根據(jù)鋼中非金屬夾雜物的來(lái)源和分類(lèi),綜述了鑒定鋼中非金屬夾雜物的方法和定量評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn),并且給出了典型夾雜物的掃描電鏡照片,分析了不同類(lèi)型夾雜物的形成機(jī)理及其在光學(xué)顯微鏡下的基本特征。
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(lái)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(guò)程中的一個(gè)艱巨任務(wù)。而對(duì)于金相分析工作者來(lái)說(shuō),如何正確判斷和鑒定非金屬夾雜物也因此變得十分重要。
一, 鋼中非金屬夾雜物的來(lái)源分類(lèi)
1. 內(nèi)生夾雜物
鋼在冶煉過(guò)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(guò)程中形成的夾雜物。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(lái)說(shuō)是不可避免的。
2.外來(lái)夾雜物
鋼在冶煉和澆注過(guò)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(guò)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(lèi)夾雜物一般外形不規(guī)則,尺寸比較大等,又稱(chēng)為粗夾雜。這類(lèi)夾雜物通過(guò)正確的操作是可以避免的。
二, 鋼中非金屬夾雜物按化學(xué)成分分類(lèi)
鋼中非金屬夾雜物按化學(xué)成分詳細(xì)分類(lèi)見(jiàn)圖1,主要分為三大類(lèi)。
圖1 鋼中非金屬夾按照化學(xué)成分分類(lèi)圖
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(jiàn)。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(lèi)夾雜物和各種鈣的鋁酸鹽等以及鈣的鋁酸鹽(圖2)。硅酸鹽夾雜也屬于復(fù)雜氧化物夾雜,這類(lèi)夾雜物有2FeO·SiO2(鐵硅酸鹽)、2MnO·SiO2(錳硅酸鹽)和CaO·SiO2(鈣硅鹽)等(圖3)。這類(lèi)夾雜物在鋼的凝固過(guò)程中,由于冷卻速度較快,某些液態(tài)的硅酸鹽來(lái)不及結(jié)晶,其全部或部分以玻璃態(tài)的形式保存于鋼中。
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.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。
鑄態(tài)鋼中硫化物夾雜的形態(tài)通常分為三類(lèi):
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(guò)量鋁脫氧時(shí)出現(xiàn)。
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(guò)程中鋼液與空氣接觸,氮化物的數(shù)量顯著增加。
三,按夾雜物的塑性變形能力分類(lèi)
1.脆性?shī)A物
熱加工時(shí)該類(lèi)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(lèi)夾雜物的有Al2O3和Cr2O3。
2. 塑性?shī)A雜物
熱變形時(shí)該類(lèi)夾雜物具有良好范性,沿變形方向延伸成條帶狀。屬于這類(lèi)的有硫化物及含SiO2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(kāi)距離。
四,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(xiàn)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(lái),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。
1.金相法與微區(qū)域成分分析結(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(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(guò)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
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(lèi)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。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(lèi)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(jiàn)表2。
表1 常見(jiàn)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
五.非金屬夾雜物的定量評(píng)級(jí)
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(lèi)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(guò)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(lái)評(píng)定其等級(jí)。GB/T10561-2005標(biāo)準(zhǔn)列出三類(lèi)夾雜物的級(jí)別圖。氧化物為一類(lèi),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(guò)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(lèi)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(lèi),每類(lèi)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。
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(lèi)型,它們分別是硫化物、氧化鋁、硅酸鹽和球狀氧化物。每類(lèi)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(lèi)夾雜物最?lèi)毫右晥?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)。
3.ASTM評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
ASTM標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖又稱(chēng)修改的JK圖,評(píng)級(jí)圖中夾雜物的分類(lèi),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(xiàn)材等。結(jié)果是用每類(lèi)夾雜物不同級(jí)別的視場(chǎng)總數(shù)來(lái)表示。
六.結(jié)語(yǔ)
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(lái)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。??????
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