钢中非金属夹杂物的金相鉴定

摘　要　论述了钢中非金属夹杂物的来源,分布及对钢的质量的影响,利用它们在金相显微镜下的不同特征进行定性定量的检测,判定钢材质量。

关键词　钢　夹杂物　金相检验

0　引　言

由于现代工程技术的发展对钢的强度、韧性、加工性能等要求日趋严格,所以对钢铁材质要求也越来越高。非金属夹杂物作为独立相存在于钢中,破坏了钢基本的连续性,使钢组织的不均匀性增大。因此钢中非金属夹杂物的存在,对钢的性能产生强烈影响。根据非金属夹杂物的性质、形态、分布、尺寸及含量等因素的不同,对钢性能的影响也不同。为了提高金属材料的质量,生产非金属夹杂物少的洁净钢,或控制非金属夹杂物性质和要求的形态,这是冶炼和铸锭过程中的一个艰巨任务。而对于金相分析工作者来说,如何正确判断和鉴定非金属夹杂物,是十分重要的。

鉴别非金属夹杂物的工作首先是在金相显微镜下进行,利用明视场观察夹杂物的颜色、形态、大小和分布;在暗视场下观察夹杂物的固有色彩和透明度;在偏振光正交下观察夹杂物的各种光学性质,从而判断夹杂物的类型,根据夹杂物的分布情况及数量评定相应的级别,评判其对钢材性能的影响。目前检验、研究钢中非金属夹杂物的方法很多。有化学法、岩相法、金相法、电子探针、电子扫描法等等。本文仅就用金相法检验钢中非金属夹杂物作一些介绍。

1　钢中非金属夹杂物的来源分类

1.1　内生夹杂物

它是金属在熔炼过程中,各种物理化学反应形成的夹杂物。内生夹杂物一般来说分布比较均匀,颗粒也比较小。

1.2　外来夹杂物

它是金属在熔炼过程中与外界物质接触发生作用产生的夹杂物。如炉料表面的砂土和炉衬等与金属液作用,形成熔渣而滞留在金属中,其中也包括加入的熔剂。这类夹杂物一般的特征是外形不规则,尺寸比较大。

2　钢中非金属夹杂物按化学成分分类

2.1　氧化物系夹杂

简单氧化物有FeO、Fe2O3、MnO、SiO2、Al2O3、MgO、Cu2O等。在铸钢中,当用硅铁或铝进行脱氧时,SiO2和Al2O3夹杂比较党见。Al2O3在钢中常常以球形聚集呈葡萄状。在铝、镁合金中,夹杂主要是Al2O3和MgO。复杂氧化物,包括尖晶石类夹杂物和各种钙的铝酸盐等,钙的铝酸盐如图1所示。硅酸盐夹杂也属于复杂氧化物夹杂。这类夹杂物[2]有2FeO·SiO2(铁硅酸盐)、2MnO·SiO2(锰硅酸盐)、CaO·SiO2(钙硅酸盐)等。这类夹杂物在钢的凝固过程中,由于冷却速度较快,某些液态的硅酸盐来不及结晶,其全部或部分以玻璃态的形式保存于钢中,如图2所示。

2.2　硫化物系夹杂

主要是在钢及铁中产生的FeS、MnS、CaS等。由于低熔点的FeS易形成“热脆”,所以一般均要求钢中要含有一定量的Mn,使S与Mn形成熔点较高的MnS而消除FeS的危害。因此钢中硫化物夹杂主要是MnS。

铸态钢中硫化物夹杂的形态通常分为三类:

第一类　形态为球形,这种夹杂物通常出现在用硅铁脱氧或脱氧不完全的钢中。

第二类　在金相下表现为排成链状的极细的针状夹杂,如图3所示。

第三类　呈块状,外形不规则,呈任意状分布,在过量Al脱氧时出现。

2.3　氮化物夹杂

当钢中加入与氮亲和力较大的元素时形成AIN、TiN、ZrN、VN等氮化物。在出钢,浇铸过程中钢流与空气接触,空气中的氮在钢中溶解使氮化物的数量显著增加。如图4所示。        

3　非金属夹杂物对钢质量的影响

非金属夹杂物存在于钢中的数量虽然不多,但对钢及其产品的质量则起着极大的作用。硫化物夹杂造成钢的热脆性。在钢的冷态下,这些夹杂物影响其强度和延展性。某些硬的角状夹杂物明显降低钢材的断面收缩率。

非金属夹杂物对钢的抗拉强度影响更大,优良的钢材破断时属塑性断裂,当钢中存在夹杂物偏析或夹杂物沿晶界分布时,其断裂往往起始于这些地方,从而使强度急剧降低。

对于外来粗大夹杂物,其影响也很大,在冷弯或抗拉试验时,试样通常出现折叠、翻皮、断口中出现大量球状颗粒白色夹杂物等缺陷,都是因操作不当导致大量夹杂物残留钢中所致。

4　试样制备对鉴定夹杂物的影响

试样制备的好坏,直接影响夹杂物的鉴别工作,如果利用普通金相试样的制备方法,可能引起大量的夹杂物剥落,或造成严重的“拖尾”现象和相界不清,对于准确地观察夹杂物的分布、大小和形状均受到很大的干扰。试样表面粗糙,能使各向异性夹杂物的各向异性效应变弱,其至于造成判断上的错误,因此用于鉴别夹杂物观察的试样,必须精心制备,使其具有较高的表面光洁度,并且夹杂物的相界轮廓清晰,绝大多数夹杂物尚未剥落,没有“拖尾”现象存在。只有制备出这样的金相试样,才能准确地测定夹杂物的光学性质。

5　钢中非金属夹杂物在显微镜下的特征及鉴定

5.1　明视场下观察

在明视场下是以观察夹杂物的形状、分布、变形行为、大小、数量、组织、反射本领及其色彩等项目来识别夹杂物的属类。

5.2　夹杂物的外形

夹杂物的外形有规则的几何形状,像玻璃质SiO2呈球状,TiN呈方形;不规则的形状,如FeO呈卵形,多角形铝硅酸盐玻璃呈脆性破碎粒状。

5.3　夹杂物的分布

一般的硅酸盐呈单独的孤粒形状分布,Al2O3和FeO·MnO等氧化物聚集成群呈串状分布,而FeS及FeS·FeO则沿晶界分布。

5.4　夹杂物的透明度和色彩

夹杂物的透明度可分为透明、不透明两类。透明的夹杂物在暗场下显得十分明亮,如硅酸盐夹杂在暗场和偏光下有明显的反光能力。在暗场下透明,并有反光的环圈,在偏光下有暗黑十字架现象。而硫化物、氧化铁在明场下没有反光能力。TiN夹杂在明场下反光能力较强,呈金黄色。MnS显灰兰色。

6　结　语

总之,钢中非金属夹杂物含量虽然微小,但它对钢的性能影响极大,所以必须对它进行检测和研究。根据夹杂物在显微镜下的特征,用金相显微方法检验可以定性定量地鉴定钢中非金属夹杂物的级别,并按有关标准判定钢的质量,进而找出规律,改进工艺,尽可能减少有害夹杂物的含量,提高产品质量。

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