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鋼中非金屬夾雜物的金相分析
由于現代工程技術的發展對鋼的強度、韌性、加工性能等要求日趨嚴格,所以對鋼鐵材質要求也越來越高。非金屬夾雜物作為獨立相存在于鋼中,破壞了鋼基本的連續性,使鋼組織的不均勻性增大。因此鋼中非金屬夾雜物的存在,對鋼的性能產生強烈影響。根據非金屬夾雜物的性質、形態、分布、尺寸及含量等因素的不同,對鋼性能的影響也不同。為了提高金屬材料的質量,生產非金屬夾雜物少的潔凈鋼,或控制非金屬夾雜物性質和要求的形態,這是冶煉和鑄錠過程中的一個艱巨任務。而對于金相分析工作者來說,如何正確判斷和鑒定非金屬夾雜物,是十分重要的。
鑒別非金屬夾雜物的工作首先是在金相顯微鏡下進行,利用明視場觀察夾雜物的顏色、形態、大小和分布;在暗視場下觀察夾雜物的固有色彩和透明度;在偏振光正交下觀察夾雜物的各種光學性質,從而判斷夾雜物的類型,根據夾雜物的分布情況及數量評定相應的級別,評判其對鋼材性能的影響。目前檢驗、研究鋼中非金屬夾雜物的方法很多。有化學法、巖相法、金相法、電子探針、電子掃描法等等。本文僅就用金相法檢驗鋼中非金屬夾雜物作一些介紹。
1 鋼中非金屬夾雜物的來源分類
1.1 內生夾雜物
它是金屬在熔煉過程中,各種物理化學反應形成的夾雜物。內生夾雜物一般來說分布比較均勻,顆粒也比較小。
1.2 外來夾雜物
它是金屬在熔煉過程中與外界物質接觸發生作用產生的夾雜物。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。這類夾雜物一般的特征是外形不規則,尺寸比較大。
2 鋼中非金屬夾雜物按化學成分分類
2.1 氧化物系夾雜
簡單氧化物有FeO、Fe2O3、MnO、SiO2、Al2O3、MgO、Cu2O等。在鑄鋼中,當用硅鐵或鋁進行脫氧時,SiO2和Al2O3夾雜比較黨見。Al2O3在鋼中常常以球形聚集呈葡萄狀。在鋁、鎂合金中,夾雜主要是Al2O3和MgO。復雜氧化物,包括尖晶石類夾雜物和各種鈣的鋁酸鹽等,鈣的鋁酸鹽如圖1所示。硅酸鹽夾雜也屬于復雜氧化物夾雜。這類夾雜物[2]有2FeO·SiO2(鐵硅酸鹽)、2MnO·SiO2(錳硅酸鹽)、CaO·SiO2(鈣硅酸鹽)等。這類夾雜物在鋼的凝固過程中,由于冷卻速度較快,某些液態的硅酸鹽來不及結晶,其全部或部分以玻璃態的形式保存于鋼中,如圖2所示。
2.2 硫化物系夾雜
主要是在鋼及鐵中產生的FeS、MnS、CaS等。由于低熔點的FeS易形成“熱脆",所以一般均要求鋼中要含有一定量的Mn,使S與Mn形成熔點較高的MnS而消除FeS的危害。因此鋼中硫化物夾雜主要是MnS。
鑄態鋼中硫化物夾雜的形態通常分為三類:
第一類 形態為球形,這種夾雜物通常出現在用硅鐵脫氧或脫氧的鋼中。
第二類 在金相下表現為排成鏈狀的極細的針狀夾雜,如圖3所示。
第三類 呈塊狀,外形不規則,呈任意狀分布,在過量Al脫氧時出現。
2.3 氮化物夾雜
當鋼中加入與氮親和力較大的元素時形成AIN、TiN、ZrN、VN等氮化物。在出鋼,澆鑄過程中鋼流與空氣接觸,空氣中的氮在鋼中溶解使氮化物的數量顯著增加。
