談針對(duì)鋼中非金屬夾雜物的有效檢驗(yàn)

亓成雙，都魯平

（1.山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司，山東 濟(jì)南 271104；2.山東鋼鐵集團(tuán)煙臺(tái)鋼管有限公司，山東 煙臺(tái) 265304）

鋼中非金屬夾雜物的來(lái)源無(wú)法控制、分布不規(guī)律、數(shù)量少以及光學(xué)顯微鏡下特征復(fù)雜等特點(diǎn)決定了其檢驗(yàn)工作難度之大。因此，本人圍繞鋼中非金屬夾雜物的來(lái)源、特點(diǎn)、分類、影響等方面展開(kāi)研討，為相關(guān)工作人員提供或加深對(duì)其的了解與認(rèn)識(shí)。

1 鋼中非金屬夾雜物的來(lái)源

鋼的冶煉、澆注、凝固和結(jié)晶是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，因此，在這一過(guò)程中極容易有非金屬夾雜物的產(chǎn)生。鋼中的非金屬夾雜物是鋼材料脫氧、鋼液凝固的過(guò)程中產(chǎn)生的非金屬化合物，分為了外來(lái)夾雜物和內(nèi)生夾雜物兩大類。其中，外來(lái)夾雜物是指在金屬熔煉過(guò)程中和外界物質(zhì)發(fā)生接觸進(jìn)而作用產(chǎn)生的夾雜物。而內(nèi)生夾雜物又可以分為兩種情況，一種是在鋼材熔煉過(guò)程中，鋼液凝固前未及時(shí)浮出而留在鋼中的脫氧反應(yīng)產(chǎn)生的氧化物等產(chǎn)物；另一種則是由于在凝固和降溫時(shí)溶解度的降低，鋼液中溶解的雜質(zhì)元素和其他元素結(jié)合并以化合物的形式從固液體、液相中析出最終留于鋼錠之中[1]。

2 鋼中非金屬夾雜物的特點(diǎn)

2.1 外來(lái)夾雜物的特點(diǎn)

此類夾雜物往往尺寸比較大、外形也不規(guī)則，沒(méi)有特定規(guī)律，因此也被稱為粗雜夾。但只要在熔煉過(guò)程中保證操作的正確，此類夾雜物其實(shí)是能夠避免的。

2.2 內(nèi)生夾雜物的特點(diǎn)

內(nèi)生夾雜物顆粒比較小，分布也比較均勻，理論上，通過(guò)合理、正確的操作是可以改變其大小、成分、分布情況并且減少其數(shù)量的，但一般來(lái)說(shuō)是難以避免的。

3 鋼中非金屬夾雜物的分類

3.1 依據(jù)非金屬夾雜物的化學(xué)成分分類

依據(jù)非金屬夾雜物的化學(xué)成分，其可以分為硫化物系、氧化物系、氮化物系。

（1）硫化物系夾雜物。首先是硫化物系，此類非金屬夾雜物包括了FeS、MnS，而FeS的熔點(diǎn)低，有著較大的幾率在鋼中形成熱脆，所以，為了避免熱脆的影響，在鋼的熔煉過(guò)程中，往往需要加入錳，使得鋼中有一定的硫化物含量；此類非金屬夾雜物有球形、鏈狀、針狀等，有著各種不規(guī)則的外形。

（2）氧化物系夾雜物。其次是氧化物系，此類非金屬夾雜物又被細(xì)分為了硅酸鹽類氧化物、簡(jiǎn)單氧化物、復(fù)雜氧化物三種。硅酸鹽類氧化物包括了CaO·SiO2（鈣硅酸鹽）、2MnO·SiO2（錳硅酸鹽）等；簡(jiǎn)單氧化物主要包括了MnO、FeO、Al2O3、SiO3等，往往以球形聚集在鋼中，并且呈顆粒狀成串分布；復(fù)雜氧化物主要包括了2FeO·SiO2（鐵硅酸鹽）。我們平時(shí)較為常見(jiàn)的幾種氧化物都是屬于簡(jiǎn)單氧化物，例如Al2O3、SiO3等。

（3）氮化物系夾雜物。最后是氮化物系，其形成較為簡(jiǎn)單，基本上都是空氣和鋼液發(fā)生反應(yīng)而形成的，例如AIN、TIN以及ZrN等。

3.2 依據(jù)非金屬夾雜物的來(lái)源分類

（1）外來(lái)夾雜物。在鋼的熔煉過(guò)程中，鋼和外部接觸并發(fā)生作用產(chǎn)生的夾雜物就是外來(lái)夾雜物。一般包括了鋼的熔煉、澆注過(guò)程中并且在鋼液凝固前留于鋼中的爐渣、煉銅爐渣、鋼包渣等。因此，通過(guò)正確的操作，外來(lái)夾雜物的存在是可以避免的。

（2）內(nèi)生夾雜物。含有硫、氧、氮等元素的雜質(zhì)隨著溶解度的降低依然保留在鋼中而未浮出，這些雜質(zhì)的結(jié)構(gòu)和組成都非常的復(fù)雜，并且占鋼中總夾雜物的含量較高，能夠達(dá)到40%～60%。雖然理論上是可以通過(guò)正確的操作以及高超的工藝來(lái)減少其數(shù)量的，但實(shí)際操作上是無(wú)法避免內(nèi)生夾雜物的產(chǎn)生的。

3.3 依據(jù)非金屬夾雜物的形態(tài)分類

（1）點(diǎn)狀（或球狀）不變形夾雜物。此類夾雜物呈球狀，并且在熱加工后依然保持不變，主要包括了高熔點(diǎn)的硫化物、SiO2、含SiO2高于70%的硅酸鹽。

（2）塑性?shī)A雜物。在鋼的加工過(guò)程中，塑性?shī)A雜物由于其熔點(diǎn)低，其會(huì)在鋼變形的同時(shí)也發(fā)生形變，并且順著變形的方向延伸，呈條帶狀。主要包括了MnS以及FeS等。

（3）脆性?shī)A雜物。此類夾雜物完全不同于塑性?shī)A雜物，其無(wú)塑性、硬度高、熔點(diǎn)高，在鋼的熱加工時(shí)不會(huì)有任何形狀或尺寸上的變化，呈點(diǎn)鏈狀沿加工方向分布。

4 鋼中非金屬夾雜物的影響

鋼在加工變形時(shí)，只要有非金屬夾雜物的存在，其金屬基本的連續(xù)性就會(huì)遭到破壞，其物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能甚至其工藝都會(huì)降低。并且，非金屬夾雜物的分布、形狀、成分、數(shù)量等都會(huì)對(duì)鋼的抗疲勞、韌性、塑性、強(qiáng)度以及切削和耐腐蝕等性能有著或多或少的影響。

（1）對(duì)鋼疲勞性能的影響。據(jù)相關(guān)研究顯示，在點(diǎn)狀、粗大脆性?shī)A雜物處，最容易發(fā)生嚴(yán)重的疲勞破壞，并且，鋼的疲勞強(qiáng)度會(huì)隨著夾雜物含量的增多而降低，夾雜物越多，鋼的疲勞強(qiáng)度越低。主要有兩方面的體現(xiàn)。其一，加工期間，鋼材料會(huì)因?yàn)閵A雜物的存在而產(chǎn)生微裂痕，成為鋼材疲勞的開(kāi)始。其二，在鋼材投入使用后，由于內(nèi)部有夾雜物的存在，其存在處無(wú)法有效地傳遞應(yīng)力，從而會(huì)產(chǎn)生裂紋。

（2）對(duì)鋼切削性能的影響。鋼中所存在的非金屬夾雜物對(duì)于其切削性能的影響主要有兩方面。第一方面，部分夾雜物的存在是能夠提升鋼的切削性能的，例如夾雜的球狀硫化物，它能有效地提升鋼材料的切削性能，并且，球狀硫化物的顆粒越大，切削性能越好。第二方面，部分夾雜物的存在對(duì)于鋼的切削性能是會(huì)產(chǎn)生削弱作用的。

（3）對(duì)鋼塑性的影響。鋼中的非金屬夾雜物會(huì)對(duì)鋼的橫向延性產(chǎn)生明顯影響，當(dāng)鋼中有夾雜物甚至夾雜物總含量較多的時(shí)候，鋼的橫向斷面收縮率會(huì)有明顯的降低。但鋼中的非金屬夾雜物對(duì)于鋼的縱向延性不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。除此之外，夾雜物的存在也會(huì)導(dǎo)致鋼的高溫延性的降低。

（4）對(duì)鋼強(qiáng)度的影響。當(dāng)鋼中有非金屬夾雜物的存在時(shí)，金屬發(fā)生變形而夾雜物無(wú)法與金屬同時(shí)發(fā)生變形，會(huì)造成夾雜物附近應(yīng)力的集中從而出現(xiàn)裂紋，而隨著時(shí)間越長(zhǎng)，金屬發(fā)生變形的次數(shù)越多，夾雜物附近的裂紋也會(huì)加劇甚至出現(xiàn)斷裂。據(jù)相關(guān)研究顯示，鋼強(qiáng)度受到非金屬夾雜物的影響和非金屬夾雜物的尺寸大小有著莫大的關(guān)系，當(dāng)夾雜物不超過(guò)10μm時(shí)，鋼的屈服強(qiáng)度不會(huì)有大幅度的下降，而當(dāng)其超過(guò)10μm時(shí)，不僅鋼的屈服強(qiáng)度會(huì)有大幅下降，鋼的抗拉強(qiáng)度也會(huì)有所削弱。

5 鋼中非金屬夾雜物的檢驗(yàn)

（1）中國(guó)非金屬夾雜物檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)現(xiàn)行有五個(gè)有效的非金屬夾雜物檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，由于GB/T10561-2005[2]是鋼材相關(guān)企業(yè)主要用到的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，因此接下來(lái)我將主要介紹GB/T10561-2005這一評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

（2）夾雜物的分類。在GB/T10561-2005這一評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)中，夾雜物被分為三類：常見(jiàn)類、沉淀相類、非傳統(tǒng)類。其中常見(jiàn)類夾雜物又被分為了五類：A，B，C，D，DS。A類夾雜物主要是硫化物，其具有較高的延展性，一般呈灰色單個(gè)，并且端部呈圓角。B類非金屬夾雜物多部分都是未發(fā)生形變的，形態(tài)較小，呈顆粒連成的鏈狀排列，顆粒呈帶藍(lán)色或灰色，并且?guī)Ы?，主要包括氧化鋁。C類夾雜物也具有較高延展性，一般呈深灰色或黑色的單個(gè)，端部呈銳角，主要類型為硝酸鹽。D類夾雜物也不發(fā)生變形，一般呈帶藍(lán)色或黑色的顆粒，其分布無(wú)規(guī)則，形狀有帶角的、圓形的，主要指球狀氧化物。DS類是指單顆粒球狀類夾雜物，單顆粒，呈近似圓形或圓形狀并且直徑大于或等于13μm。

（3）夾雜物含量級(jí)別檢驗(yàn)。每類夾雜物都分為6個(gè)等級(jí)，夾雜物的尺寸越大或數(shù)量越多，其對(duì)應(yīng)的級(jí)別數(shù)字也越大。由于形狀不同，A，B，C三類夾雜物是由其長(zhǎng)度決定的，D類夾雜物是由其數(shù)量決定的，DS類夾雜物是由其直徑?jīng)Q定的。

（4）夾雜物的評(píng)級(jí)。其規(guī)定了兩種夾雜物評(píng)定方法：A法（最惡劣視場(chǎng)評(píng)定）和B法（逐個(gè)視場(chǎng)評(píng)定）。

6 結(jié)語(yǔ)

由于產(chǎn)品質(zhì)量最基礎(chǔ)的保障條件就是產(chǎn)品各零部件的質(zhì)量,這就需要鋼材的質(zhì)量有保證，其化學(xué)成分、金屬內(nèi)部顯微組織結(jié)構(gòu)以及非金屬夾雜物等級(jí)等眾多要素均要符合甚至超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，如此方能滿足產(chǎn)品功能的實(shí)現(xiàn)甚至提升。非金屬夾雜物在鋼中的含量雖然不大，但十分影響鋼的性能，因此，系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)鋼的來(lái)源、影響等，掌握科學(xué)的檢驗(yàn)方法，對(duì)于提高鋼材質(zhì)量有著深遠(yuǎn)意義。