zhǔn)確判斷夾雜物的性質(zhì)和成分。

鋼中非金屬夾雜物微觀鑒定

夾雜物的微觀鑒定已形成完整的綜合技術(shù)，包括金相法、巖相法、X衍射分析及電子探針、掃描電鏡和透射電鏡等鑒定設(shè)備。20世紀(jì)50年代常用光學(xué)顯微鏡的明場(chǎng)、暗場(chǎng)和偏振光作夾雜物的定性鑒定，有時(shí)配合以對(duì)試樣的化學(xué)腐蝕。夾雜物的礦物構(gòu)成則應(yīng)用X射線粉末衍射法。60年代以后，電子顯微技術(shù)和電子微區(qū)分析技術(shù)應(yīng)用于夾雜物的鑒定，使夾雜物鑒定分析得到一個(gè)飛躍發(fā)展。透射電子顯微鏡有極高的分辨率（0.2～0.3nm），相當(dāng)于光學(xué)顯微鏡的千倍，但是它不能直接觀察材料本身，而是制成薄膜復(fù)型來觀察，只用于觀察細(xì)小顆粒的夾雜物。掃描電子顯微鏡的分辨率（10nm）不及透射電鏡，但是可以直接觀察試樣，得到立體感很強(qiáng)的圖像，而且可以借助樣品上激發(fā)出的X射線能譜，得出樣品中各元素的相對(duì)量。電子探針是電子探針顯微分析儀的簡(jiǎn)稱。它可以分析μm體積內(nèi)的元素成分，直接給出元素分布的圖像，從而判斷夾雜的礦物組成，非常有利于分析復(fù)雜夾雜物的成分。

鋼中非金屬夾雜物定量分析

對(duì)于鋼材的生產(chǎn)和使用者，如何對(duì)鋼的潔凈度進(jìn)行量化表示是很有意義的。最簡(jiǎn)便的方法是對(duì)夾雜物評(píng)級(jí)，按照壓力加工后的夾雜特征分為4類：A型為條帶狀硫化物，B型為串鏈狀脆性夾雜如Al₂O₃，C型為塑性變形的硅酸鹽，D型為球狀不變形夾雜。由權(quán)威單位提出表示潔凈度的夾雜評(píng)級(jí)圖作為規(guī)范，需要評(píng)價(jià)的鋼則與之對(duì)比。隨著鋼品種的變化和用途的擴(kuò)大，使用這種評(píng)級(jí)法已不能正確表達(dá)鋼的品質(zhì)。另一種方法是在金相顯微鏡下選若干個(gè)視場(chǎng)計(jì)量夾雜物的數(shù)目，但這很費(fèi)眼睛而且也不準(zhǔn)確。由于定量金相技術(shù)的發(fā)展，PASEM（分析顆粒的掃描電子顯微鏡）成為定量研究夾雜物的最有效工具。它能測(cè)定夾雜物尺寸分布、面積、周長(zhǎng)、投影長(zhǎng)度等8種參數(shù)，而且能記錄夾雜物中心位置坐標(biāo)，使夾雜物的參數(shù)和掃描圖像、能譜分析相對(duì)應(yīng)，全部數(shù)據(jù)均用計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理。夾雜物的定量除了物理方法外，電解分離夾雜和化學(xué)分析仍然是很有用的方法，可用于分析夾雜物的化學(xué)組成和相組成等。高合金鋼中的物相分離和分析方法仍需繼續(xù)研究。 2100433B

該產(chǎn)品在原來的基礎(chǔ)上改進(jìn)配方。除具有較強(qiáng)脫氧能力外，并能去除硫、磷等雜質(zhì)，改善鋼中非金屬夾雜物的結(jié)構(gòu)和鋼水流動(dòng)性。

用鋼中非金屬夾雜物顆粒大小和形態(tài)、夾雜物數(shù)量分布，以及在凝固時(shí)能與金屬元素結(jié)合的五種常見有害元素的含量水平來表示。鋼的潔凈度是相對(duì)的，和鋼材的特性、尺寸及使用條件有關(guān)。

潔凈鋼和純凈鋼

關(guān)于純凈鋼或潔凈鋼的概念，國(guó)內(nèi)外尚無統(tǒng)一的定義，但一般都認(rèn)為潔凈鋼是指對(duì)鋼中非金屬夾雜物（主要是氧化物、硫化物）進(jìn)行嚴(yán)格控制的鋼種， 這主要包括： 鋼中總氧含量低，非金屬夾雜物數(shù)量少、尺寸小、分布均勻、脆性夾雜物少以及合適的夾雜物形狀。 而純凈鋼則是指除對(duì)鋼中非金屬夾雜物進(jìn)行嚴(yán)格控制以外， 鋼中其它雜質(zhì)元素含量也少的鋼種。 鋼中的雜質(zhì)元素一般是指O、C 、S、P、N，鋼中微量元素（Pb、As、Sb、Bi、Cu、Sn）也包括在雜質(zhì)元素之列， 這主要是因?yàn)闊掍撨^程中上述微量元素難以去除，隨著廢鋼的不斷返回利用，這些微量元素在鋼中不斷富集，因而其有害作用日益突出。