详细解读钢的非金属夹杂物

钢中的非金属夹杂物

非金属夹杂物是自然产生的，通常是不需要的产物，根据其在钢铁生产过程中以及涉及液态钢的所有制造和处理过程中有利的热力学条件，它们会形成各种类型。它们由嵌入钢金属基体中的微晶玻璃相构成。所有钢都或多或少地含有非金属夹杂物。这些非金属夹杂物的类型和外观取决于钢种、炼钢工艺、二次冶金等因素。

钢的处理和铸造等。因此，确定钢的纯度具有特别重要的意义。钢清洁度一词是相对的，因为即使钢中的氧和硫化物各只有 1 ppm，每吨仍含有数十亿至万亿的非金属夹杂物。影响钢中非金属夹杂物的各种因素如图1所示。

非金属夹杂物是金属(例如铁、锰、铝、硅和钙)与非金属(例如氧、硫、碳、氢和氮)的化合物。非金属夹杂物形成独立的相。含有一种以上化合物(例如不同的氧化物、氧化物+硫化物)的非金属相称为复合非金属夹杂物(尖晶石、硅酸盐、氧硫化物、碳氮化物)。

尽管钢中存在少量非金属夹杂物(0.01% 至 0.02%)，但它们对钢的性能有显着影响。它们是危险和严重的材料缺陷的原因，例如脆性和各种裂纹形成。然而，这些夹杂物中的一些也可以通过在奥氏体向铁素体相变过程中使针状铁素体成核而对钢性能产生有益影响，尤其是在低碳钢中。通常受非金属夹杂物影响的钢的性能包括抗拉强度、可变形性或延展性、韧性、疲劳强度、耐腐蚀性、可焊性、可抛光性和可加工性。

非金属夹杂物分类

根据来源不同，非金属夹杂物分为两类，即内源性和外源性夹杂物。

内生夹杂物是由于钢中所含化学物质的溶解度降低而在液相中沉淀形成的。这种类型的非金属夹杂物不能从钢中完全消除，但可以通过严格控制降低它们的体积分数和平均尺寸，以避免它们的破坏作用。

外源夹杂物进入钢是由于来自炉渣、耐火碎片或来自铸造和覆盖粉末的非金属材料的捕获，这些粉末用于保护钢和避免在铸造过程中粘附。这种类型的非金属夹杂物的特点是尺寸大，无法立即识别它们的来源，尽管它们的存在会强烈影响钢的微观结构完整性和相关的机械可靠性。

非金属夹杂物的另一种分类可以基于它们的化学成分。非金属夹杂物综合可分为氧化物(FeO、Al2O3、SiO2、MnO、Cr2O3、Al2O3.SiO2、Al2O3.FeO、Cr2O3.FeO、MgO.Al2O3、MnO.SiO2等)、硫化物(FeS、MnS 、CaS、MgS、Ce2S3等)、氮化物(TiN、AlN、VN、BN等)、碳化物(Fe3C、WC、Cr3C2、Mn3C、Fe3W3C等)、磷化物(Fe3P、Fe2P、Mn5P2等) .)、氧硫化物(MnS.MnO、Al2O3.CaS、FeS.FeO等)、碳氮化物[Ti(CN)、V(CN)、Nb(CN)]等。

非金属夹杂物的形成

包裹体形成过程分为三个阶段。这些阶段如下所述。

成核 – 在此阶段，由于添加剂(脱氧剂或脱硫剂)溶解或冷却，溶液(液态或固态钢)与溶质(例如 Al 和 O)过饱和，形成新相核的钢。形核过程由边界夹杂物-液态钢的表面张力决定。表面张力越小，形成新相核所需的过饱和度就越低。在钢液中存在其他相(其他夹杂物)的情况下，成核过程要容易得多。在这种情况下，新相的形成由晶核和基质夹杂物之间的润湿角决定。润湿条件(低润湿角)有利于新相成核。

生长——新夹杂物的生长会持续，直到达到化学平衡(无过饱和)。固体钢中夹杂物的生长过程非常缓慢，因此可能会保留一定程度的非平衡过饱和度。

聚结和结块——由于热对流或强制搅拌引起的液体运动导致夹杂物碰撞，这可能导致它们聚结(液体夹杂物合并)或结块(固体夹杂物合并)。由于夹杂物和液态钢之间的界面减少而获得的能量优势驱动了聚结/团聚过程。具有更高表面能的夹杂物在碰撞时有更高的机会合并。

大内含物比小内含物漂浮得更快。漂浮的夹杂物被熔渣吸收。漂浮过程可以通过适度搅拌来加强。剧烈搅拌导致将较大的内含物破碎成较小尺寸的内含物。气泡在钢液中向上移动，也促进了夹杂物的上浮和被渣的吸收。

非金属夹杂物形态

非金属夹杂物具有不同的形状，如下所述。

球状——这种形状的夹杂物是最理想的，因为它们对钢的机械性能的影响适中。球形夹杂物的球形是由于它们在铝含量低的情况下在液态下形成的。球状夹杂物的例子是在凝固过程中在枝晶臂、铝酸铁和硅酸盐之间的空间中形成的硫化锰和硫氧化物。

片状夹杂物——铝脱氧钢含有硫化锰和硫氧化物，它们以薄膜(片晶)的形式位于钢晶界处。这种夹杂物是由于凝固过程中的共晶转变而形成的。片状夹杂物是不可取的。它们显着削弱了晶界并对机械性能造成不利影响，尤其是在热条件下(热脆性)。

树枝状夹杂物 – 过量的强脱氧剂(铝)导致形成树枝状氧化物和硫化物夹杂物(分离和聚集)。这些夹杂物的熔点高于钢。枝晶状夹杂物的尖锐棱角会引起局部内应力集中，从而大大降低钢的塑性、韧性和疲劳强度。

多面体夹杂物——枝晶状夹杂物的形态可以通过添加(在铝深度脱氧后)少量稀土元素(铈、镧)或碱土元素(钙、镁)来改善。由于其形状接近球状，多面体夹杂物对钢性能的影响小于树枝状夹杂物。

非金属夹杂物分布

除了非金属夹杂物的形状外，在整个钢晶粒结构中的分布也是决定钢的机械性能的非常重要的因素。钢中常见的非金属夹杂物有以下三种分布模式。

小夹杂物的均匀分布是最理想的分布类型。在一些钢中，为了提高钢的强度，有意产生均匀分布在钢中的微小碳化物或氮化物。

夹杂物沿钢的晶界分布是不希望出现的，因为这种分布会削弱钢的结构。

夹杂物簇是第三种分布，这种分布也是不利的，因为它可能导致韧性和疲劳强度等机械性能的局部劣化。

非金属夹杂物的分布可能会因钢加工(轧制、锻造等)而发生变化。延展性夹杂物在工作方向上发生变形和拉长。延展性较差的夹杂物在加工过程中断裂并形成碎片链。拉长的夹杂物和破碎的夹杂物链导致机械和其他性能的各向异性。横向力学性能低于平行于工作方向的力学性能。

非金属夹杂物检查

钢中非金属夹杂物的特征在于尺寸、形状、浓度和分布，而不是它们的化学成分。非金属夹杂物的检验通常采用宏观方法或微观方法进行。在检查过程中，只能检测到测试表面存在的夹杂物。

肉眼可见或借助放大倍数不大于10倍的放大镜可见的非金属夹杂物采用宏观方法。仅考虑长度等于或大于1mm的夹杂物通过宏观检查。用于宏观检查的标准方法是蓝色断裂试验法、阶梯机加工试验法和磁粉探伤法。

在非金属夹杂物的显微测定方法中，准备好的钢样在显微镜下以大于 100 的放大倍数进行检查，以确定非金属夹杂物的性质。该方法包括将观察到的区域与定义的图表进行比较，并分别考虑每种类型的夹杂物。通常，图表对应于正方形视野，每个视野面积为 0.50 平方毫米，通过纵向抛光平面获得并在 100 倍放大下观察。根据夹杂物的形状和分布，标准图分为五个主要组别，即A、B、C、D和DS。这五组代表了最常见的夹杂物类型和形态。

A 组(硫化物类型)——这些夹杂物具有很高的延展性。它们是单个灰色颗粒，具有宽范围的纵横比(长度/宽度)并且通常具有圆形末端。

B 组(铝酸盐类)——这些包裹体是许多不可变形的、有棱角的、低纵横比(通常小于 3)、黑色或蓝色颗粒(至少三个)沿变形方向排列的。

C 组(硅酸盐类型)——这些夹杂物是高度可塑的、单个黑色或深灰色颗粒，具有宽范围的纵横比(通常等于 3)并且通常具有尖锐的末端。

D 组(球状氧化物类型)——这些夹杂物是不可变形的、有角的或圆形的、低纵横比(通常小于 3)、黑色或蓝色、随机分布的颗粒。

DS 组(单一球状)- 这些内含物是圆形或近似圆形的单个颗粒，直径等于或大于 13 微米。

非金属夹杂物对钢的影响

在液态钢的铸造过程中，非金属夹杂物会导致喷嘴堵塞和铸造过程中断。

在非金属夹杂物的起源中已经认识到三种主要机制，这些机制与这些非金属相对钢基体的破坏作用有关。考虑到非金属夹杂物的这些机制如下。

扩大非金属夹杂物周围应力场的开槽元素

逐渐迁移到非金属夹杂物中的加压气体罐在非金属夹杂物周围产生应力场

由于与金属相和玻璃陶瓷相相关的不同热膨胀系数而产生残余应力的非金属相

除了一些本应需要非金属夹杂物的应用，如用于改善可加工性的硫化物，它们通常会降低钢产品的机械性能和表面质量。人们普遍认为，由于存在名义金属夹杂物，钢的某些机械性能(如延展性、韧性、各向异性和可成形性)可能会受到负面影响。

非金属夹杂物对钢件疲劳性能的有害影响是因为它们可以作为潜在的应力集中点，在循环载荷下引发裂纹。

非金属夹杂物是所有钢材中不需要的成分，在影响钢材性能方面起着重要作用。控制钢中的夹杂物与洁净钢的概念密切相关。通过控制非金属夹杂物来改善钢的性能在保护钢的应用免受更新的竞争材料的影响方面起着重要作用。冶金学家的目标是消除不需要的夹杂物并控制剩余物的性质和分布，以优化最终产品的性能。

限制钢中非金属夹杂物含量以及改变这些夹杂物的形貌以改善钢材性能的方法称为非金属夹杂物工程。