鋼中的非金屬夾雜物

非金屬夾雜物是自然產生的，通常是不需要的產物，根據其在鋼鐵生產過程中以及涉及液態鋼的所有制造和處理過程中有利的熱力學條件，它們會形成各種類型。它們由嵌入鋼金屬基體中的微晶玻璃相構成。所有鋼都或多或少地含有非金屬夾雜物。這些非金屬夾雜物的類型和外觀取決于鋼種、煉鋼工藝、二次冶金等因素。

鋼的處理和鑄造等。因此，確定鋼的純度具有特別重要的意義。鋼清潔度一詞是相對的，因為即使鋼中的氧和硫化物各只有 1 ppm，每噸仍含有數十億至萬億的非金屬夾雜物。影響鋼中非金屬夾雜物的各種因素如圖1所示。

非金屬夾雜物是金屬(例如鐵、錳、鋁、硅和鈣)與非金屬(例如氧、硫、碳、氫和氮)的化合物。非金屬夾雜物形成獨立的相。含有一種以上化合物(例如不同的氧化物、氧化物+硫化物)的非金屬相稱為復合非金屬夾雜物(尖晶石、硅酸鹽、氧硫化物、碳氮化物)。

盡管鋼中存在少量非金屬夾雜物(0.01% 至 0.02%)，但它們對鋼的性能有顯著影響。它們是危險和嚴重的材料缺陷的原因，例如脆性和各種裂紋形成。然而，這些夾雜物中的一些也可以通過在奧氏體向鐵素體相變過程中使針狀鐵素體成核而對鋼性能產生有益影響，尤其是在低碳鋼中。通常受非金屬夾雜物影響的鋼的性能包括抗拉強度、可變形性或延展性、韌性、疲勞強度、耐腐蝕性、可焊性、可拋光性和可加工性。

非金屬夾雜物分類

根據來源不同，非金屬夾雜物分為兩類，即內源性和外源性夾雜物。

內生夾雜物是由于鋼中所含化學物質的溶解度降低而在液相中沉淀形成的。這種類型的非金屬夾雜物不能從鋼中完全消除，但可以通過嚴格控制降低它們的體積分數和平均尺寸，以避免它們的破壞作用。

外源夾雜物進入鋼是由于來自爐渣、耐火碎片或來自鑄造和覆蓋粉末的非金屬材料的捕獲，這些粉末用于保護鋼和避免在鑄造過程中粘附。這種類型的非金屬夾雜物的特點是尺寸大，無法立即識別它們的來源，盡管它們的存在會強烈影響鋼的微觀結構完整性和相關的機械可靠性。

非金屬夾雜物的另一種分類可以基于它們的化學成分。非金屬夾雜物綜合可分為氧化物(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。

非金屬夾雜物的形成

包裹體形成過程分為三個階段。這些階段如下所述。

成核 – 在此階段，由于添加劑(脫氧劑或脫硫劑)溶解或冷卻，溶液(液態或固態鋼)與溶質(例如 Al 和 O)過飽和，形成新相核的鋼。形核過程由邊界夾雜物-液態鋼的表面張力決定。表面張力越小，形成新相核所需的過飽和度就越低。在鋼液中存在其他相(其他夾雜物)的情況下，成核過程要容易得多。在這種情況下，新相的形成由晶核和基質夾雜物之間的潤濕角決定。潤濕條件(低潤濕角)有利于新相成核。

生長——新夾雜物的生長會持續，直到達到化學平衡(無過飽和)。固體鋼中夾雜物的生長過程非常緩慢，因此可能會保留一定程度的非平衡過飽和度。

聚結和結塊——由于熱對流或強制攪拌引起的液體運動導致夾雜物碰撞，這可能導致它們聚結(液體夾雜物合并)或結塊(固體夾雜物合并)。由于夾雜物和液態鋼之間的界面減少而獲得的能量優勢驅動了聚結/團聚過程。具有更高表面能的夾雜物在碰撞時有更高的機會合并。

大內含物比小內含物漂浮得更快。漂浮的夾雜物被熔渣吸收。漂浮過程可以通過適度攪拌來加強。劇烈攪拌導致將較大的內含物破碎成較小尺寸的內含物。氣泡在鋼液中向上移動，也促進了夾雜物的上浮和被渣的吸收。

非金屬夾雜物形態

非金屬夾雜物具有不同的形狀，如下所述。

球狀——這種形狀的夾雜物是最理想的，因為它們對鋼的機械性能的影響適中。球形夾雜物的球形是由于它們在鋁含量低的情況下在液態下形成的。球狀夾雜物的例子是在凝固過程中在枝晶臂、鋁酸鐵和硅酸鹽之間的空間中形成的硫化錳和硫氧化物。

片狀夾雜物——鋁脫氧鋼含有硫化錳和硫氧化物，它們以薄膜(片晶)的形式位于鋼晶界處。這種夾雜物是由于凝固過程中的共晶轉變而形成的。片狀夾雜物是不可取的。它們顯著削弱了晶界并對機械性能造成不利影響，尤其是在熱條件下(熱脆性)。

樹枝狀夾雜物 – 過量的強脫氧劑(鋁)導致形成樹枝狀氧化物和硫化物夾雜物(分離和聚集)。這些夾雜物的熔點高于鋼。枝晶狀夾雜物的尖銳棱角會引起局部內應力集中，從而大大降低鋼的塑性、韌性和疲勞強度。

多面體夾雜物——枝晶狀夾雜物的形態可以通過添加(在鋁深度脫氧后)少量稀土元素(鈰、鑭)或堿土元素(鈣、鎂)來改善。由于其形狀接近球狀，多面體夾雜物對鋼性能的影響小于樹枝狀夾雜物。

非金屬夾雜物分布

除了非金屬夾雜物的形狀外，在整個鋼晶粒結構中的分布也是決定鋼的機械性能的非常重要的因素。鋼中常見的非金屬夾雜物有以下三種分布模式。

小夾雜物的均勻分布是最理想的分布類型。在一些鋼中，為了提高鋼的強度，有意產生均勻分布在鋼中的微小碳化物或氮化物。

夾雜物沿鋼的晶界分布是不希望出現的，因為這種分布會削弱鋼的結構。

夾雜物簇是第三種分布，這種分布也是不利的，因為它可能導致韌性和疲勞強度等機械性能的局部劣化。

非金屬夾雜物的分布可能會因鋼加工(軋制、鍛造等)而發生變化。延展性夾雜物在工作方向上發生變形和拉長。延展性較差的夾雜物在加工過程中斷裂并形成碎片鏈。拉長的夾雜物和破碎的夾雜物鏈導致機械和其他性能的各向異性。橫向力學性能低于平行于工作方向的力學性能。

非金屬夾雜物檢查

鋼中非金屬夾雜物的特征在于尺寸、形狀、濃度和分布，而不是它們的化學成分。非金屬夾雜物的檢驗通常采用宏觀方法或微觀方法進行。在檢查過程中，只能檢測到測試表面存在的夾雜物。

肉眼可見或借助放大倍數不大于10倍的放大鏡可見的非金屬夾雜物采用宏觀方法。僅考慮長度等于或大于1mm的夾雜物通過宏觀檢查。用于宏觀檢查的標準方法是藍色斷裂試驗法、階梯機加工試驗法和磁粉探傷法。

在非金屬夾雜物的顯微測定方法中，準備好的鋼樣在顯微鏡下以大于 100 的放大倍數進行檢查，以確定非金屬夾雜物的性質。該方法包括將觀察到的區域與定義的圖表進行比較，并分別考慮每種類型的夾雜物。通常，圖表對應于正方形視野，每個視野面積為 0.50 平方毫米，通過縱向拋光平面獲得并在 100 倍放大下觀察。根據夾雜物的形狀和分布，標準圖分為五個主要組別，即A、B、C、D和DS。這五組代表了最常見的夾雜物類型和形態。

A 組(硫化物類型)——這些夾雜物具有很高的延展性。它們是單個灰色顆粒，具有寬范圍的縱橫比(長度/寬度)并且通常具有圓形末端。

B 組(鋁酸鹽類)——這些包裹體是許多不可變形的、有棱角的、低縱橫比(通常小于 3)、黑色或藍色顆粒(至少三個)沿變形方向排列的。

C 組(硅酸鹽類型)——這些夾雜物是高度可塑的、單個黑色或深灰色顆粒，具有寬范圍的縱橫比(通常等于 3)并且通常具有尖銳的末端。

D 組(球狀氧化物類型)——這些夾雜物是不可變形的、有角的或圓形的、低縱橫比(通常小于 3)、黑色或藍色、隨機分布的顆粒。

DS 組(單一球狀)- 這些內含物是圓形或近似圓形的單個顆粒，直徑等于或大于 13 微米。

非金屬夾雜物對鋼的影響

在液態鋼的鑄造過程中，非金屬夾雜物會導致噴嘴堵塞和鑄造過程中斷。

在非金屬夾雜物的起源中已經認識到三種主要機制，這些機制與這些非金屬相對鋼基體的破壞作用有關。考慮到非金屬夾雜物的這些機制如下。

擴大非金屬夾雜物周圍應力場的開槽元素

逐漸遷移到非金屬夾雜物中的加壓氣體罐在非金屬夾雜物周圍產生應力場

由于與金屬相和玻璃陶瓷相相關的不同熱膨脹系數而產生殘余應力的非金屬相

除了一些本應需要非金屬夾雜物的應用，如用于改善可加工性的硫化物，它們通常會降低鋼產品的機械性能和表面質量。人們普遍認為，由于存在名義金屬夾雜物，鋼的某些機械性能(如延展性、韌性、各向異性和可成形性)可能會受到負面影響。

非金屬夾雜物對鋼件疲勞性能的有害影響是因為它們可以作為潛在的應力集中點，在循環載荷下引發裂紋。

非金屬夾雜物是所有鋼材中不需要的成分，在影響鋼材性能方面起著重要作用。控制鋼中的夾雜物與潔凈鋼的概念密切相關。通過控制非金屬夾雜物來改善鋼的性能在保護鋼的應用免受更新的競爭材料的影響方面起著重要作用。冶金學家的目標是消除不需要的夾雜物并控制剩余物的性質和分布，以優化最終產品的性能。

限制鋼中非金屬夾雜物含量以及改變這些夾雜物的形貌以改善鋼材性能的方法稱為非金屬夾雜物工程。