非金属夹杂物

   2022-04-13 1720
核心提示:概述 钢中非金属夹杂物是指钢中不具有金属性质的氧化物、硫化物、硅酸盐和氮化物。它们是钢在冶炼过程中由于脱氧剂的加入形成氧
概述
      钢中非金属夹杂物是指钢中不具有金属性质的氧化物、硫化物、硅酸盐和氮化物。它们是钢在冶炼过程中由于脱氧剂的加入形成氧化物、硅酸盐和钢在凝固过程中由于某些元素(如硫、氮) 溶解度下降而形成的硫化物、氮化物,这些夹杂物来不及排出而留在钢中。外来夹杂物是炉渣或耐火材料或其它夹杂在钢液凝固过程中未及时浮出而残留于钢中。它们常作为衡量钢质量的重要指标,其类型、组成、形态、含量、尺寸、分布等各种状态因素都对钢性能产生影响。
 
      随着近代精炼技术的发展,钢的“洁净度”大大提高,夹杂物在钢中的含量虽然极微,但对钢的性能却具有不可忽视的影响,非金属夹杂物在钢中破坏了金属基体的连续性,致使材料的塑性、韧性降低和疲劳性能降低,使钢的冷热加工性能乃至某些物理性能变坏。钢中夹杂物对钢性能的影响主要在对钢韧性的危害,而且危害程度随钢的强度增高而增加。然而其中夹杂物的数量及分布形态是影响钢材质量的重要指标之一。
 
产生原因
冶炼过程中非金属夹杂物产生的原因:
 
造渣材料
      碱性炼钢常用的造渣材料是石灰和萤石。石灰,主要成分是CaO,其含量应不小于85%,SiO2含量应不大于2%,硫含量应小于0.15%。石灰易吸收水分而变成粉末,所以,造渣时应使用刚烧好的、烧透的石灰,或对石灰进行预热后再使用,这样能防止石灰给钢液带入过多的水分,否则就会使钢液氢含量增加,影响钢的质量,严重时会使钢报废。萤石,主要成分是CaF2 ,含量为85%-95% ,SiO2含量约为6%。加入萤石能够帮助化渣,是良好的助熔剂,它可以在短时间内改善炉渣的流动性。石灰中若掺杂硫化物矿石,必须将这种萤石排除掉,否则会降低炉渣的脱硫能力,易造成硫化物(MnS)夹杂。

铁合金
     在冶炼时,如果使用烘烤时间短、烘烤温度低、甚至根本未经烘烤的铁合金材料,势必将会增加外来夹杂物和气体带入钢液中的机会。经过烘烤的铁合金上到炉台,在寒冷的冬季,露天摆放的铁合金会很快凉下来,将这些凉的铁合金加入到钢包内,不可能很快融化并且在钢液中分布均匀,它们得经过一段时间的熔化和搅拌的过程。对于精炼炉来说,钢水在真空处理结束后,这时还要补加一些铁合金调整钢液中元素的含量,如果没有在工艺规定的时间内出钢,势必将会影响真空除气、去杂质的效果,同时又增加了外来夹杂物进入钢液中的机会,影响钢水质量。

精炼炉真空操作
      精炼炉冶炼的大都是重点钢种,精炼炉的真空操作起了画龙点睛之功效。精炼炉是把一般炼钢炉中要完成的部分精炼任务,移到专门的容器中进行。钢水经真空处理是为了脱氢、脱氧和排除非金属夹杂物。精炼炉冶炼的钢水是由电弧炉提供的初炼钢水,有些初炼钢水在初炼过程中没有一定的脱碳量,脱碳速度也达不到要求,这样就造成钢液去气速度小于吸气速度,不利于排出钢中气体和使夹杂物充分上浮。把这种劣质钢水兑入精炼炉,全都依靠精炼真空处理处夹杂物,不可能达到最佳的效果。真空脱氧过程中钢水、熔渣激烈沸腾使钢包内衬的耐火材料受到强烈冲刷,耐火材料的熔融混入产生的夹杂物如果不能充分上浮便进入钢液,因此对精炼包内衬的耐火材料应该进行严格的控制。

氩气
      氩气是一种惰性气体,在钢液中不发生化学反应和变化。炼钢时,将氩气通过精炼包底部的多孔透气砖不断吹入熔池中,氩气形成大量的小气泡,对于钢水中的有害气体如氢、氧、氮来说,相当于一个“真空室”,这个小“真空室”内其它气体的分压几乎等于零。于是溶解在钢液中的气体不断地向氩气泡中扩散,氢和氮在氩气泡中的分压力随着气泡上浮而增加,气泡在钢液中上浮时受热膨胀,因此氢和氮的分压力仍能保持较低的水平,所以继续吸收氢和氮,最后随氩气泡上浮溢出钢液而被去除。氩气上浮时引起钢液搅动,提供了夹杂颗粒碰撞的机会,有利于夹杂的排除。可见,炼钢过程中,如果未调整好合适的气体参数(氩气压力、流量、气泡大小等),势必影响精炼效果,增加产生非金属夹杂物的趋势。

危害
      不同形态的夹杂物混杂在金属内部,破坏了金属 的连续性和完整性。夹杂物同金属之间的结合情况不 同、弹性和塑性的不同以及热膨胀系数的差异,常使金 属材料的塑性、韧性、强度、疲劳极限和耐蚀性等受到显著响,同时也常常影响加工零件的表面质量和加工工具的寿命。非金属夹杂分塑性夹杂和脆性夹杂。塑性夹杂如MnS等随金属变形而延伸轧薄。另一些夹杂物软化点及硬度很高,热加工中不变形,不破碎,保持原来形状, 如TIN、稀土硫氧化物等。铜中氧化夹杂Cu2O常分布 在晶界上,Cu2O是一种硬脆相,会降低金属的热塑性,还影响铜的导电能力。
 
      因此,导体铜最好是无氧铜(含 氧量0.003%以下)。铝合金在熔炼过程中,熔体表面的氧化皮膜很容易混进熔体进入铸锭形成夹杂物。 这些氧化膜在金属的塑性变形过程中会使金属产生分层。特别是在其锻件中,氧化膜沿金属流线分布会严重 影响锻件的疲劳性能。因此,飞行器锻件对氧化膜有非常严格的要求。非金属夹杂的形态、大小和在金属中分布的情况不同,对金属性能有不同的影响。通常集中分布、尺寸 较大的颗粒和团块对金属材料性能的影响最大;分散、细小颗粒的影响相对要小一些。高度弥散分布的杂质 可作为异质晶核使铸锭晶粒细化,在变形和热处理过 程中影响晶界迁移,可改善再结晶组织。非金属夹杂物按占母体金属的质量百分数评定,或根据产品标准中的图片评级,并按产品的使用要求确定允许存在的百分比或级别。
 
降低钢中非金属夹杂物的有效方法
      在诸多对钢液非金属夹杂物影响的因素中, 主要就钢液弱搅拌和钢液镇静时间两个因素进行分析。认为非金属夹杂物在精炼过程中的去除主要有以下几种方式:
      (1)非金属夹杂物在钢包内由于浮力的作用上浮,到达钢液面后,进入渣中去除,一般大颗粒的非金属夹杂物比较容易上浮分离。
      (2)通过底吹气体,使钢中的非金属夹杂物随气泡上浮分离。
      (3)一些小颗粒的非金属夹杂在高度紊流( 气体的搅拌等) 的钢包炉精炼过程中相互碰撞, 生成颗粒较大的非金属夹杂, 从而上浮去除。 

分类

按来源分类
钢中非金属夹杂物的来源主要来源有内生夹杂和外来夹杂两部分组成。
 
内生夹杂物
      钢铁的冶炼实质是液态金属的氧化一还原反应。由于金属在高温液体状态下对氧和其它气体的溶解量远远大于凝固状态,因此在炼钢的后期必须设法将过剩的氧尽量从钢液中排除出去,因此在炼钢的后期必须设法将过剩的氧尽量从钢液中排除出去。排除的方法:在电炉炼钢中主要是靠含氧低的炉渣,使氧从钢液中扩散到渣中去,另外向钢液中加入对氧亲和力较强的脱氧元素, 这样在钢液中就发生了脱氧反应,并生成了夹杂物。
 
      由于这些夹杂一般尺寸较大, 大多数可以在还原期上浮到渣内, 从而去除了钢液中相当数量的氧。但仍有一部份残留在钢液中。另外上述的反应是与钢液温度密切相关的, 当钢液温度逐步降到凝固温度时, 上述反应不断向右进行, 形成的非金属夹杂物的颗粒也不断减小, 浮出钢液就逐渐变得困难。当钢液浇入钢锭模后, 由于冷却速度突然加快, 液态钢对气体的溶解度也骤然降低因此上述脱氧反应也迅速加剧。此时除Mn,Si和Al等强脱氧元素进行脱氧反应外, 其它如Cr、Fe等也会参加脱氧反应,生产FeO·SiO2、FeO·Al2O3、MnO·Cr2O3、mMnO·nFeO等复合夹杂物, 而这类夹杂物大多是从钢中原有的脱氧产物SiO2、MnO、Al2O3等为核心而伴生的,因此这类夹杂物的组成和结构都极为复杂,而且其数量一般占钢中总夹杂量的40~60%。
 
外来夹杂物
      该夹杂是指由渣、耐火材料或与钢液相接触的其它材料机械结合所形成的夹杂物。钢在冶炼和浇注过程中悬浮在钢液表面的炉渣、或由炼钢炉、出钢槽和钢包等内壁剥落的耐火材料或其他夹杂物在钢液凝固前未及时清除而留于钢中。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, 分布也没有规律, 又称为粗夹杂。这类夹杂物通过正确的操作是可以避免的。

按化学成分类
氧化物系夹杂
      简单氧化物有FeO,Fe2O3,MnO,SiO2 ,Al2O3,MgO和Cu2O 等。在铸钢中, 当用硅铁或铝进行脱氧时,SiO2 和Al2O3 夹杂比较常见。A l2O3 在钢中常常以球形聚集呈颗粒状成串分布。复杂氧化物,包括尖晶石类夹杂物和各种钙的铝酸盐等,以及钙的铝酸盐。硅酸盐夹杂也属于复杂氧化物夹杂,这类夹杂物有2FeO · SiO2 ( 铁硅酸盐) 、2MnO · SiO2 ( 锰硅酸盐) 和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。
 
硫化物系夹杂
      主要是FeS, MnS 和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锰,使硫与锰形成熔点较高的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:① 形态为球形,这种夹杂物通常出在用硅铁脱氧或脱氧不完全的钢中; ② 在光学显微镜下观察呈链状的极细的针状夹杂;③ 呈块状,外形不规则,在过量铝脱氧时出现。
 
氮化物夹杂
      当钢中加入与氮亲和力较大的元素时形成AlN,TiN,ZrN 和VN 等氮化物。在出钢和浇铸过程中钢液与空气接触, 氮化物的数量是会显著增加的。
 
按不同形态分类
由于不同夹杂物在加热温度下具有不同的塑性,所以加工变形后钢材中的夹杂物将呈现不同的形态,依此可将夹杂物区分成三类:塑性夹杂、脆性夹杂及不变形夹杂。

塑性夹杂
      塑性夹杂在热加工过程中,是沿着热加工方向延伸成条带状。在FeS、MnS 以及SiO2 含量较低(40%—60%)的时候,低熔点的硅酸盐夹杂就属于这一类夹杂。

脆性夹杂
      脆性夹杂在热加工的过程中是不发生变形的,但它却是沿着热加工方向破裂成串。Al2O3和尖晶石型复合氧化物,以及钒、钛、锆的氮化物等一些高熔点高硬度的夹杂物,就是属于这一类夹杂。

不变形夹杂
      不变形夹杂在热加工的过程中,是保持原来本身的球点状不变。SiO2 、含SiO2 较高(>70%)的硅酸盐、钙的铝酸盐以及高熔点的硫化物 RE2S3 、 RE2O2S 、CaS 等,都是属于这一类夹杂。 
 
影响因素
影响钢水中非金属夹杂物的因素主要有:冶炼过程工艺操作控制、原铺材料的质量两大部分。
 
冶炼工艺操作控制
      在钢的冶炼工艺操作控制过程中,脱碳吹氧过量、大量的补加合金、沸腾和还原时间不充分、钢液搅拌强度不均匀、温度过高、钢渣成分控制不好、大量的升温、大流量搅拌、过高速喂线等操作都会增加钢液中非金属夹杂物。非金属夹杂物中的硫化物、氧化物、氮化物大多在冶炼过程中产生。

原铺材料的质量
      对于使用的原铺材料,其中合金和造杂料本身的品味和耐火材料的质量、钢包准备的程度(温度、清洁度等)都会对钢液中的非金属夹杂物造成影响。非金属夹杂物中的大部分硅酸盐在冶炼过程中产生,少部分由原铺材料代入。 
 
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