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嘉峪檢測網 2020-07-06 16:29
夾雜物概念及分類
1、內生夾雜物
鋼在冶煉過程中，脫氧反應會產生氧化物等產物，若這些產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、氮等雜質元素在降溫和凝固時，或固溶體中析出，最后留在鋼錠中。
內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量和改變其成分、大小和分布情況，不過一般是不可避免的。
2、外來夾雜物
鋼在冶煉和澆注過程中懸浮在鋼液表面的爐渣、或由煉鋼爐、出鋼槽和鋼包等內壁剝落的耐火材料或其他夾雜物在鋼液凝固前未及時清除而留于鋼中。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。
這類夾雜物一般特性是外形不規則，尺寸比較大，也無規律，又稱為粗夾雜。這類夾雜物通過正確的操作是可以避免的。
按化學成分分類
按變形能力分類
按形態與分布分類
A類（硫化物類）：具有高的延展性，有較寬范圍形態比的單個灰色夾雜物，一般端部呈圓角。
B類（氧化鋁類）：大多數沒有變形，帶角，形態比?。ㄒ话悖?），黑色或帶藍色的顆粒，沿軋制方向排成一行，至少有3個顆粒。
C類（硅酸鹽類）：具有高的延展性，有較寬范圍形態比（一般≥3）的單個黑色或深灰色夾雜物，一般端部呈銳角。
D類（球狀氧化物類）：不變形，帶角或圓形的，形態比?。ㄒ话悖?），黑色或帶藍色的，無規則分布的顆粒。
Ds類（單顆粒球狀類）：圓形或近似圓形，直徑≥13μm的膽顆粒夾雜物。
非金屬夾雜物對鋼性能的影響
對使用性能的影響
1、疲勞性能↓
2、沖擊韌性↓塑性↓
3、耐腐蝕性↓
對于尺寸小于10μm的夾雜物 促進組織形核，焊接時組織晶粒長大。
（1）由于加入Nb、V、Ti等合金元素，在連鑄、加熱過程中都會析出，形核C、N化合物（一種微型夾雜物）
（2）鈣化處理的硫化物、硅酸鹽類以及細小的氧化亞鐵
可以細化晶核。有利于鋼板的韌性、塑性以及強度
當非金屬夾雜物尺寸大于50μm時，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、塑性以及強度指標。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。
對工藝性能的影響
1、 對鍛造和冷加工、淬火加熱和焊接過程易開裂。
2、 軋制后表面質量以及磨削后零件表面粗糙度降低。
對鋼板強度、延伸的影響
當夾雜物顆粒比較大（＞10μm），特別是夾雜物含量較低時。明顯降低鋼的屈服強度，且同時降低鋼的抗拉強度；當夾雜物顆粒小到一定尺寸（＜10μｍ）時，鋼的屈服強度和抗拉強度都將提高。當鋼中彌散的小顆粒的夾雜物數量增加時。鋼的屈服強度和抗拉強度都有所提高，但延伸率有很小的下降。
對疲勞性能的影響
一般認為夾雜物是鋼疲勞破壞的起源。結合力弱、尺寸大的脆性夾雜物和球狀不變形夾雜物對疲勞性能影響大，而且強度越高，危害性越大，如圖1所示。對于高強鋼，如果構件表面加工狀態良好，裂紋萌生于夾雜物成為主要的疲勞開裂方式。小尺寸的夾雜物可能對裂紋形核影響不大，但是有利于疲勞裂紋擴展。圖2為小夾雜物周圍的空洞形成和生長示意圖，認為韌窩和小于0.5 mm的夾雜物有關。
圖1 同一應力水平下的夾雜物尺寸與疲勞壽命
圖2 不相鄰夾雜物間微空洞形成示意圖
失效實例：
某裝備電機彈性軸運行一段時間后斷裂，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應。由于裂紋起始部位斷口表面磨損嚴重，原始斷裂表面的形態特征不清晰。經對運行一段時間未斷裂的彈性軸進行宏觀和微觀觀察，如圖4所示，彈性軸表面存在不同
程度縱向裂紋，裂紋發生部位伴有非金屬夾雜物，能譜分析結果表明，裂紋中的非金屬夾雜物為鋁的氧化物。電機彈性軸球狀氧化物類夾雜物及單顆粒球狀類夾雜物為2.0 級。引起彈性軸過早斷裂的主要原因為交變應力作用下，以夾雜物為核心形成疲勞源而發生的疲勞斷裂。
圖3 斷裂電機彈性軸斷口宏觀形貌
圖4 彈性軸夾雜物SEM分析
對耐腐蝕性能的影響
鋼中非金屬夾雜物是導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位，與基體鋼之間易形成微電池，一旦有環境腐蝕介質存在，就會產生電化學腐蝕，形成腐蝕坑和裂紋，嚴重者會導致破裂失效。
失效實例：供暖水管過早泄露，材質為Q235B碳素結構鋼。圖5（a）為泄露水管宏觀形貌，在泄露點附近水管表面已發生銹蝕。清除氧化腐蝕產物后，可以看到泄露點所在部位焊縫存在明顯溝槽，如圖5（b）所示。經過對送檢泄露水管和原始水管進行金相、夾雜物、能譜及模擬加速腐蝕試驗等綜合分析后得出，焊縫部位存在與內表面貫通的氧化物夾雜或復合氧化物夾雜是水管發生局部腐蝕、形成腐蝕溝槽并導致過早泄露的主要原因。在管內含有O2、S、Cl 等腐蝕性介質作用下，非金屬夾雜將和與之毗鄰的金屬鐵構成腐蝕電池發生電化學腐蝕導致最終水管泄露。
圖5 泄漏水管宏觀形貌
對氫致延遲斷裂的影響
侵入材料內部的氫或是介質與材料表面電化學作用產生的氫，在一定條件下將不斷擴散，較易在陷阱例如夾雜物等缺陷處聚集結合成氫分子，當陷阱處氫分子壓力超過材料的強度極限時，形成裂紋核，隨著氫的繼續擴散、聚集，最終導致材料的宏觀斷裂。
影響氫致開裂的因素很多，但是對某一特定鋼種來說，除去工藝因素的影響外，夾雜物的影響是最主要的。夾雜物是氫的強陷阱，非金屬夾雜物（特別是長條狀的MnS）周圍氫壓很高，夾雜物與基體界面的結合強度相對較弱，隨著氫壓增大會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。夾雜物級別越多，數量越高時，導致氫致開裂的敏感性越大。
失效實例：某液化石油氣公司的200 m3液化石油氣儲罐，材質為16Mn，板厚24mm，工作壓力為1.18 MPa。使用多年后在球罐表面發生開裂鼓包54個，其中20個已經開裂。經金相檢驗及SEM和能譜分析發現鼓包及附近存在嚴重的MnS夾雜，鼓包內為氫氣。發生鼓包原因是由于陰極析氫反應導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力作用下發生的氫致延遲斷裂。圖6為儲罐內外表面鼓包宏觀形貌。圖7為鼓包內壁表面微觀形貌及Mn、S元素面分布圖。非金屬夾雜物嚴重是形成氫鼓包及鼓包開裂的材質因素。
圖6 儲罐鼓包宏觀形貌
圖7 鼓包內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狀
1、氣泡法去除夾雜物
目前常見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噴槍吹入鋼水中，見圖8運動的氣泡受浮力向上運動，在此過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去除夾雜物是在20世紀末發展起來的。其原理見圖9通過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方向向上移動，形成的氣泡對鋼水起阻礙作用。鋼水流經氣幕屏障時，夾雜物微粒被上升氣泡捕獲，增加夾雜物上浮動力，從而使鋼水達到潔凈的目的。
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。原理見圖10，分為3個步驟：①通過增加壓力將過飽和的氮氣溶于鋼水；②快速降壓，在夾雜物表面的氣泡不斷地形核長大；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生大量微小氣泡（直徑為幾十μｍ左右），這些氣泡向上運動的過程中增大了夾雜物碰撞聚合長大的幾率，從而促使鋼水中顯微夾雜物的去除。
2、電磁凈化法
結晶器內電磁場去除夾雜物的方法主要包括電磁攪拌與電磁制動。電磁攪拌是指在電磁場力的作用下，結晶器內的鋼水的流場發生改變，消除了再循環區，延長了鋼水中夾雜物的滯留時間，提高夾雜物碰撞概率，促進夾雜物在結晶器中心碰撞和聚結、上浮。電磁制動
是指靜態磁場產生與鋼水流動方向相反的電磁力，降低了結晶器內鋼水的沖擊深度，防止卷渣。此方法對夾雜物顆粒尺寸無具體的要求，該工藝在電力資源豐富的國家及區域應用較為廣泛。
3、夾雜物的改性處理
利用氣泡能夠帶動夾雜物上浮來去除鋼中的夾雜物，從而提高鋼的潔凈度，但是對顆粒細小的夾雜物，尤其是高熔點的氧化類夾雜物的脫除效果并不理想。而這些高熔點氧化物會造成水口結瘤，堵塞水口。這類夾雜物在生產實際中需要經過改性處理加以控制。夾雜物改性的主要原理是在脫氧過程中具有高熔點、脆性特點的夾雜物會被改性成為具有低熔點、塑性特點的夾雜物，夾雜物上浮變得較容易，從而使鋼水得到凈化，鋼材質量得到提高。圖11為脆性夾雜物Al2O3的改性處理機制。首先在LF精煉過程中Al2O3會變為MgO-Al2O3或CaO-Al2O3類夾雜物，經過Ca處理后，進一步轉變為低熔點系夾雜物，且鋼水中的某些元素會向其夾雜物中溶解，在這一過程中Al2O3夾雜物的形態性質都發生了變化，從而改善水口被堵塞的情況。
圖11 夾雜物改性示意圖
4、夾雜物微細化控制（“氧化物冶金技術”）
有研究者發現，對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形核核心，通過控制夾雜物的大小、形狀、數量和分布，提高鋼材的性能。奧氏體晶粒的形核長大會受到經過高溫細化的夾雜物的抑制，從而使晶內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，又進一步細化結構，提高鋼的強度和韌性，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，目前在國內外也成為研究熱點。新日鐵開發了Ti-O處理技術，此項技術是采用鈦脫氧鋼種，鈦氧化物在更高的溫度時依然保持穩定，提高了在焊接熱循環中的作用，后又開發HTUFF技術，這項技術不僅有Ti-O處理技術的優勢，還能改性夾雜物，提高ＨＡＺ的低溫韌性；另外，新日鐵于2004年提出JFE EMEL技術，這項技術是基于合理控制Ti-N比以及B元素含量來改善組織韌性，提高大線能量焊接性；神戶制鋼的TMCP技術不僅有效利用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細化貝氏體組織，減少了MA的島狀硬化組織，實現了“無變形”鋼的實用化。
鋼中夾雜物控制技術的比較
隨著技術的不斷改進，去除夾雜物從氣泡去除、電磁凈化、過濾分離、夾雜物改性等方法到近年來氧化物冶金控制夾雜物的應用，應用的方法越來越多，應用的范圍越來越廣，使得冶金的功能及處理效果取得長足的進步。不同夾雜物去除技術的比較見表3。由表3可知，對于顆粒較大，易生成的非金屬夾渣通常在鋼包與中間包內采用氣泡去除法，氣泡法設備簡單，操作容易，成本較低，在工業生產中應用廣泛，針對于大型夾雜物的去除效果良好，但對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，但是設備較復雜，需要的電力資源也比較大，在有著豐富電力資源的國家應用廣泛。夾雜物改性針對于高熔點的夾雜物，將脫氧生成的高熔點脆性夾雜改性生成低熔點的塑性夾雜，改變夾雜物的性質，減少高熔點脆性夾雜的危害，去除效果良好，在生產實際中也得到了應用。氧化物冶金技術備受關注，該項技術是一個變害為利的過程，不僅有效地降低了夾雜物對鋼材性能的不利影響，而且也避免了去除夾雜物以及改性夾雜物的復雜過程，組織得到優化，產品性能得到改善，尤其是焊接性能，具有重要的應用前景。
表3 不同夾雜物控制技術的比較
結語
（1）通過對鋼鐵冶煉過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量，生成彌散的微小氣泡對去除更加有利，操作簡單，設備投資較少。
（2）電磁凈化和過濾器還可以去除細小的夾雜物，但設備較復雜，需要考慮電力資源的供應。
（3）夾雜物改性技術的使用將夾雜物的熔點降低，夾雜物顆粒細化，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）氧化物冶金技術不需要進行復雜夾雜物去除和改性處理，而是利用其某些細小夾雜物自身的形核特點來優化組織，提高鋼材性能，尤其為焊接用鋼的發展提供了新思路。
夾雜物控制方法部分出自《鋼中非金屬夾雜物控制技術發展現狀及展望》
作者：郄亞娜
來源：材易通
