630不銹鋼，是一種起源于20世紀(jì)40年代美國的馬氏體沉淀硬化型鋼材，中國標(biāo)號為0Cr17Ni4Cu4Nb，日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)號為SUS630。該材料具有高強(qiáng)度、硬度、韌性、耐腐蝕和抗氧化性，廣泛應(yīng)用于葉片鋼、高端傳感器、軸類和需耐蝕的高強(qiáng)度部件。

      630不銹鋼中的夾雜物控制是影響其性能的關(guān)鍵因素。研究表明，630不銹鋼中的夾雜物數(shù)量和尺寸的增加會降低其力學(xué)性能；在不銹鋼性能的比較中，夾雜物和潔凈度被用作衡量標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)夾雜物（如NbC碳化物）會導(dǎo)致應(yīng)力增加和空洞形成，從而影響斷裂行為；在增材制造的630不銹鋼中，研究發(fā)現(xiàn)含有多種元素的氧化物夾雜物可能會影響部件的斷裂和抗疲勞性能；目前，粗顆粒（＞1μｍ）沉淀物，如富鈦和富鈮的氮化物，也被視為夾雜物，因?yàn)樗鼈兺瑯訉Σ讳P鋼機(jī)械性能有不利影響，630不銹鋼為提高其耐腐蝕性添加了Nb元素，導(dǎo)致630不銹鋼中Nb（C，N）的顯著析出，因此在試樣中觀察到的Nb（C，N）及TiN粗顆粒可被視為夾雜物進(jìn)行研究。綜上所述，630不銹鋼中的非金屬夾雜物及其特性對不銹鋼的力學(xué)性能和耐腐蝕性有著顯著影響。

     在630不銹鋼的生產(chǎn)工藝中對夾雜物的影響研究表明，各種工藝對夾雜物的形成和分布具有顯著作用。本文分別選取連鑄、模鑄、電渣3種方式生產(chǎn)的630不銹鋼進(jìn)行比較研究，連鑄工藝雖然提升了生產(chǎn)的連續(xù)性，但可能導(dǎo)致夾雜物的聚集和鑄坯缺陷；模鑄過程中的慢冷卻速度和鑄錠內(nèi)部溫度梯度會導(dǎo)致夾雜物分布不均，后續(xù)的鍛造、軋制或熱處理工藝能夠有效地破碎和分散這些夾雜物，從而改善材料性能；電渣冶金工藝通過高溫脫氣可以有效去除氣體雜質(zhì)及非金屬夾雜物，但該方法能耗較高且存在一定的污染問題。

      在鋼鐵夾雜物表征方法研究中，定量金相分析是評估夾雜物基本特性如形狀、體積分?jǐn)?shù)和顆粒分布的關(guān)鍵技術(shù)；掃描電子顯微鏡（SEM）提供了直接觀察大尺寸試樣的立體視圖，尤其適用于分析厚塊試樣；電子探針顯微分析（EPMA）則用于準(zhǔn)確測定單個夾雜物的化學(xué)成分，采用三維腐刻法進(jìn)行電解腐刻，使鋼的基體金屬離子化，待測夾雜物顯露后，再聯(lián)用掃描電鏡可以觀察夾雜物三維立體形貌。     

      目前的研究鮮少對于國內(nèi)外630不銹鋼產(chǎn)品潔凈度的解析比較。本文對國內(nèi)外3個廠家生產(chǎn)的連鑄、模鑄、電渣3種工藝的5種630不銹鋼產(chǎn)品的潔凈度進(jìn)行研究，借助光學(xué)顯微鏡（OM）對夾雜物進(jìn)行特征統(tǒng)計(jì)及評級，利用掃描電子顯微鏡/能譜儀（SEM/EDS）和電子探針顯微分析對夾雜物的類型、分布及其電解后三維形貌進(jìn)行對比解析，分析夾雜物的控制水平差異，填補(bǔ)630不銹鋼國內(nèi)外產(chǎn)品差異分析的研究空缺，為未來我國高品級630不銹鋼的開發(fā)提供寶貴數(shù)據(jù)。

1. 鋼樣及處理方法

     國內(nèi)甲廠生產(chǎn)的兩種630不銹鋼為A樣和B樣，生產(chǎn)工藝分別為：A樣，電弧爐冶煉—AOD精煉—LF精煉—RH精煉—模鑄—電渣；B樣，電弧爐冶煉—AOD精煉—LF精煉—RH精煉—連鑄。   

     國內(nèi)乙廠生產(chǎn)的630不銹鋼為C樣，生產(chǎn)工藝為：電弧爐冶煉—AOD精煉—LF精煉—VD真空脫氣精煉—模鑄。日本丙廠生產(chǎn)的兩種SUS630不銹鋼為D樣和E樣，生產(chǎn)工藝均為：電弧爐冶煉—AOD精煉—LF精煉—RH精煉—模鑄。     

     夾雜物取樣依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10561-2023(E)《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》，實(shí)驗(yàn)鋼及取樣方式如圖1、圖2所示，日本E樣截取通過直徑的整個截面，如圖2（ａ）所示，其余樣則截取鋼棒或板材外表面到中心的中間位置的1/4處徑向截面，如圖2（ｂ）、2（ｃ）所示。鋼樣成分如表1所示。

     試樣使用粒度為38、18、13、7.6、6.5μｍ的砂紙進(jìn)行預(yù)磨，Ｗ1.5和Ｗ2.5拋光膏拋光，酒精清洗后用吹風(fēng)機(jī)冷風(fēng)吹干。使用蔡司金相顯微鏡觀察夾雜物形態(tài)。為研究630不銹鋼夾雜物三維形貌和空間分布，鑄坯經(jīng)電解腐蝕處理，用三維腐刻裝置進(jìn)行電解處理，陽極為鋼鑄錠，陰極為銅管，電解液為30%A-A（1%四甲基氯化銨-1%乙酰丙酮-甲醇）溶液，電解參數(shù)為0.04A/cm2電流、0℃電解溫度、20min電解時間，電解處理完成后使用掃描電鏡觀察夾雜物三維形貌并進(jìn)行分析。

2. 國內(nèi)外不銹鋼中夾雜物對比 

2.1 630不銹鋼中夾雜物數(shù)量及尺寸分析

    為觀察鋼中夾雜物的形貌和分布，使用蔡司金相顯微鏡對拋光后的試樣在100倍視場下進(jìn)行觀察。隨機(jī)連續(xù)統(tǒng)計(jì)了50個視場，并進(jìn)行拍照觀察，得出其夾雜物水平控制差異，結(jié)果見圖3（每個分圖的上圖為金相光鏡實(shí)物圖，下圖為其圖像黑白處理后圖像，便于觀察夾雜物分布），其由金相圖可以觀察得出，該類鋼潔凈度較高，夾雜物尺寸較小。

      依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對試樣進(jìn)行評級取樣，針對不同樣品，將日本Ｄ樣截取通過直徑的整個截面，其余樣品則分別從鋼棒及鋼坯外表面到中心的1/4部分徑向截面進(jìn)行截取，經(jīng)過研磨和拋光處理后在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，并依據(jù)GB/T 10561-2023《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》進(jìn)行夾雜物評級，結(jié)果如表2所示。由表2可見所有630不銹鋼A類、B類、C類、D類夾雜均未超過1.0級，且未出現(xiàn)粗系夾雜，Ds類夾雜物僅在國內(nèi)的B樣中檢測到。

     利用Image-Pro Plus對鋼樣中夾雜物的等效直徑、數(shù)量密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，國內(nèi)Ａ樣平均等效直徑為2.3μｍ，夾雜物密度為18個/mm2，夾雜物面積占比為0.009％，呈現(xiàn)較低的夾雜物密度和良好的夾雜物控制水平，夾雜物以細(xì)小夾雜占主導(dǎo)，這可能與其模鑄-電渣生產(chǎn)工藝有關(guān)；日本模鑄生產(chǎn)的Ｄ樣同樣顯示，夾雜物以0.5～2μｍ的小尺寸夾雜為主，整體分布均勻，呈彌散化，這反映出該樣對夾雜物的有效控制。

     國內(nèi)連鑄生產(chǎn)的B樣的夾雜物控制則有所不足，夾雜物密度和夾雜物面積占比較高，同時在中等尺寸的夾雜物控制存在改善空間。630不銹鋼的潔凈度從高到低排序，依次為：國內(nèi)A樣、日本D樣、國內(nèi)C樣、日本E樣、國內(nèi)B樣。

2.2 630不銹鋼中夾雜物形貌及成分分析    

     除夾雜物密度、尺寸、分布外，夾雜物類型及形貌對不銹鋼性能也影響各異。本研究采用掃描電子顯微鏡及電子探針對鋼中夾雜物進(jìn)行檢測，并通過非水溶液電解法處理試樣，對國內(nèi)外夾雜物的類型及其電解后三維形貌進(jìn)行對比解析。

     630不銹鋼在特定使用環(huán)境下對耐腐蝕性有較高要求，因此在鋼中添加了Ｎｂ元素，這一添加導(dǎo)致630不銹鋼中Nb（C，N）的顯著析出。通常，氮化物如果不溶或幾乎不溶于奧氏體，則被視為夾雜物。本文研究材料均為軋材，在熱軋前加熱過程已完成奧氏體化，因此在軋材中觀察到的Nb（C，N）及TiN可被視為夾雜物，并納入研究和統(tǒng)計(jì)范圍。國內(nèi)A樣中氧化物夾雜包括少數(shù)Al2O3單相夾雜及Al-Ca-Mg-Si-O組成的復(fù)合夾雜，以球形及橢球形夾雜為主。硫化物夾雜主要為CaS和MnS，多包裹在氧化物夾雜物的外圈；此外，還有少量的Nb（C，N）析出，形貌呈立方體狀。國內(nèi)Ｂ樣顯示了更為復(fù)雜的夾雜物組成，夾雜物元素主要為Al、Ca、Mg、Mn、Si及Ｏ，形態(tài)包括橢球形、帶棱角的多面體以及紡錘形等，其中，鈣鋁酸鹽和鈣硅鹽呈塊狀和鏈狀分布。觀察到鋼中Nb（C，N）、TiN等夾雜物集形成較大的團(tuán)狀夾雜，以及長條形狀硫化物。國內(nèi)Ｃ樣的夾雜物種類與Ｂ樣相似，氧化物夾雜多呈典型球形形態(tài)，此外，Nb（C，N）型氮化物在鋼中偏析嚴(yán)重，出現(xiàn)大尺寸夾雜，且在材料中聚集，可能會形成潛在的薄弱環(huán)節(jié)，影響不銹鋼的整體性能。日本D樣和E樣均顯示了較高的夾雜物多樣性，夾雜物中鈣鋁酸鹽和鎂鋁酸鹽以B類夾雜為主，形貌多以球形聚集或呈顆粒狀成串分布，而硅酸鹽類夾雜多為復(fù)合夾雜物，以Ｄ類夾雜為主，形貌多呈典型球形夾雜。630不銹鋼中夾雜物二維、三維形貌及成分面掃描如圖5～7所示。

3. 夾雜物解析結(jié)果與討論 

3.1 碳氮化物及硫化物夾雜統(tǒng)計(jì)    

     根據(jù)相關(guān)研究，對國內(nèi)外630不銹鋼中夾雜物類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)內(nèi)容包括對其性能影響較大的夾雜物：氮化物及碳氮化物、單相硫化物、硫化物復(fù)合夾雜、氮化物復(fù)合夾雜，結(jié)果如表3所示。因采用較高水平的生產(chǎn)工藝，僅在國內(nèi)Ｂ樣中觀察到單相硫化物夾雜的存在；在所有樣中均觀察到硫化物復(fù)合夾雜。

     在對630不銹鋼中氮化物和硫化物的形貌進(jìn)行對比分析后，發(fā)現(xiàn)因630鋼中添加Nb元素，所有630不銹鋼試樣均存在Nb（N，C）析出，其中國內(nèi)B樣、國內(nèi)Ｃ樣和日本Ｄ樣均發(fā)現(xiàn)TiN夾雜。   

     單相硫化物的存在僅在國內(nèi)B樣中被檢測到，這表明其他樣品的脫硫處理工藝是有效的；其余630不銹鋼中硫化物主要以球狀和紡錘形出現(xiàn)，只有少數(shù)為長條狀和鏈狀分布，這種形態(tài)的改變有助于減少硫化物夾雜對金屬材料引起點(diǎn)蝕的風(fēng)險，如圖8所示。

       在相同模鑄工藝生產(chǎn)的國內(nèi)外樣品中，在國內(nèi)C樣中發(fā)現(xiàn)Nb（N，C）大量析出，出現(xiàn)聚集現(xiàn)象及大尺寸氮化物夾雜，并形成了較大的團(tuán)狀夾雜，如圖9（ａ）、9（ｂ）所示。同時，在國內(nèi)Ｃ樣晶界附近，附著有大量白色的Nb（N，C），如圖9（ｃ）所示，這些白色物質(zhì)改變原來馬氏體組織結(jié)構(gòu)格局，降低材料的一致性，導(dǎo)致材料產(chǎn)生局部應(yīng)力，降低鋼材的疲勞性能。

3.2 國內(nèi)C樣碳化物偏析情況討論    

     圖10顯示，在國內(nèi)C樣非平衡凝固過程中，液相線溫度為1458℃；當(dāng)溫度降至1458℃時，發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變，即δ-Fe開始從液相中析出；1443℃，發(fā)生包晶反應(yīng)，即Ｌ＋δ-Fe→γ-Fe，γ-Fe開始析出；1205℃時，M23C6型碳化物開始形成，即23[M]＋6[Ｃ]→M23C6；通過試樣成分，使用軟件進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算，可以得出國內(nèi)Ｃ樣在非平衡凝固及冷卻過程中主要相的轉(zhuǎn)變行為，其中相變過程可描述為：Ｌ→Ｌ＋BCC（δ-Fe）→Ｌ＋BCC（δ-Fe）＋FCC（γ-Fe）→Ｌ＋BCC（δ-Fe）＋FCC（γ-Fe）＋Ｚ_phase→Ｌ＋BCC（δ-Fe）＋FCC（γ-Fe）＋MS（MnS）＋Z_phase→Ｌ＋BCC（δ-Fe）＋laves相＋FCC（γ-Fe）＋MS（MnS）＋Z_phase→Ｌ＋BCC（δ-Fe）＋laves相＋FCC（γ-Fe）＋M23C6＋MS（MnS）＋Z_phase→Ｌ＋laves相＋FCC（γ-Fe）＋M23C6＋MS（MnS）＋Z_phase。

     國內(nèi)C樣中大型不規(guī)則碳化物不均勻散布，容易導(dǎo)致剝落，增加應(yīng)力集中，從而降低鋼的強(qiáng)度和韌性，模鑄工藝生產(chǎn)630不銹鋼時，由于冷卻速度內(nèi)外不一致，會導(dǎo)致碳化物在鑄錠外表面和心部產(chǎn)生偏析，形成粗大網(wǎng)狀共晶碳化物，影響材料的熱處理和性能。鑄錠尺寸越大，冷卻差異越明顯，碳化物偏析越嚴(yán)重。同為模鑄生產(chǎn)的日本D樣、E樣，并未出現(xiàn)碳化物大量析出的現(xiàn)象。推測原因?yàn)椋簢鴥?nèi)C樣碳含量大于日本樣，促進(jìn)了C樣中Nb（N，C）的析出；日本E樣鑄錠尺寸小，內(nèi)外冷卻強(qiáng)度差距較小，抑制碳化物偏析；日本樣中Si元素含量大于國內(nèi)C樣，隨著Si含量的增加，碳化物由塊狀得到細(xì)化。針對碳化物偏析問題，建議國內(nèi)C樣的生產(chǎn)廠商減少鋼樣中碳含量，使晶界處共晶碳化物組織變得更加細(xì)小，改善碳化物偏析，后續(xù)進(jìn)行熱加工處理，破碎網(wǎng)狀碳化物，促進(jìn)碳化物均勻分布。

4. 結(jié)論 

     本文系統(tǒng)研究了國內(nèi)外3家生產(chǎn)企業(yè)采用連鑄、模鑄和電渣３種工藝制造的５種630不銹鋼產(chǎn)品的潔凈度，通過光學(xué)顯微鏡對夾雜物進(jìn)行特征統(tǒng)計(jì)與評級，并運(yùn)用掃描電子顯微鏡/能譜儀分析夾雜物類型、分布及電解后的三維形貌，揭示國內(nèi)外630不銹鋼夾雜物水平的差異，為該領(lǐng)域研究填補(bǔ)空白。

      研究發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)連鑄、模鑄和電渣工藝生產(chǎn)的630不銹鋼存在大尺寸硫化物夾雜和集聚問題，可能導(dǎo)致點(diǎn)蝕現(xiàn)象。相同工藝生產(chǎn)的國內(nèi)外樣品夾雜物比較中，國內(nèi)樣品出現(xiàn)碳氮化鈮偏析，推測原因?yàn)閲鴥?nèi)樣品碳含量過高，促進(jìn)Nb的析出；而日本樣品鑄錠尺寸小，冷卻強(qiáng)度差距小，抑制碳化物偏析，且其Si含量大于國內(nèi)樣品，導(dǎo)致碳化物由塊狀變細(xì)。     

    本研究僅對國內(nèi)外產(chǎn)品進(jìn)行表征分析，后期將重點(diǎn)研究冶煉過程對630不銹鋼夾雜物的細(xì)化改質(zhì)及加工熱處理，以提高夾雜物潔凈度，控制夾雜物的類型和數(shù)量，從而提高不銹鋼的力學(xué)性能和耐腐蝕性，延長使用壽命，降低維護(hù)成本，推動其在航空航天、化工和醫(yī)療器械等高要求領(lǐng)域的應(yīng)用質(zhì)量提升。