您當(dāng)前的位置：檢測(cè)資訊 > 科研開(kāi)發(fā)
嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2020-07-06 16:29
夾雜物概念及分類(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)生氧化物等產(chǎn)物，若這些產(chǎn)物在鋼液凝固前未浮出，將留在鋼中；
Mn+FeO → Fe+MnO
Si+2FeO → SiO2+2Fe
2Al+3FeO → 3Fe+Al2O3
Ti+2FeO → 2Fe+TiO2
溶解在鋼液中的氧、硫、氮等雜質(zhì)元素在降溫和凝固時(shí)，或固溶體中析出，最后留在鋼錠中。
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，不過(guò)一般是不可避免的。
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)壁剝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。
這類(lèi)夾雜物一般特性是外形不規(guī)則，尺寸比較大，也無(wú)規(guī)律，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。
按化學(xué)成分分類(lèi)
按變形能力分類(lèi)
按形態(tài)與分布分類(lèi)
A類(lèi)（硫化物類(lèi)）：具有高的延展性，有較寬范圍形態(tài)比的單個(gè)灰色夾雜物，一般端部呈圓角。
B類(lèi)（氧化鋁類(lèi)）：大多數(shù)沒(méi)有變形，帶角，形態(tài)比?。ㄒ话悖?），黑色或帶藍(lán)色的顆粒，沿軋制方向排成一行，至少有3個(gè)顆粒。
C類(lèi)（硅酸鹽類(lèi)）：具有高的延展性，有較寬范圍形態(tài)比（一般≥3）的單個(gè)黑色或深灰色夾雜物，一般端部呈銳角。
D類(lèi)（球狀氧化物類(lèi)）：不變形，帶角或圓形的，形態(tài)比?。ㄒ话悖?），黑色或帶藍(lán)色的，無(wú)規(guī)則分布的顆粒。
Ds類(lèi)（單顆粒球狀類(lèi)）：圓形或近似圓形，直徑≥13μm的膽顆粒夾雜物。
非金屬夾雜物對(duì)鋼性能的影響
對(duì)使用性能的影響
1、疲勞性能↓
2、沖擊韌性↓塑性↓
3、耐腐蝕性↓
對(duì)于尺寸小于10μm的夾雜物 促進(jìn)組織形核，焊接時(shí)組織晶粒長(zhǎng)大。
（1）由于加入Nb、V、Ti等合金元素，在連鑄、加熱過(guò)程中都會(huì)析出，形核C、N化合物（一種微型夾雜物）
（2）鈣化處理的硫化物、硅酸鹽類(lèi)以及細(xì)小的氧化亞鐵
可以細(xì)化晶核。有利于鋼板的韌性、塑性以及強(qiáng)度
當(dāng)非金屬夾雜物尺寸大于50μm時(shí)，降低了鋼的塑性、韌性和疲勞壽命，使鋼的冷熱加工性能乃至某些物理性能變壞。 一般我們鋼水中夾雜物尺寸都為大于50μm。 大型夾雜物不利用鋼板韌性、塑性以及強(qiáng)度指標(biāo)。除了這些性能外，還有降低抗酸性能、疲勞性能、表面光潔度以及焊接性能。
對(duì)工藝性能的影響
1、 對(duì)鍛造和冷加工、淬火加熱和焊接過(guò)程易開(kāi)裂。
2、 軋制后表面質(zhì)量以及磨削后零件表面粗糙度降低。
對(duì)鋼板強(qiáng)度、延伸的影響
當(dāng)夾雜物顆粒比較大（＞10μm），特別是夾雜物含量較低時(shí)。明顯降低鋼的屈服強(qiáng)度，且同時(shí)降低鋼的抗拉強(qiáng)度；當(dāng)夾雜物顆粒小到一定尺寸（＜10μｍ）時(shí)，鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都將提高。當(dāng)鋼中彌散的小顆粒的夾雜物數(shù)量增加時(shí)。鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都有所提高，但延伸率有很小的下降。
對(duì)疲勞性能的影響
一般認(rèn)為夾雜物是鋼疲勞破壞的起源。結(jié)合力弱、尺寸大的脆性?shī)A雜物和球狀不變形夾雜物對(duì)疲勞性能影響大，而且強(qiáng)度越高，危害性越大，如圖1所示。對(duì)于高強(qiáng)鋼，如果構(gòu)件表面加工狀態(tài)良好，裂紋萌生于夾雜物成為主要的疲勞開(kāi)裂方式。小尺寸的夾雜物可能對(duì)裂紋形核影響不大，但是有利于疲勞裂紋擴(kuò)展。圖2為小夾雜物周?chē)目斩葱纬珊蜕L(zhǎng)示意圖，認(rèn)為韌窩和小于0.5 mm的夾雜物有關(guān)。
圖1 同一應(yīng)力水平下的夾雜物尺寸與疲勞壽命
圖2 不相鄰?qiáng)A雜物間微空洞形成示意圖
失效實(shí)例：
某裝備電機(jī)彈性軸運(yùn)行一段時(shí)間后斷裂，圖3為斷口宏觀形貌，從斷口表面宏觀疲勞條紋的指向及放射狀條紋的走向可以看出，裂紋起始于彈性軸表面，且與軸表面一條縱向條紋相對(duì)應(yīng)。由于裂紋起始部位斷口表面磨損嚴(yán)重，原始斷裂表面的形態(tài)特征不清晰。經(jīng)對(duì)運(yùn)行一段時(shí)間未斷裂的彈性軸進(jìn)行宏觀和微觀觀察，如圖4所示，彈性軸表面存在不同
程度縱向裂紋，裂紋發(fā)生部位伴有非金屬夾雜物，能譜分析結(jié)果表明，裂紋中的非金屬夾雜物為鋁的氧化物。電機(jī)彈性軸球狀氧化物類(lèi)夾雜物及單顆粒球狀類(lèi)夾雜物為2.0 級(jí)。引起彈性軸過(guò)早斷裂的主要原因?yàn)榻蛔儜?yīng)力作用下，以?shī)A雜物為核心形成疲勞源而發(fā)生的疲勞斷裂。
圖3 斷裂電機(jī)彈性軸斷口宏觀形貌
圖4 彈性軸夾雜物SEM分析
對(duì)耐腐蝕性能的影響
鋼中非金屬夾雜物是導(dǎo)致鋼耐腐蝕性能降低的重要原因。非金屬夾雜物與基體鋼之間有不同的化學(xué)位，與基體鋼之間易形成微電池，一旦有環(huán)境腐蝕介質(zhì)存在，就會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，形成腐蝕坑和裂紋，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致破裂失效。
失效實(shí)例：供暖水管過(guò)早泄露，材質(zhì)為Q235B碳素結(jié)構(gòu)鋼。圖5（a）為泄露水管宏觀形貌，在泄露點(diǎn)附近水管表面已發(fā)生銹蝕。清除氧化腐蝕產(chǎn)物后，可以看到泄露點(diǎn)所在部位焊縫存在明顯溝槽，如圖5（b）所示。經(jīng)過(guò)對(duì)送檢泄露水管和原始水管進(jìn)行金相、夾雜物、能譜及模擬加速腐蝕試驗(yàn)等綜合分析后得出，焊縫部位存在與內(nèi)表面貫通的氧化物夾雜或復(fù)合氧化物夾雜是水管發(fā)生局部腐蝕、形成腐蝕溝槽并導(dǎo)致過(guò)早泄露的主要原因。在管內(nèi)含有O2、S、Cl 等腐蝕性介質(zhì)作用下，非金屬夾雜將和與之毗鄰的金屬鐵構(gòu)成腐蝕電池發(fā)生電化學(xué)腐蝕導(dǎo)致最終水管泄露。
圖5 泄漏水管宏觀形貌
對(duì)氫致延遲斷裂的影響
侵入材料內(nèi)部的氫或是介質(zhì)與材料表面電化學(xué)作用產(chǎn)生的氫，在一定條件下將不斷擴(kuò)散，較易在陷阱例如夾雜物等缺陷處聚集結(jié)合成氫分子，當(dāng)陷阱處氫分子壓力超過(guò)材料的強(qiáng)度極限時(shí)，形成裂紋核，隨著氫的繼續(xù)擴(kuò)散、聚集，最終導(dǎo)致材料的宏觀斷裂。
影響氫致開(kāi)裂的因素很多，但是對(duì)某一特定鋼種來(lái)說(shuō)，除去工藝因素的影響外，夾雜物的影響是最主要的。夾雜物是氫的強(qiáng)陷阱，非金屬夾雜物（特別是長(zhǎng)條狀的MnS）周?chē)鷼鋲汉芨撸瑠A雜物與基體界面的結(jié)合強(qiáng)度相對(duì)較弱，隨著氫壓增大會(huì)在夾雜與基體界面萌生裂紋。氫致裂紋在夾雜物處形核概率較大。夾雜物級(jí)別越多，數(shù)量越高時(shí)，導(dǎo)致氫致開(kāi)裂的敏感性越大。
失效實(shí)例：某液化石油氣公司的200 m3液化石油氣儲(chǔ)罐，材質(zhì)為16Mn，板厚24mm，工作壓力為1.18 MPa。使用多年后在球罐表面發(fā)生開(kāi)裂鼓包54個(gè)，其中20個(gè)已經(jīng)開(kāi)裂。經(jīng)金相檢驗(yàn)及SEM和能譜分析發(fā)現(xiàn)鼓包及附近存在嚴(yán)重的MnS夾雜，鼓包內(nèi)為氫氣。發(fā)生鼓包原因是由于陰極析氫反應(yīng)導(dǎo)致滲入鋼中的氫在夾雜物-基體界面缺陷部位聚集并形成鼓包，鼓包表面裂紋是張應(yīng)力作用下發(fā)生的氫致延遲斷裂。圖6為儲(chǔ)罐內(nèi)外表面鼓包宏觀形貌。圖7為鼓包內(nèi)壁表面微觀形貌及Mn、S元素面分布圖。非金屬夾雜物嚴(yán)重是形成氫鼓包及鼓包開(kāi)裂的材質(zhì)因素。
圖6 儲(chǔ)罐鼓包宏觀形貌
圖7 鼓包內(nèi)壁表面微觀形貌及其Mn、S元素面分布圖
夾雜物控制方法研究現(xiàn)狀
1、氣泡法去除夾雜物
目前常見(jiàn)的氣泡法有鋼包吹氬法、中間包氣幕擋墻法、增壓減壓法以及超聲空化法。
1.1 鋼包吹氬
鋼包吹氬是將恒定的氬氣通過(guò)噴槍吹入鋼水中，見(jiàn)圖8運(yùn)動(dòng)的氣泡受浮力向上運(yùn)動(dòng)，在此過(guò)程中氣泡吸附夾雜物使其被去除。
圖8 鋼包底吹氬示意圖
1.爐墻 2.渣 3.塞桿總成 4.鋼水 5.Ar氣 6.多孔塞
1.2 中間包氣幕擋墻
用中間包氣幕擋墻技術(shù)去除夾雜物是在20世紀(jì)末發(fā)展起來(lái)的。其原理見(jiàn)圖9通過(guò)中間包底部的排氣管或透氣裝置將氬氣送入到鋼水中，氣泡垂直于鋼水移動(dòng)方向向上移動(dòng)，形成的氣泡對(duì)鋼水起阻礙作用。鋼水流經(jīng)氣幕屏障時(shí)，夾雜物微粒被上升氣泡捕獲，增加夾雜物上浮動(dòng)力，從而使鋼水達(dá)到潔凈的目的。
圖9 氣幕擋墻中間包示意圖
1.鋼床 2.塞棒 3.下渣堰 4.氬氣泡 5.氣幕擋墻
1.3 增壓減壓法
1990年初，日本NKK公司提出了增壓減壓法去除鋼中夾雜物的技術(shù)。原理見(jiàn)圖10，分為3個(gè)步驟：①通過(guò)增加壓力將過(guò)飽和的氮?dú)馊苡阡撍虎诳焖俳祲?，在夾雜物表面的氣泡不斷地形核長(zhǎng)大；③氣泡夾雜物上浮，最終與鋼水相分離。
圖10 增壓減壓法原理示意圖
1.4 超聲空化法
超聲空化法是指利用超聲波攪拌引起空化作用產(chǎn)生大量微小氣泡（直徑為幾十μｍ左右），這些氣泡向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中增大了夾雜物碰撞聚合長(zhǎng)大的幾率，從而促使鋼水中顯微夾雜物的去除。
2、電磁凈化法
結(jié)晶器內(nèi)電磁場(chǎng)去除夾雜物的方法主要包括電磁攪拌與電磁制動(dòng)。電磁攪拌是指在電磁場(chǎng)力的作用下，結(jié)晶器內(nèi)的鋼水的流場(chǎng)發(fā)生改變，消除了再循環(huán)區(qū)，延長(zhǎng)了鋼水中夾雜物的滯留時(shí)間，提高夾雜物碰撞概率，促進(jìn)夾雜物在結(jié)晶器中心碰撞和聚結(jié)、上浮。電磁制動(dòng)
是指靜態(tài)磁場(chǎng)產(chǎn)生與鋼水流動(dòng)方向相反的電磁力，降低了結(jié)晶器內(nèi)鋼水的沖擊深度，防止卷渣。此方法對(duì)夾雜物顆粒尺寸無(wú)具體的要求，該工藝在電力資源豐富的國(guó)家及區(qū)域應(yīng)用較為廣泛。
3、夾雜物的改性處理
利用氣泡能夠帶動(dòng)夾雜物上浮來(lái)去除鋼中的夾雜物，從而提高鋼的潔凈度，但是對(duì)顆粒細(xì)小的夾雜物，尤其是高熔點(diǎn)的氧化類(lèi)夾雜物的脫除效果并不理想。而這些高熔點(diǎn)氧化物會(huì)造成水口結(jié)瘤，堵塞水口。這類(lèi)夾雜物在生產(chǎn)實(shí)際中需要經(jīng)過(guò)改性處理加以控制。夾雜物改性的主要原理是在脫氧過(guò)程中具有高熔點(diǎn)、脆性特點(diǎn)的夾雜物會(huì)被改性成為具有低熔點(diǎn)、塑性特點(diǎn)的夾雜物，夾雜物上浮變得較容易，從而使鋼水得到凈化，鋼材質(zhì)量得到提高。圖11為脆性?shī)A雜物Al2O3的改性處理機(jī)制。首先在LF精煉過(guò)程中Al2O3會(huì)變?yōu)镸gO-Al2O3或CaO-Al2O3類(lèi)夾雜物，經(jīng)過(guò)Ca處理后，進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)榈腿埸c(diǎn)系夾雜物，且鋼水中的某些元素會(huì)向其夾雜物中溶解，在這一過(guò)程中Al2O3夾雜物的形態(tài)性質(zhì)都發(fā)生了變化，從而改善水口被堵塞的情況。
圖11 夾雜物改性示意圖
4、夾雜物微細(xì)化控制（“氧化物冶金技術(shù)”）
有研究者發(fā)現(xiàn)，對(duì)鋼的性能影響最大的夾雜物尺寸是在50μｍ以上，那些幾μｍ以下的微小夾雜物在凝固和釘扎過(guò)程中可作為一些化合物如硫化物、氮化物以及碳化物的異質(zhì)形核核心，通過(guò)控制夾雜物的大小、形狀、數(shù)量和分布，提高鋼材的性能。奧氏體晶粒的形核長(zhǎng)大會(huì)受到經(jīng)過(guò)高溫細(xì)化的夾雜物的抑制，從而使晶內(nèi)和晶界鐵素體合理的匹配被控制，既避免了粗大的奧氏體晶粒的形成，又進(jìn)一步細(xì)化結(jié)構(gòu)，提高鋼的強(qiáng)度和韌性，這是氧化物冶金的基本思想。該思路是1990年由日本學(xué)者首先提出的，這一概念的提出為夾雜物的控制提供了思路，目前在國(guó)內(nèi)外也成為研究熱點(diǎn)。新日鐵開(kāi)發(fā)了Ti-O處理技術(shù)，此項(xiàng)技術(shù)是采用鈦脫氧鋼種，鈦氧化物在更高的溫度時(shí)依然保持穩(wěn)定，提高了在焊接熱循環(huán)中的作用，后又開(kāi)發(fā)HTUFF技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)不僅有Ti-O處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，還能改性?shī)A雜物，提高ＨＡＺ的低溫韌性；另外，新日鐵于2004年提出JFE EMEL技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)是基于合理控制Ti-N比以及B元素含量來(lái)改善組織韌性，提高大線(xiàn)能量焊接性；神戶(hù)制鋼的TMCP技術(shù)不僅有效利用TiN析出物的KST處理改善了鋼的韌性，并且在大熱量輸入焊接HAZ細(xì)化貝氏體組織，減少了MA的島狀硬化組織，實(shí)現(xiàn)了“無(wú)變形”鋼的實(shí)用化。
鋼中夾雜物控制技術(shù)的比較
隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，去除夾雜物從氣泡去除、電磁凈化、過(guò)濾分離、夾雜物改性等方法到近年來(lái)氧化物冶金控制夾雜物的應(yīng)用，應(yīng)用的方法越來(lái)越多，應(yīng)用的范圍越來(lái)越廣，使得冶金的功能及處理效果取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。不同夾雜物去除技術(shù)的比較見(jiàn)表3。由表3可知，對(duì)于顆粒較大，易生成的非金屬夾渣通常在鋼包與中間包內(nèi)采用氣泡去除法，氣泡法設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易，成本較低，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，針對(duì)于大型夾雜物的去除效果良好，但對(duì)于微小夾雜物的去除效果較弱。電磁凈化法適合的工藝較為廣泛，操作也靈活，但是設(shè)備較復(fù)雜，需要的電力資源也比較大，在有著豐富電力資源的國(guó)家應(yīng)用廣泛。夾雜物改性針對(duì)于高熔點(diǎn)的夾雜物，將脫氧生成的高熔點(diǎn)脆性?shī)A雜改性生成低熔點(diǎn)的塑性?shī)A雜，改變夾雜物的性質(zhì)，減少高熔點(diǎn)脆性?shī)A雜的危害，去除效果良好，在生產(chǎn)實(shí)際中也得到了應(yīng)用。氧化物冶金技術(shù)備受關(guān)注，該項(xiàng)技術(shù)是一個(gè)變害為利的過(guò)程，不僅有效地降低了夾雜物對(duì)鋼材性能的不利影響，而且也避免了去除夾雜物以及改性?shī)A雜物的復(fù)雜過(guò)程，組織得到優(yōu)化，產(chǎn)品性能得到改善，尤其是焊接性能，具有重要的應(yīng)用前景。
表3 不同夾雜物控制技術(shù)的比較
結(jié)語(yǔ)
（1）通過(guò)對(duì)鋼鐵冶煉過(guò)程中去除夾雜物的不同手段分析可知，利用氣泡法可有效地減少鋼中大型夾雜物的數(shù)量，生成彌散的微小氣泡對(duì)去除更加有利，操作簡(jiǎn)單，設(shè)備投資較少。
（2）電磁凈化和過(guò)濾器還可以去除細(xì)小的夾雜物，但設(shè)備較復(fù)雜，需要考慮電力資源的供應(yīng)。
（3）夾雜物改性技術(shù)的使用將夾雜物的熔點(diǎn)降低，夾雜物顆粒細(xì)化，從而夾雜物易于上浮，鋼的潔凈度有所提高，鋼材的性能得到改善。
（4）氧化物冶金技術(shù)不需要進(jìn)行復(fù)雜夾雜物去除和改性處理，而是利用其某些細(xì)小夾雜物自身的形核特點(diǎn)來(lái)優(yōu)化組織，提高鋼材性能，尤其為焊接用鋼的發(fā)展提供了新思路。
夾雜物控制方法部分出自《鋼中非金屬夾雜物控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望》
作者：郄亞娜
來(lái)源：材易通
關(guān)于我們 聯(lián)系我們 營(yíng)業(yè)執(zhí)照 全國(guó)服務(wù)電話(huà)：400-818-0021 嘉峪檢測(cè)版權(quán)所有 備案號(hào)：京ICP備14047019號(hào)-2 
京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
