鋼管鋼鐵材料中的非金屬夾雜物

隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展，對(duì)鋼的綜合性能要求也日趨嚴(yán)格，相應(yīng)地對(duì)鋼的材質(zhì)要求了越來越高。非金屬夾雜物作為獨(dú)立相存在于鋼中，破壞了鋼基體的連續(xù)性，加大了鋼中組織的不均勻性，嚴(yán)重影響了鋼的各種性能。例如，非金屬夾雜物導(dǎo)致應(yīng)力集中，引起疲勞斷裂；數(shù)量多且分布不均勻的夾雜物會(huì)明顯降低鋼的塑性、韌性、焊接性以及耐腐蝕性；鋼中呈網(wǎng)狀存在的硫化物會(huì)造成熱脆性。因此，夾雜物的數(shù)量和分布被認(rèn)定是評(píng)定鋼材質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，并且被列為優(yōu)質(zhì)鋼和高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼出廠的常規(guī)檢測(cè)項(xiàng)目這一。

        非金屬夾雜物的性質(zhì)、形態(tài)、分布、尺寸及含量不同，對(duì)鋼性能的影響也不同。所以提高金屬材料的質(zhì)量，生產(chǎn)出潔凈鋼，或控制非金屬夾雜物性質(zhì)和要求的形態(tài)，是冶煉和鑄錠過程中的一個(gè)艱巨任務(wù)。而對(duì)于金相分析工作者來說，如何正確判斷和鑒定非金屬夾雜箋也因此變得十分重要。

1  鋼中非金屬夾雜物的來源分類

1．1 內(nèi)生夾雜物       

 鋼在冶煉過程中，脫氧反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生氧化物和硅酸鹽等產(chǎn)物，若在鋼液凝固前未浮出，將留在鋼中。溶解在鋼液中的氧、硫、氮等雜質(zhì)元素在降溫和凝固時(shí)，由于溶解度的降低，與其他元素結(jié)合以化合物形式從液相或固溶體中析出，最后留在鋼錠中，它是金屬在熔煉過程中，各種物理化學(xué)瓜形成的夾雜物。內(nèi)生夾雜物分布比較均勻，顆粒也較小，正確的操作和合理的工藝措施可以減少其數(shù)量和改變其成分、大小和分布情況，但一般來說是不可避免的。

1．2 外來夾雜物

        鋼在冶煉和澆注過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)壁肅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。這類夾雜物一般的牲是外形不規(guī)則，尺寸比較大，頒也沒有規(guī)律，又稱為粗夾雜。這類夾雜物通過正確的操作是可以避免的。

2 鋼中非金屬夾雜物按化學(xué)成分分類

        鋼中非金屬夾雜物按化學(xué)成分詳細(xì)分類見圖1，主要分為三大類。

圖1 鋼中非金屬夾按照化學(xué)成分分類圖

2．1 氧化物系夾雜

        簡(jiǎn)單氧化物有FeO,Fe2O3,MnO,SiO2,Al2O3,MgO和Cu2O等。在鑄鋼中，當(dāng)用硅鐵或鋁進(jìn)行脫氧時(shí)，夾雜比較常見。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（圖2b）。硅酸鹽夾雜也屬于復(fù)雜氧化物夾雜，這類夾雜物有2FeOSiO2(鐵硅酸鹽)、2MnO.SiO2(錳硅酸鹽)和CaO.SiO2（鈣硅鹽）等（圖3a）這類夾雜物在鋼的凝固過程中，由于冷卻速度較快，某些液態(tài)的硅酸鹽來不及結(jié)晶，其全部或部分以玻璃太的形式保存于鋼中。

2．2 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（圖3b）.     

   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，這種夾雜物通常出現(xiàn)在用硅鐵脫氧不完全的鋼中；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，在過量鋁脫氧時(shí)出現(xiàn)。

圖2  掃描電鏡下的氧化鋁和鈣的鋁酸鹽夾雜

圖3  掃描電鏡下的硅酸鹽和硫化錳夾雜

2．3 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A1N，TiN，ZrN和VN等氮化物。在出鋼和澆鑄過程中鋼液與空氣接觸，氮化物的數(shù)量顯著增加。

3 按夾雜物的塑性變形能力分類  

  （1） 脆性?shī)A物  熱加工時(shí)該類夾雜物形狀和尺寸都不變化，但可能沿加工方向成串排列或呈點(diǎn)鏈狀，屬于這類夾雜物的有Al2O3和Cr2O3。  

 （2） 塑性?shī)A雜物 熱變形時(shí)該類夾雜物具有良好范性，沿變形方向延伸成條帶狀。屬于這類的有硫化物及   含量較低（40%~60%）的鐵錳硅酸鹽。  

  （3） 球狀不變性?shī)A雜  鑄態(tài)呈球狀，熱加工后保持球狀不變，如SiO2及含SiO2較高（>70%）的硅酸鹽。  

  （4） 半塑性?shī)A雜物  指各種復(fù)相的鋁硅酸鹽夾雜。基體鋁硅酸鹽有塑性，熱加工時(shí)將產(chǎn)生塑性變形，但是其中包含著的析出相如氧化鋁等是脆性的，加工時(shí)仍保持原狀或只是拉開距離。

4  夾雜物的鑒定

        早期的工作者主要用光學(xué)顯微鏡配合X射線結(jié)構(gòu)分析和化學(xué)成分分析，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和豐富的資料。近年來，采用電子探針對(duì)夾雜物進(jìn)行微區(qū)成分分析日益增多。目前鑒定夾雜物的大致方法有以下兩種。

4．1 金相法與微區(qū)域成分分析相結(jié)合

        在金相觀察中選出待定夾雜物后，用電子探險(xiǎn)針（EPMA）進(jìn)行微區(qū)成分分析或者應(yīng)用掃描電鏡（SEM）自帶能譜分析你（EDS）進(jìn)行成分分析。通常可以測(cè)定尺寸大于1um的夾雜物的組成元素和大致成分，如果采用個(gè)別元素的面掃描還可以得到更為直觀的結(jié)果。圖4是使用掃描電鏡對(duì)Q460鋼中的一顆夾雜物進(jìn)行的面分析圖譜，依次進(jìn)行硫、錳、硅和鐵四種元素的面掃描，從掃描結(jié)果可以推斷出，明場(chǎng)觀察中夾雜物為MnS, SiO2，和FeS，通過能譜儀（EDS）對(duì)其進(jìn)行成分分析，還可直接得到各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖4夾雜物掃描電鏡面掃描圖

 4．2 光學(xué)金相法

        在光學(xué)顯微鏡下利用明視場(chǎng)觀察夾雜物的顏色、形態(tài)、大小和分布；在暗場(chǎng)下觀察夾雜物的固有色彩和透明度；在正交偏振光下觀察夾雜物的各種光學(xué)性質(zhì)，從而判斷夾雜物類型。根據(jù)夾雜物的分布情況及數(shù)量評(píng)定相應(yīng)的級(jí)別，評(píng)判其對(duì)鋼材性能的影響。目前檢驗(yàn)和研究鋼中非金屬夾雜物的方法很多，有化學(xué)法、巖相法、金相法、電子探針和電子掃描法等。     

   有金相法鑒定夾雜物是根據(jù)夾雜物的形貌、分布及其在明場(chǎng)、暗場(chǎng)和偏光下的光學(xué)特征（表1），與已知的夾雜物特征對(duì)照以確定其類型。必要時(shí)可以測(cè)定夾雜物的顯微硬度或經(jīng)受化學(xué)試劑腐蝕的能力。非金屬夾雜物的金相法鑒定步驟見表2。

表1 常見非金屬夾雜物的光學(xué)特征

表2 非金屬夾雜物的金相法鑒定

5 非金屬夾雜物的定量評(píng)級(jí)

5．1 國(guó)標(biāo)評(píng)級(jí)

        定量測(cè)定是優(yōu)質(zhì)鋼以及高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼的常規(guī)檢測(cè)項(xiàng)目之一。 夾雜物類型已知的條件下，采用標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)比較法，以判定鋼材質(zhì)量的優(yōu)劣或是否合格。夾雜物的評(píng)級(jí)可以根據(jù)GB/T10561-2005標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。試樣經(jīng)過仔細(xì)拋光，夾雜物應(yīng)保存完好，不經(jīng)侵蝕在放大100倍顯微鏡下觀察。把試樣上夾雜物最嚴(yán)重的視場(chǎng)與標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別圖片比較來評(píng)定其等級(jí)。GB/T10561-2005標(biāo)準(zhǔn)列出三類夾雜物的級(jí)別圖。氧化物為一類，硫化物又按照夾雜物最嚴(yán)重的粗細(xì)分為兩個(gè)系列，每一個(gè)系列分5級(jí)，級(jí)別越高，表示夾雜物含量越多。評(píng)級(jí)時(shí)若不能評(píng)成整數(shù)，可以采用半級(jí)。作為重要零件用的合金結(jié)構(gòu)鋼或工具鋼，應(yīng)根據(jù)零件的要求定出非金屬夾雜物的合格級(jí)別，對(duì)于合金結(jié)構(gòu)鋼，一般最高級(jí)別不得超過氧化物及硫化物各3級(jí)，兩者之和為5.5級(jí)。       

 鉻滾動(dòng)軸承則按照GB/T18524-2002標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類及評(píng)級(jí)。標(biāo)準(zhǔn)中非金屬夾雜物分脆性?shī)A雜物、塑性?shī)A雜物和點(diǎn)狀不變性?shī)A雜物三類，每類分0.5,1,1.5,…,4共八級(jí)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別。軸承鋼中非金屬夾雜物含量級(jí)別不應(yīng)大于表3中的規(guī)定。

表3 軸承鋼中非金屬夾雜物允許的級(jí)別

        為了定量研究夾雜物對(duì)性能的影響，需要測(cè)定夾雜物的大小及間距的統(tǒng)計(jì)分布，在夾雜物較細(xì)小時(shí)，要在電鏡下進(jìn)行。定量測(cè)定要求測(cè)定較多的視場(chǎng)以求得統(tǒng)計(jì)分布。自動(dòng)圖像分析儀的應(yīng)用可以大大加速測(cè)定工作的進(jìn)程，并獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果。

5．2 JK標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)

        將夾雜物分為A，B，C和D四個(gè)基本類型，它們分別是硫化物、氧化鋁、硅酸鹽和球狀氧化物。每類夾雜物按照厚度和直徑的不同又可分為細(xì)系和粗系兩個(gè)系列，每個(gè)夾雜物由表示夾雜物數(shù)量遞增的五級(jí)圖片（1~5）組成。評(píng)定夾雜物級(jí)別時(shí)，允許評(píng)半級(jí)。結(jié)果是用每個(gè)試樣每類夾雜物最惡劣視場(chǎng)的級(jí)別數(shù)表示。鋼中非金屬夾雜物的評(píng)定方法可以參照GB/T10561-2005標(biāo)準(zhǔn)。

5．3 ASTM評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

        ASTM標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖又稱修改的JK圖，評(píng)級(jí)圖中夾雜物的分類，系列的劃分均與JK評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)圖相同，但評(píng)級(jí)圖由0.5~2.5組成，它適用于評(píng)定高純度鋼的夾雜物，常用于承受較大壓延量的產(chǎn)品中，如板材、管材和線材等。結(jié)果是用每類夾雜物不同級(jí)別的視場(chǎng)總數(shù)來表示。

6  結(jié)語

        鋼中非金屬夾雜物含量雖然少，但對(duì)鋼的性能影響極大，所以必須對(duì)它進(jìn)行定性和定量的檢測(cè)。根據(jù)夾雜物在顯微鏡下不同的光學(xué)特征，可以定性鑒定鋼中非金屬夾雜物，在結(jié)合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)微區(qū)成分分析可以定量評(píng)定夾雜物的級(jí)別，綜合來判定鋼的質(zhì)量，進(jìn)而找出規(guī)律，改進(jìn)工藝，盡可能減少有害夾雜物的含量，提高產(chǎn)品質(zhì)量。