非金属夹杂物相关知识详解

帛林宝

1概述
   在炼钢过程中，少量炉渣、耐火材料及冶炼中反应产物可能进入钢液，形成非金属夹杂物。它们都会降低钢的机械性能，特别是降低塑性、韧性及疲劳极限。严重时还会使钢在热加工与热处理时产生裂纹或使用时突然脆断。非金属夹杂物也促使钢形成热加工纤维组织与带状组织，使材料具有各向异性。严重时，横向塑性仅为纵向的一半，并使冲击韧性大为降低。因此，对重要用途的钢（如滚动轴承钢、弹簧钢等）要检查非金属夹杂物的数量、形状、大小与分布情况。此外，钢在整个冶炼过程中，都与空气接触，因而钢液中总会吸收一些气体，如氮、氧、氢等。它们对钢的质量也会产生不良影响。钢中非金属夹杂物根据来源可分两大类，即外来非金属夹杂物和内在非金属夹杂物。外来非金属夹杂物是钢冶炼、浇注过程中炉渣及耐火材料侵蚀剥落后进入钢液而形成的，内在非金属夹杂物主要是冶炼、浇注过程中物理化学反应的生成物，如脱氧产物等等。常见的内在非金属夹杂物有以下几种；（a）氧化物，常见的为Al2O3；（b）硫化物，如FeS、MnS、（MnS•FeS）等；（c）硅酸盐，如硅酸亚铁（2FeO•SiO2）、硅酸亚锰（2MnO•SiO2）、铁锰硅酸盐（mFeO•MnO•SiO2）等；（d）氮化物，如TiN、ZrN等；点状不变形夹杂物等。
2 危害
  不同形态的夹杂物混杂在金属内部，破坏了金属的连续性和完整性。夹杂物同金属之间的结合情况不同、弹性和塑性的不同以及热膨胀系数的差异，常使金属材料的塑性、韧性、强度、疲劳极限和耐蚀性等受到显著影响，同时也常常影响加工零件的表面质量和加工工具的寿命。非金属夹杂分塑性夹杂和脆性夹杂。塑性夹杂如MnS等随金属变形而延伸轧薄。脆性夹杂如 Al0等随金属变形而破碎。另一些夹杂物软化点及硬度很高，热加工中不变形，不破碎，保持原来形状， 如TIN、稀土硫氧化物等。铜中氧化夹杂Cu2O常分布在晶界上，Cu20是一种硬脆相，会降低金属的热塑性， 还影响铜的导电能力。

   因此，导体铜最好是无氧铜(含氧量在0.003%以下)。铝合金在熔炼过程中，熔体表面的氧化皮膜很容易混进熔体进入铸锭形成夹杂物。 这些氧化膜在金属的塑性变形过程中会使金属产生分层。特别是在模锻件中，氧化膜沿金属流线分布会严重影响锻件的疲劳性能。因此，飞行器锻件对氧化膜有非常严格的要求。 非金属夹杂的形态、大小和在金属中分布的情况不同，对金属性能有不同的影响。通常集中分布、尺寸较大的颗粒和团块对金属材料性能的影响最大;分散、 细小颗粒的影响相对要小一些。高度弥散分布的杂质可作为异质晶核使铸锭晶粒细化，在变形和热处理过程中影响晶界迁移，可改善再结晶组织。非金属夹杂物按占母体金属的质量百分数评定，或根据产品标准中的图片评级，并按产品的使用要求确定允许存在的百分比或级别。钢轨中的非金属夹杂 防止非金属夹杂的措施有:熔体炉内净化、炉外净化、吹氢搅拌、保护浇注、控温浇注等。

3 特征


在酸浸试片上呈不同形状和颜色的颗粒。
产生原因：冶炼或浇注系统的耐火材料或脏物进入并留在钢液中所致。

4 种类


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）：大多数没有形变，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（至少有三个颗粒）；
C类（硅酸盐类）：具有高的延展性，有较宽范围形态比（一般≥3）的单个呈现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；
DS类（单颗粒球状类）： 圆形或近似圆形，直径≥13μm的单颗粒夹杂物。传统类型夹杂物的评定也可通过将其形状与上述五类夹杂物进行比较，并注明其化学特征。例：硫化物可作为D类夹杂物评定，但在实验报告中应加注一个下标（如：Dsulf表示；Dcas表示球状硫；Dres表示球状稀土硫化物；Ddep表示球状复相夹杂物，如硫化钙包裹着氧化铝）
淀相类如硼化物、碳化物、碳氮化合物或氮化物的评定，也可以根据他们的形态与上述五类夹杂物比较，并按上述的方法表示它们的化学特征。

5 评定原则
   有时出现许多空隙或空洞，如目视这些空隙或空洞未发现夹杂物或夹渣，应不评为非金属夹杂物或夹渣。但对质量要求较高的钢种（指有高倍非金属夹杂物合格级别规定者），建议进行高倍补充检验。
表 1 评级界限（最小值）

表 2 夹杂物宽度