钢中非金属夹杂物分析

钢中非金属夹杂物分析

李洪芳

内蒙古包钢钢联股份有限公司化检验中心 内蒙古包头市014010

摘要：非金属夹杂物在钢中含量虽少，但对材料性能影响较大，是钢材理化检验中不可缺少的一项，但由于其数量少、分布无规律、来源无法控制、光学显微镜下特征复杂等特点，给非金属夹杂物检验工作带来了一些困难。钢中非金属夹杂物的金相鉴定工作是一项十分复杂与专业的工作，对钢中非金属夹杂物的判定十分重要，也能够对钢的质量进行反映。在金相显微镜下，对非金属夹杂物的形态与颜色等进行判断，并对透明度等各种性质进行分析。

关键词：钢；非金属；夹杂物  

如今，现代工业技术的发展,对钢的质量和综合性能要求越来越高。影响钢材性能的因素是多方面的,往往涉及到炼钢、轧钢和热处理等多道工序,而钢中非金属夹杂物的存在是影响钢材性能的一个重要因素,有时甚至是决定性因素。钢中非金属夹杂物的研究一直是炼钢连铸生产中的重要课题,夹杂物分析是评定钢材质量的一个重要指标,并且被列为优质钢出厂常规检验项目之一。钢中存在非金属夹杂物是不可避免的,钢中夹杂物包括内生夹杂物、外来夹杂物两大类,对于金相分析人员来说,如何正确判断和鉴定非金属夹杂物的性质是十分重要。

一、非金属夹杂物分类

非金属夹杂物的分类方法也有很多种，根据非金属夹杂物的产生机理，可将其分为内生夹杂物和外来夹杂物两种，也是非金属夹杂物最常见的分类方法。外来夹杂物主要是由耐高温材料、各类残渣或二者残留物，生成的废物。外来夹杂物的形成是随机的，它是偶然性因素，人为不可控的，并且外来夹杂物是非规则的。内生夹杂物是在炼钢过程中，各种物质发生反应，生成含有O、S、N等元素的废物，这些废物不能及时排出去，因而形成了内生夹杂物。根据非金属夹杂物的化学组分不一样，可将其分为氧化物类、硫化物类、和氮化物类三种。其中，硫化物主要包含FeS、MnS等，氮化物主要包括、AlN、TiN等，氧化物又可分为简单氧化物、复杂氧化物、硅酸盐等。根据非金属夹杂物在不同温度下所呈现的塑性特点，可将其分为脆性夹杂物、塑性夹杂物和不变形夹杂物三种。塑性夹杂物主要有MnS、FeS等，在塑性夹杂物的形成过程中，会在加热方位拓展为条带状。脆性夹杂物在热加工过程中不产生形变，对原有形状的维持度高，但会在热加工方向破裂成串。不变形夹杂物主要包含SiO2夹杂等，不变形夹杂物与脆性夹杂物类似，在热加工过程中，也不会产生弯曲形变，维持自身的球点状态。按照GB/T 10561规定，可将钢中非金属夹杂物分为以下：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；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）；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；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。

二、非金属夹杂物的危害

由于非金属夹杂物的存在，使钢在加工变形时其金属基本的连续性被破坏，钢的力学性能、物理性能、化学性能以及工艺性能就会降低。例如，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；网状存在的硫化物会造成热脆性；腐蚀介质会在夹杂物聚集的位置引起点腐蚀等。

1、硫化物的危害。由于MnS极易溶解于含Cｌ－ 水中，其一危害就是降低钢的耐蚀性，特别是降低耐点蚀和耐缝隙腐蚀性能；其二危害是降低了钢的塑性、韧性和抗疲劳性能。如果钢中硫化物含量超过一定标准技术要求，在冶炼生产和轧制过程中将会造成铸坯裂纹。

2、氧化物和硅酸盐的危害。氧化物和硅酸盐会破坏钢基体的连续性并导致应力集中，一方面使钢的横向力学性能恶化；另一方面使钢的切削加工性能下降，从而降低了钢的塑性、韧性和抗疲劳性能，图４所示为氧化物破坏了钢基体的均匀性、连续性。钢材表面的翻皮、结疤、凹凸不平及裂纹等缺陷经常会与钛的氧化物和氮化物等非金属夹杂物有关。

3、氮化物的危害。氮化物夹杂的特点是硬度高、不易变形、成群分布，随着氮化物数量的增加，钢的脆性会明显增加，几何状的氮化物会成为钢材脆性穿晶断裂的裂纹源。

三、钢中非金属夹杂物给钢性能的影响

1、给钢强度造成的影响。因钢中含有非金属夹杂物，当金属变形时夹杂物无法发生形变，导致夹杂物附近应力集中出现裂纹，久而久之断裂。研究发现，非金属夹杂物给钢强度造成的影响与夹杂物尺寸密切相关，当夹杂物超过10 μm 时，钢的屈服强度会明显下降，钢的抗拉强度也会得到不同程度的削弱。

2、给钢塑性造成的影响。钢中的非金属夹杂物给钢纵向延性造成的影响不明显，但横向延性会因夹杂物的存在性能降低。当钢中带状夹杂物、夹杂物总量含量较多时，横向断面收缩率明显降低。另外，钢的高温延性也会因夹杂物的存在而受到影响，原因在于形成的TiN、AlN 等第二相析出物，会钉扎奥氏体晶界，降低其延性。

3、给钢疲劳性能造成的影响。钢中非金属夹杂物给钢疲劳性能造成的影响主要体现在两个方面，一方面，钢投入使用中，内部的夹杂物无法有效的传递应力，形成裂纹。另一方面，加工钢期间，会因夹杂物的存在形成微裂纹，成为疲劳的起始点。研究发现，在点状、粗大脆性夹杂物位置，发生的疲劳破坏最为严重，尤其夹杂物的含量越多，钢的疲劳强度下降越明显。

四、钢中非金属夹杂物金相检验

金相检验中准确判别非金属夹杂物尤为重要。金相检验常用仪器为光学显微镜，检验中使用明场观察夹杂物的分布、大小、形态及颜色，并在暗场中对夹杂物的透明度、固有色彩进行观察、分析。另外，在偏振光正交情况下，观察与研究夹杂物的相关光学性质。

1、氮化物金相检验。在光学显微镜下观察TiN、VN、AlN 夹杂物，常呈现为梯形、矩形、正方形、三角形等。这些夹杂物在明场、暗场以及偏光下的特征如表所示。

2、硫化物金相检验。钢中硫化物夹杂物主要有MnS、FeS 及其共晶体，具有较好的韧塑性，与钢材伸长方向保持一致，表现为纺锤状、长条桩。两种硫化物夹杂物在钢中的形状与分布相近，即，当含量较多时，在晶界上以网状形式存在。含量较少时，在任意位置表现以点状形式存在，容易发生变形。明场中FeS 呈现淡黄色，长时间在裸露在空气中颜色变为褐色。MnS 较少时为淡黄色，量较多时呈现为蓝色。

3、氧化物金相检验。钢中氧化物夹杂物主要有Al2O3、FeO、MnO、Cr2O3，其中Al2O3 在钢中较细小，成串分布。明场中表现为暗灰或深灰，暗场下透明且为黄白色，偏光表现为各向异性。FeO 夹杂物为球状，明场时呈现灰色稍微显褐色，暗场时不透明，沿边呈现为细亮色，偏光为各向异性。MnO 夹杂物为不规则、成群分布，明、暗场分别为灰色、绿宝石色，偏光下为各向同性。Cr2O3 夹杂物形状及分布不规则，在明、暗场分别呈现为灰紫色、薄处为绿色，偏光时为各向异性。

钢中非金属夹杂物给钢性能造成的影响较为明显，做好钢中非金属夹杂物及金相经验，有助于准确判断非金属夹杂物，掌握夹杂物金相规律，为提升钢性能提供依据。通过研究得出以下结论：

（1）依据化学成分，钢中非金属夹杂物包括氮化物系、硫化物系、氧化物系等，这些夹杂物给钢强度、塑性、疲劳性能、切削性能造成的不良影响较为明显，因此，技术人员应提高认识，做好不同类型夹杂物及金相检验工作。

（2）为掌握钢中不同夹杂物金相特征，准确判断与区分不同夹杂物，常使用光学显微镜做金相分析，并做好详细的记录，准确掌握不同夹杂物的形状、分布规律，以及明场、暗场、偏光下的特征准确判断不同夹杂物。

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