摘 要:鋼中存在非金屬夾雜物是不可避免的,如何正確判斷和鑒定非金屬夾雜物的性質(zhì)十分 重要。采用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡和能譜儀等設(shè)備根據(jù)非金屬夾雜物的光學(xué)和形態(tài)特征鑒定鋼中 非金屬夾雜物的種類(lèi),并參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定夾雜物的級(jí)別,結(jié)合夾雜物成分能譜定性、定量分析結(jié) 果,準(zhǔn)確確定夾雜物的組成及來(lái)源,為煉鋼連鑄改進(jìn)生產(chǎn)工藝、減少有害夾雜物的數(shù)量、提高鋼的純 凈度、生產(chǎn)出高品質(zhì)的鋼材提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞:非金屬夾雜物;硫化物;氧化物;氮化物;保護(hù)渣

中圖分類(lèi)號(hào):TG115 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4012(2021)12-0001-07

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)鋼的質(zhì)量和綜合 性能要求越來(lái)越高。影響鋼材性能的因素是多方面 的,往往涉及到煉鋼、軋鋼和熱處理等多道工序,而 鋼中非金屬夾雜物的存在是影響鋼材性能的一個(gè)重 要因素,有時(shí)甚至是決定性因素。鋼中非金屬夾雜 物的研究一直是煉鋼連鑄生產(chǎn)中的重要課題,夾雜 物分析是評(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)鋼出廠常規(guī)檢驗(yàn)項(xiàng)目之一。鋼中存在非金屬 夾雜物是不可避免的,鋼中夾雜物包括內(nèi)生夾雜物、 外來(lái)夾雜物兩大類(lèi),對(duì)于金相分析人員(尤其是新 人)來(lái)說(shuō),如何正確判斷和鑒定非金屬夾雜物的性質(zhì) 是十分重要的。筆者采用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡和 能譜儀等設(shè)備根據(jù)非金屬夾雜物的光學(xué)和形態(tài)特征 鑒定鋼中非金屬夾雜物的種類(lèi),并參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)評(píng) 定夾雜物的級(jí)別,結(jié)合夾雜物成分能譜定性、定量分 析結(jié)果,準(zhǔn)確確定夾雜物(尤其是內(nèi)生復(fù)合型夾雜 物、沉淀相、外來(lái)大型夾雜物)的組成及來(lái)源,為煉鋼 連鑄改進(jìn)生產(chǎn)工藝、減少有害夾雜物的數(shù)量、提高鋼 的純凈度、生產(chǎn)出高品質(zhì)的鋼材提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料主要包括低中碳鋼、低中碳合金鋼、低 碳微合金化高強(qiáng)鋼等。生產(chǎn)工藝為:電爐煉鋼→爐 外精煉→真空處理→連鑄→熱軋。夾雜物來(lái)源有內(nèi) 生夾雜物和外來(lái)夾雜物。內(nèi)生夾雜物是指鋼在在冶 煉、澆注和凝固過(guò)程中,鋼液脫氧生成的反應(yīng)產(chǎn)物或鋼凝固過(guò)程中產(chǎn)生的化合物,遍布在金屬中并以一 種有聯(lián)系的可預(yù)測(cè)的方式分布著[1]。內(nèi)生夾雜物主 要來(lái)自煉鋼脫氧后在澆注和凝固過(guò)程中所形成的夾 雜物顆粒,這些顆粒沒(méi)有來(lái)得及上浮到鋼液的自由 表面而滯留在鋼中。內(nèi)生夾雜物一般為簡(jiǎn)單氧化 物、復(fù)雜氧化物、硫化物、硅酸鹽、氮化物等。在鋼中 有時(shí)單獨(dú)存在,有時(shí)兩種或多種復(fù)合存在,內(nèi)生夾雜 物是不可避免的。外來(lái)夾雜物是由原材料、爐渣、耐 火材料等引起的,由于出鋼時(shí)鋼液混渣,爐襯、中間包 等耐火材料的侵蝕、沖刷剝離等形成。其特點(diǎn)是外形 不規(guī)則、尺寸比較大,其分布是不均勻和不可預(yù)測(cè)的, 這類(lèi)夾雜物通過(guò)正確的操作是可以避免的。

1.2 試驗(yàn)方法

國(guó)內(nèi)鋼廠大多按GB/T10561-2005標(biāo)準(zhǔn)[2]進(jìn) 行夾雜物檢驗(yàn),傳統(tǒng)類(lèi)夾雜物按形態(tài)和成分可劃分 為5種類(lèi)型。非傳統(tǒng)類(lèi)夾雜物包括鈣處理、稀土處 理等形成的夾雜物,沉淀相類(lèi)尺寸較大的氮化物、碳 氮化物、硼化物等。非傳統(tǒng)類(lèi)夾雜物和沉淀相類(lèi)可 根據(jù)其形態(tài)與上述5類(lèi)夾雜物比較評(píng)級(jí),并注明其 化學(xué)特征。GB/T10561-2005規(guī)定外來(lái)夾雜物不參與評(píng)級(jí),單獨(dú)記錄。按 GB/T13298—2015 [3]中 的相關(guān)規(guī)定,在產(chǎn)品規(guī)定部位取樣,磨拋樣品縱截面 (縱截面尺寸大于200mm2),以備觀察。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

采用蔡司 AxioScope5型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行樣品 夾雜物金相分析。采用賽默飛 AxiaChemiSEM 型 掃描電鏡和能譜儀對(duì)樣品中各種非金屬夾雜物、沉 淀相等進(jìn)行高倍形貌觀察及夾雜物成分能譜分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 鋼中內(nèi)生夾雜物

2.1.1 傳統(tǒng)類(lèi)夾雜物分析

2.1.1.1 A類(lèi)硫化物類(lèi)夾雜物

硫化物類(lèi)夾雜物在鑄態(tài)和軋態(tài)等熱加工狀態(tài)下 形貌不同,鑄態(tài)鋼坯上的夾雜物呈現(xiàn)3種形貌特征: Ⅰ型球狀、Ⅱ型枝晶狀、Ⅲ型顆粒狀,有時(shí)沿晶分布, 而在熱加工狀態(tài)下呈條狀。 取試樣的鑄態(tài)斷口,觀察硫化物夾雜物形貌,可 見(jiàn)鑄態(tài)斷口上硫化物呈現(xiàn)球狀、枝晶狀和顆粒狀3 種形貌特征,如圖1所示。

熱加工(熱軋、熱鍛)狀態(tài)下硫化物類(lèi)夾雜物呈 細(xì)條狀,在顯微鏡下的光學(xué)特征是淺灰色,具有高的 延展性。能譜分析硫化物的化學(xué)組成主要是 MnS, 如果錳被一部分鐵所置換,則形成(MnFe)S,其光 學(xué)特征是深灰色,A 類(lèi)硫化物形貌和成分能譜定性 分析結(jié)果見(jiàn)圖2。

2.1.1.2 B類(lèi)氧化鋁類(lèi)夾雜物

B類(lèi)夾雜物是采用鋁脫氧而殘留在鋼中的氧化 鋁類(lèi)夾雜物,鑄態(tài)下呈不規(guī)則塊狀或顆粒狀,在軋制 過(guò)程中被破碎并沿軋制方向呈鏈狀分布,明場(chǎng)下呈 黑色或藍(lán)色,如圖3所示。

2.1.1.3 C類(lèi)硅酸鹽類(lèi)夾雜物

C類(lèi)夾雜物是硅酸鹽類(lèi)夾雜物,硅酸鹽夾雜物 在顯微鏡下的光學(xué)特征是黑色或深灰色,在暗場(chǎng)下 呈透明特征。玻璃質(zhì)的硅酸鹽塑性較好,在高溫軋 鋼過(guò)程中球形夾雜物沿縱向變形延伸呈條狀分布, 具有延展性,見(jiàn)圖4。

2.1.1.4 D類(lèi)球形氧化物類(lèi)夾雜物

鋼中存在尺寸在3~13μm 間的 D類(lèi)夾雜物, 多為球形或不規(guī)則塊狀復(fù)合氧化物(如氧化鋁、氧化 硅、氧化鉻及它們的復(fù)合夾雜物等)。圖5是其中一 個(gè)顆粒狀復(fù)合氧化物形貌和成分能譜定性分析 結(jié)果。

2.1.1.5 DS類(lèi)單顆粒球狀類(lèi)夾雜物

DS類(lèi)夾雜物是圓形或近似圓形,直徑大于13 μm的單顆粒夾雜物。大尺寸顆粒狀?yuàn)A雜物對(duì)鋼的 使用性能影響較大,尤其是表面或皮下的大顆粒夾 雜物部位受力后易產(chǎn)生應(yīng)力集中,往往成為開(kāi)裂源。 圖6是一個(gè)尺寸為45μm 的大顆粒復(fù)合夾雜物的 形貌和成分能譜定性分析結(jié)果。按標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí),該夾 雜物為DS2級(jí)。

2.1.2 非傳統(tǒng)類(lèi)夾雜物分析

GB/T10561—2005中規(guī)定,非傳統(tǒng)類(lèi)型夾雜 物的評(píng)定可通過(guò)將其形狀與上述5類(lèi)傳統(tǒng)夾雜物進(jìn) 行比較,并注明其化學(xué)特征。例如,球狀硫化物可比 對(duì)D類(lèi)夾雜物進(jìn)行評(píng)定,但應(yīng)加注一個(gè)下標(biāo)(如, Dsulf表示球形硫化物;DCaS 表示球狀硫化鈣;DREs 表 示球狀稀土硫化物:DDUP 表示球狀復(fù)相夾雜物,如 硫化鈣包裹著氧化鋁)。沉淀相類(lèi)如硼化物、碳化 物、碳氮化合物或氮化物的評(píng)定,也可以根據(jù)他們的 形態(tài)與上述5類(lèi)夾雜物進(jìn)行比較,并按上述的方法 表示其化學(xué)特征[2]。

2.1.2.1 鈣處理類(lèi)夾雜物

煉鋼采用鋁脫氧加鈣處理可進(jìn)行復(fù)合脫氧脫 硫,形成復(fù)合型球形夾雜物易于上浮去除。遺留在 連鑄坯中的夾雜物經(jīng)熱軋后,根據(jù)其Ca/Al含量比 的不同其形態(tài)有所不同,Ca/Al含量比低時(shí)呈鏈狀 分布,Ca/Al含量比高時(shí)呈條狀分布,若采用Si-Ca 進(jìn)行處理,則形成硅鋁酸鈣類(lèi)條狀?yuàn)A雜物,見(jiàn)圖7。

另外,在鈣處理鋼中,會(huì)形成熱加工后不變形的 “牛眼狀”復(fù)合型脫氧脫硫產(chǎn)物,能譜分析這種復(fù)合 型夾雜物是內(nèi)部為脫氧產(chǎn)物(硅)鋁酸鈣加外面包裹 著一周脫硫產(chǎn)物硫化鈣,見(jiàn)圖8。當(dāng)鋼中錳含量偏 低、硫含量偏高、鈣含量偏高時(shí),會(huì)形成灰黑色的單 一成分的不變形球狀硫化鈣夾雜物,見(jiàn)圖9。

2.1.2.2 稀土類(lèi)夾雜物

鋼中加稀土處理的主要作用有脫氧、夾雜物變 性、作為形核質(zhì)點(diǎn)細(xì)化晶粒。當(dāng)脫氧不良時(shí)鋼坯中 稀土夾雜物尺寸會(huì)比較大,軋制后多呈不變形塊狀 或沿軋制方向分布的鏈狀,能譜分析夾雜物成分為 以鈰為主的復(fù)合稀土氧化物,見(jiàn)圖10。

2.1.3 沉淀相類(lèi)

微合金化鋼中加入與氮親和力大的元素鈦、鈮、 釩、硼等元素后,當(dāng)工藝控制不當(dāng)時(shí)可生成尺寸較大 的氮化物或碳氮化物,對(duì)鋼的性能不利。鋼中常見(jiàn) 的氮化物為氮化鈦,其形態(tài)為方形或多邊形,呈橘紅 色,性脆,在壓力加工過(guò)程中不變形,多呈分散分布; 常見(jiàn)的碳化物為碳化鈮和碳化釩,多呈小塊狀或顆 粒狀,呈淺棕色,在壓力加工過(guò)程中沿縱向呈鏈狀分 布,氮化物和碳化物光學(xué)顯微鏡低倍形貌及能譜分 析成分結(jié)果見(jiàn)圖11。

2.2 鋼中外來(lái)夾雜物

2.2.1 耐火材料類(lèi)夾雜物分析

鋼中外來(lái)夾雜物主要包括來(lái)自各種耐火材料、 中包覆蓋劑、結(jié)晶器保護(hù)渣等的夾雜物。 在夾雜物分析過(guò)程中,有時(shí)會(huì)在B類(lèi)夾雜物中 摻雜著較大尺寸的塊狀或顆粒物,能譜定性分析這 些塊狀或顆粒物的成分為鎂鋁尖晶石,這是混入鋼 中的耐火材料,見(jiàn)圖12。

2.2.2 保護(hù)渣類(lèi)夾雜物分析

在鋼材的表面裂紋或折疊缺陷中時(shí)常發(fā)現(xiàn)外來(lái) 的不規(guī)則塊狀?yuàn)A雜物,能譜分析該類(lèi)夾雜物是以氧 化硅、氧化鈣為主,并含部分氧化鈉、氧化鎂、氧化 鋁、氧化鉀、氟化鈣的復(fù)合夾雜物,由成分判斷該類(lèi) 夾雜物是混入鋼中的保護(hù)渣。XRD譜中還時(shí)常出 現(xiàn)少量氧化鋯,其來(lái)源于中包水口脫落物,見(jiàn)圖13。

另外,保護(hù)渣的裂紋或折疊周?chē)袝r(shí)存在明顯 的增碳現(xiàn)象。圖14是低碳低合金齒輪鋼軋材表面 裂紋中存在保護(hù)渣、裂紋周?chē)嬖诿黠@增碳現(xiàn)象,增 碳部位組織為近共析成分的珠光體+極少量鐵素 體,正常基體部位組織為鐵素體+珠光體。

3 分析與討論

鋼中內(nèi)生夾雜物的來(lái)源與煉鋼、連鑄等工藝過(guò) 程密切相關(guān),同時(shí)也受設(shè)備、操作、工藝、管理等因素 的影響,因此必須嚴(yán)格控制工藝和操作,才能找到提 高鋼材質(zhì)量的對(duì)策。

鋼中硫化物夾雜最主要的是硫化錳。硫化錳在 鋼液中不能生成,在鋼凝固時(shí)由于硫和錳的偏析,硫化物夾雜才析出于樹(shù)枝晶間。硫化物按其脫氧方法 不同,在鑄態(tài)下呈現(xiàn)3種形貌特征:Ⅰ型球狀(硅錳 脫氧、含氧高,隨機(jī)分布)、Ⅱ型枝晶狀(用鋁脫氧、含 硫高,沿晶分布)、Ⅲ型顆粒狀(過(guò)量鋁脫氧,隨機(jī)分 布)[4],冷卻速度越快,析出的硫化物顆粒越小,但數(shù) 量增多。硫化物是一種塑性?shī)A雜物,沿軋制變形方 向呈細(xì)條狀分布。

氧化鋁類(lèi)脆性?shī)A雜物尺寸較大時(shí)對(duì)鋼的不利影 響很大。為了減輕脆性?shī)A雜物的危害,除了盡可能 去除他們或降低其含量外,改變夾雜物的形態(tài)也很 重要。用鈣處理、稀土處理鋼液的目的就是控制夾 雜物的形態(tài)。絕大多數(shù)鋼是用鋁脫氧的,不可避免 地產(chǎn)生氧化鋁夾雜簇,氧化鋁類(lèi)夾雜物多數(shù)熔點(diǎn)較 高,在連鑄過(guò)程中易在中包水口處聚積引起堵塞使 水口栓塞,妨礙澆注工藝的正常進(jìn)行。鈣處理是在 鋼液中加入鈣系合金對(duì)鋼液中的氧化鋁夾雜物進(jìn)行 形態(tài)控制,由于氧化鋁轉(zhuǎn)變?yōu)殇X酸鈣,不易粘附在耐 火材料上,所以水口栓塞問(wèn)題也相應(yīng)得以解決[5]。 鈣處理不僅使氧化鋁轉(zhuǎn)變成鋁酸鈣,同時(shí)也使硫化 錳轉(zhuǎn)變成硫化鈣并包覆在鋁酸鈣外面。球形硫化鈣 夾雜物是鈣處理后所形成的不變形夾雜物,較大尺 寸的球形硫化鈣易于上浮排除,而殘留于鋼中的小 球形硫化鈣由于沒(méi)有各向異性,所以少量小球形硫 化鈣對(duì)鋼的性能影響不大。

采用硅錳脫氧的鋼中所形成的氧化物主要是硅 酸鹽夾雜物,硅酸鹽夾雜物種類(lèi)很多,單相的硅酸鹽 如硅酸鐵、硅酸錳等由硅錳脫氧生成,沸騰鋼或半鎮(zhèn) 靜鋼中可見(jiàn)到這類(lèi)夾雜物。在鋁鎮(zhèn)靜鋼和鈣處理鋼 中很少形成硅酸鹽類(lèi)夾雜物,但在特殊情況下如鋼 液澆注溫度偏高、鋼液發(fā)生二次氧化后會(huì)形成較多 球狀硅酸鹽夾雜物。

鋼的微合金化是在鋼中加入微量的鈮、釩、鈦等 碳化物和氮化物形成元素,通過(guò)碳化物、氮化物的溶 解和析出,來(lái)達(dá)到細(xì)化晶粒和析出強(qiáng)化的效果。鈦 與氮的親和力比較強(qiáng),二者結(jié)合析出細(xì)小的氮化鈦 顆粒,在高溫下可起到阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大、細(xì)化晶 粒的作用,但如果工藝控制不當(dāng),形成微米級(jí)大尺寸 的帶有棱角的氮化鈦不但起不到有效的晶粒細(xì)化作 用,反而會(huì)破壞鋼基體的連續(xù)性,受力時(shí)易產(chǎn)生應(yīng)力 集中成為裂紋源,對(duì)鋼產(chǎn)品的疲勞性能危害極大。 所以生產(chǎn)微合金化鋼的工藝控制非常重要。

鋼中外來(lái)夾雜物具有偶發(fā)性、隨機(jī)性,分布無(wú)規(guī) 律,一般尺寸較大且較硬,其危害性更大。結(jié)晶器中保護(hù)渣主要作用是保溫、防鋼液二次氧化、吸附夾雜 物等[6]。引發(fā)保護(hù)渣卷渣原因多與中包水口破損 (水口渣線部位主要成分為氧化鋯或內(nèi)襯所含氧化 鋯)未及時(shí)更換造成澆注過(guò)程產(chǎn)生“鋼流翻”有關(guān);也 可能與結(jié)晶器電攪拌參數(shù)不佳、拉速異常波動(dòng)等因 素有關(guān)。另外,保護(hù)渣中碳含量較高,有時(shí)卷渣中的 高碳含量會(huì)向其周?chē)鷶U(kuò)散而致使周?chē)a(chǎn)生明顯增碳 現(xiàn)象,造成組織異常、硬度異常,后續(xù)加工或使用過(guò) 程易開(kāi)裂擴(kuò)展。塊狀鎂鋁尖晶石多來(lái)源于各種耐火 材料,有棱有角、硬度很高,受力后極易產(chǎn)生應(yīng)力集 中而造成開(kāi)裂。

無(wú)論是內(nèi)生夾雜物還是外生夾雜物,其影響鋼 材性能的因素包括:成分、類(lèi)型、尺寸、數(shù)量、形狀、分 布、加工變形能力以及在基體中的空間分布和夾雜 物之間的距離等,且隨鋼的使用條件而異。鋁酸鈣 等球狀不變形夾雜物在軋鋼時(shí)金屬基體圍繞夾雜物 變形,夾雜物兩側(cè)形成空腔;高氧化鋁的鋁酸鹽和氧 化鋁簇等脆性?shī)A雜物軋制時(shí)沿變形方向破碎成串狀 小顆粒;塑性的硫化物和硅酸鹽夾雜物軋鋼后成為 條帶狀,使垂直于軋制方向的力學(xué)性能如強(qiáng)度、韌性 等都顯著降低,造成了鋼材的各向異性,對(duì)于鋼板、 管材等橫向受力較大的材料危害很大。串狀的脆性 顆粒夾雜物對(duì)鋼的表面粗糙度、塑性、韌性及鋼的冷 加工性能十分有害。條帶狀的塑性?shī)A雜物,可使鋼 及焊接鋼構(gòu)件形成層狀撕裂。球狀?yuàn)A雜物對(duì)鋼的橫 向性能損害不大,但形成的空腔引起應(yīng)力集中,損害 鋼的疲勞強(qiáng)度。表面或皮下存在大型夾雜物會(huì)在淬 火過(guò)程中因局部應(yīng)力集中而開(kāi)裂;晶界夾雜物偏聚 會(huì)引起鋼材的熱脆性;塑性和脆性?shī)A雜物偏聚均能 導(dǎo)致鋼材在腐蝕介質(zhì)中引發(fā)點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂; 夾雜物是引發(fā)鋼材產(chǎn)生氫鼓泡和氫脆的發(fā)源地。

4 結(jié)束語(yǔ)

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。所以提高鋼材質(zhì)量, 生產(chǎn)出潔凈鋼,或控制非金屬夾雜物性質(zhì)和形態(tài),是 冶煉和鑄造過(guò)程中的一個(gè)艱巨任務(wù)。鋼中存在的內(nèi) 生和外來(lái)夾雜物對(duì)鋼的性能均有不利影響,其破壞 了鋼基體的均勻性、連續(xù)性,易造成應(yīng)力集中,促進(jìn) 裂紋的產(chǎn)生,并在一定條件下加速裂紋擴(kuò)展,降低使 用壽命。鋼中存在少量非金屬夾雜物是不可避免 的,新鋼種的研制、新工藝的實(shí)施也可能造成新的非金屬夾雜物的產(chǎn)生。而對(duì)于金相分析工作者來(lái)說(shuō), 如何利用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡和能譜儀等精密儀 器設(shè)備準(zhǔn)確分析判斷鋼中非金屬夾雜物類(lèi)型、成分、 來(lái)源等具有重要指導(dǎo)意義,可為煉鋼連鑄改進(jìn)工藝 提高鋼材質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

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<文章來(lái)源>材料與測(cè)試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè)>57卷>12期(pp:1-7)>