概述夾雜物分類及形貌

夾雜物工程（第一部分）鋼中夾雜物的種類、形態(tài)及對(duì)鋼性能的影響第一講：概述、夾雜物分類及形貌從善海主講材料與冶金學(xué)院 金屬材料工程系一、 概述非金屬夾雜物 不能預(yù)先確定它們將在什最難掌握的特點(diǎn)： 么地方以何種形式出現(xiàn)。注意：一切關(guān)于它的組成、形貌、來(lái)源、以及如何消除它都是有價(jià)值的?！褚粋€(gè)夾雜物核（內(nèi)生的或外來(lái)）從它進(jìn)入鋼液的瞬間開(kāi)始就對(duì)鋼的未來(lái)使用壽命產(chǎn)生影響。許多夾雜物不斷改變它們?cè)谝簯B(tài)和固態(tài)中的成分和形貌，直到擴(kuò)散速率可以忽略為止?！裉接憡A雜物的形成過(guò)程和成份分布，了解各類非金屬夾雜物的形成和來(lái)源，對(duì)控制和去除冶煉過(guò)程中的非金屬夾雜物具有特別的意義。

在煉鋼過(guò)程中，少量爐渣、耐火材料及冶煉中反應(yīng)產(chǎn)物可能進(jìn)入鋼液，形成非金屬夾雜物。危害：（1）降低鋼的機(jī)械性能，特別是降低塑性、韌性及疲勞極限。嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)使鋼在熱加工與熱處理時(shí)產(chǎn)生裂紋或使用時(shí)突然脆斷。（ 2）促使鋼形成熱加工纖維組織與帶狀組織，使材料具有各向異性。嚴(yán)重時(shí)，橫向塑性僅為縱向的一半，并使沖擊韌性大為降低。對(duì)重要用途的鋼（如滾動(dòng)軸承鋼、彈簧鋼等）要檢查非金屬夾雜物的數(shù)量、形狀、大小與分布情況。此外，鋼在整個(gè)冶煉過(guò)程中，都與空氣接觸，因而鋼液中總會(huì)吸收一些氣體，如氮、氧、氫等。它們對(duì)鋼的質(zhì)量也會(huì)產(chǎn)生不良影響。武鋼機(jī)總大型夾雜物引起的淬火裂紋●非金屬夾雜物主要來(lái)源碳化物或金屬間相是否夾雜物在鋼液冷凝過(guò)程中，氧、硫、氮與鋼液的平衡隨著溫度降低而移動(dòng)，導(dǎo)致氧、硫、氮的各種化合物的平衡常數(shù)相應(yīng)答：不是。增大，因此而形成各種非全屬化合物（稱為非金屬夾雜因?yàn)樘蓟锸卿摰幕w中的組分，不應(yīng)屬于夾雜物。物，簡(jiǎn)稱為夾雜物）?！穹墙饘賷A雜物通常指 氧化物、硫化物和一些 概括而言，非金屬夾雜物是指其存在狀態(tài)不高熔點(diǎn)氮化物以及硒化物、碲化物、磷化物。 受一般熱處理的顯著影響的非金屬化合物?！裼行┗衔锾嫉蚧锶鏜4（CxNy）2S2，其中：M為T(mén)i或Zr，x+y=1；硫碳化物如Zr4C2S2、（Ti，Mn，F(xiàn)e）4C2S2)；碳氮化物如Ti（CN）、Zr（CN）等；其碳原子也參加形成夾雜物。在氮化物中如TiN，ZrN等這些氮化物的溶解和析出與一般熱處理無(wú)明顯關(guān)系，通稱為夾雜物。但是CrN，AlN等氮化物則受到熱處理的影響，不稱為夾雜物。提高鋼的質(zhì)量或性能，不僅在于降低非金屬夾雜物的含量，更重要的是采取下列措施：（1）使殘留在鋼中的夾雜物具有適宜的分布，尺寸，形態(tài)或組成等，降低或消除它對(duì)性能或質(zhì)量的不利影響。（2）根據(jù)不同的使用性能或受力狀態(tài)來(lái)要求夾雜物的有關(guān)參量。（3）根據(jù)不同鋼種和不同受力狀態(tài)時(shí)夾雜物對(duì)性能無(wú)害的臨界尺寸或部位來(lái)控制夾雜物的形成。（4）充分利用夾雜物對(duì)鋼的性能的有利方面。外來(lái)非金屬外形不規(guī)則，尺寸較大，夾雜物特點(diǎn)：數(shù)量少，分布集中。注意：①外來(lái)夾雜物系偶然產(chǎn)生，顆粒大，呈多角形，為成分復(fù)雜的氧化物， 分布也沒(méi)有規(guī)律。②外來(lái)夾雜物與鋼液發(fā)生交互作用，從而使其成分、形態(tài)都發(fā)生變化。③內(nèi)生夾雜物在外來(lái)夾雜物上沉淀。

●鋼中的非金屬夾雜物破壞鋼基體的連續(xù)性，使鋼的組織和性能的不均勻性增加，質(zhì)量降低。對(duì)鋼中非金屬夾雜物的研究和控制是當(dāng)前各國(guó)冶金界的最主要課題之一。非金屬夾雜物對(duì)鋼質(zhì)量的影響是個(gè)極其復(fù)雜的問(wèn)題，夾雜物的類型、組成、形態(tài)、含量、尺寸和分布都會(huì)影響鋼的性能。二、鋼中的非金屬夾雜物●夾雜物的來(lái)源 產(chǎn)生于冶煉和凝固過(guò)程中外來(lái)非金屬夾雜物來(lái)源于兩方面內(nèi)生非金屬夾雜物2.1外來(lái)非金屬夾雜物1）冶煉及澆鑄中，鋼液表面所浮的爐渣、煉鋼爐、出鋼槽等帶入鋼液中的爐渣、熔渣或剝落的耐火材料。2）鋼液被大氣氧化所形成氧化物。堿性電孤?tīng)t的爐襯是用 鎂砂Mg(CO3)、白云石CaMg(CO3)2、尖晶石等堿性耐火材料修砌的冶煉高碳含鉻軸承鋼常含有鋁酸鈣（Al2O3、CaO）和鋁鎂尖晶石(MgO··Al2O3)夾雜物，并且多生長(zhǎng)在一起。已經(jīng)證明這種鋁酸鈣起源于用鋁和硅鈣的終脫氧，尖晶石是爐襯和氧化鋁或鋁酸鹽反應(yīng)的產(chǎn)物?？梢?jiàn)，不能簡(jiǎn)單地把外來(lái)夾雜物看作是鋼液中機(jī)械的懸浮物，實(shí)際上它們與鋼液及內(nèi)生夾雜物產(chǎn)生相互作用。示蹤法的許多測(cè)量結(jié)果表明，外來(lái)夾雜物在鋼中的含量通常只占夾雜物總含量的很小一部分，有時(shí)甚至難以測(cè)定。

2.2內(nèi)生非金屬夾雜物2.2.1內(nèi)生夾雜物形成時(shí)間內(nèi)生非金屬夾雜物形成的時(shí)間可以分為四個(gè)階段：①鋼液脫氧時(shí)形成的脫氧反應(yīng)產(chǎn)物稱為一次夾雜（ 脫氧時(shí)形成的產(chǎn)物）②出鋼和澆注過(guò)程中由于鋼液溫度下降其內(nèi)部成分平衡移動(dòng)時(shí)生成的稱為二次夾雜（ 出鋼和澆注時(shí)） ；③鋼液凝固過(guò)程中生成的成為三次夾雜（ 鋼液凝固中產(chǎn)生的） ；④鋼凝固后的冷卻過(guò)程中由于發(fā)生相變使溶解度變化而析出的化合物稱為四次夾雜（凝固后發(fā)生相變使溶解度變化而析出的） 。研究證明，鋼中的大部分非金屬夾雜物是在鋼液脫氧和凝固階段生成的，即主要是一次和三次夾雜物。2.2.2內(nèi)生夾雜物形態(tài)相對(duì)來(lái)說(shuō)，內(nèi)生夾雜物分布較均勻，尺寸較小。（1）如夾雜物以固態(tài)形式較早形成于鋼液中，則其在固態(tài)鋼中多具規(guī)則 幾何形狀（如氮化物）；（2）當(dāng)夾雜物以在鋼液中以液態(tài)形式存在，則其在固態(tài)鋼中鋼中多呈圓形或邊界彎曲 （如低熔點(diǎn)的硅酸鹽夾雜物）；3）如在鋼凝固過(guò)程中形成，夾雜物大多沿初晶的晶界分布，按其與晶界的潤(rùn)濕程度，呈顆粒狀（FeO）或薄膜狀（FeS）分布。

2.2.3內(nèi)生夾雜物來(lái)源主要來(lái)源于鋼液在脫氧脫硫和凝固過(guò)程時(shí)進(jìn)行的各種物理化學(xué)反應(yīng)形成的產(chǎn)物，大多是氧、硫、氮的化合物、硅酸鹽等。（1）脫氧形成的夾雜物這些氧化→2O3（夾雜物）物，特別加Al脫氧:3FeO+2Al→3Fe+Al加Si脫氧:2FeO+Si→2Fe+SiO2（夾雜物）是一些比重大的產(chǎn)FeO與其他氧化物相遇可能形成硅酸鹽：物沒(méi)有及nFeO+mSiO2→nFeO.mSiO2，時(shí)排除殘留在鋼中nAl2O3+mSiO2→Al2O3.mSiO2（2）鋼液溫度降低或凝固，沉淀出夾雜物隨著鋼液溫度降低，硫、氧、氮等雜質(zhì)元素的溶解度相應(yīng)下降，并與合金元素親和力的相結(jié)合而呈非金屬化合物在鋼中沉淀。特點(diǎn)：分布較均勻，尺寸一般都較小，形狀多呈顆粒狀（FeO），薄膜片狀（FeS）。

內(nèi)生夾雜物的類型和組成取決于冶煉的脫氧制度和鋼的成分?！駥?duì)碳素鋼而言，夾雜物的類型和組成取決于冶煉和脫氧方法；●對(duì)一些合金鋼，特別是對(duì)含有與氧、硫、氮親合力很強(qiáng)的合金元素的合金鋼而言，鋼的成分的變化對(duì)夾雜物的影響十分突出。2.3非金屬夾雜物按成分分類（1）簡(jiǎn)單氧化物夾雜尖晶石類氧化物（2）復(fù)雜氧化物鈣鋁酸鹽非金屬夾雜物（3）硫化物硅酸鹽及硅酸按成分鹽玻璃分類（4）氮化物（5）稀土夾雜物氧化物特征氧化鋁物性 化學(xué)式:Al2O3，熔點(diǎn)2050oC，比重：3.96，顯微硬度：3000-4500㎏/㎜ 2，結(jié)晶類型：六方系(在鋼的夾雜物中只發(fā)現(xiàn)Al 2O3)氧化鋁電鏡形貌氧化鋁+氧化鈣ElmtElementAtomicCompound%%%Al37.0130.47Al2O369.93Ca21.4911.91CaO30.07O41.5057.62Total100.00100.00100.00

2.4鋼中非金屬夾雜物的類型（一）按夾雜物成分特點(diǎn)分類(1)簡(jiǎn)單氧化物常見(jiàn)的有Al2O3，Cr2O3，TiO3等。在含Cr和Ti的鋼中可能出現(xiàn)Cr2O3和TiO2夾雜物，●在含Cr和Ti的鋼中可能出現(xiàn)Cr2O3和TiO2夾雜物；●用Si-Fe或Al脫氧時(shí)則SiO2和Al2O3為多見(jiàn)。Alo 氧化鋁能譜氧化鋁+氧化鈣+氧化鎂EllmttElementAtomicCompoundElmtElementAtomicicCompound%%%%%%MgMgOMg0..520..48MgO0.861.881.6233.12.0.86Al46.85..36.22Al2O388.52Al33.7328.22Al2O363.74Ca5.983..11CaO8.Ca25..3014..25CaO35..40O40.4557.05O45.2959.05.Total100.00100..00100..00Total100.00100.00100.00氧化鎂+氧化鈣+氧化鋁+二氧化硅氧化鎂+氧化鈣+氧化鋁+二氧化硅ElmtElementAtomicCompound%%%Mg0.440.43MgO0.74ElmtElementAtomicCompoundAl19.2016.90Al2O336.27Si4.734.00SiO210.12%%%Ca36.0021.33CaO50.36Mg0.970.95MgO11.61.Al23..0020..30All2O34343.46.46Ti1.500.74TiO22.50Si0.990..84SiO222..11O38.1356.60Ca37.7522..42CaO52..82Total100.00100.00100.00O7.2955.49Total100.00100.00.00.00100.00氧化鋁+氧化錳氧化鋁+氧化鐵ElmtElementAtomicCompound%%%Al5.786.15Al2O310.92Ti27.8316.69TiO246.43Mn33.0317.27MnO42.65O33.3559.88Total100.00100.00100.00

cps800 Al600400200OFe00.5 1.0 1.5 2.0Energy(keV)（2）復(fù)雜氧化物它是由簡(jiǎn)單氧化物復(fù)合成的化合物尖晶石類夾雜物主要包括 各種鈣的鋁酸鹽夾雜物硅酸鹽及硅酸鹽玻璃a.尖晶石類氧化物 ——常用AO··B2O3表示A代表二價(jià)金屬M(fèi)g，Mn，F(xiàn)e等；B為三價(jià)金屬如Fe，Cr，Al等；代表氧。

常見(jiàn)尖晶石類夾雜物有 FeO··Fe2O3、FeO··Al2O3、MnO··Al2O3、Mg··Al2O3、FeO··Cr2O3、MnO··Cr2O3等。這些復(fù)雜化合物因具有尖晶石結(jié)構(gòu)而得名特點(diǎn)：（1）在一個(gè)相當(dāng)寬的成分變化范圍，即 AO··B2O3能夠溶解一定范圍內(nèi)不同數(shù)量的 AO或B2O3。（2）熔點(diǎn)高，在鋼液中以固態(tài)形式存在并具有很高的硬度。尖晶石類化學(xué)式MgO.AllO物理性質(zhì)熔點(diǎn)：2135℃密度：3.58顯微硬度：2100-2400㎏/㎜2結(jié)構(gòu)類型：立方晶系a=8.08?

Elmt...ElementttAtomicCompoundElmtElementAtomicCompound%%%%%%%%%%%Mg14.6212.23MgO24.24.Mg15.4912.96MgO25.69.Al40.0930.22Al2O375.76Al39.3329.64Al2O374.31O45.2857.55O45.1857.41Total100.00100.00100.00Total100.00100.00100.00b.鈣鋁酸鹽類化學(xué)式：3CaO.AlO、12CaO.7AlO3、CaO.5AlO3CaO.AlO、CaO..22AllO、CaO..6AlO物理性質(zhì)顯微硬度：930-2200㎏/㎜2結(jié)構(gòu)類型：立方晶系單斜晶系六角晶系特點(diǎn)：熔點(diǎn)高、硬度很高、在煉鋼溫度下呈固態(tài)存在；熱軋不易變形，鍛壓加工時(shí)有時(shí)被壓碎；冷軋薄板損傷產(chǎn)品表面。鋁酸一鈣ElmtElementttAtomicCompound%%%Mg1.381..28MgO22.29.Al33.472727.92.92Al2O363..25Ca24.6313.83CaO34..47O40.5156.98Total100.00100..00100..00二鋁酸一鈣ElmtElementAtomicCompound%%%Mg11.45.451..30MgO22.40.40Al39.0831.58Al2O373.85Ca16.989.23CaO23..75O42.4957.89Total100.00..00100.00100.00

鋁酸鈣六鋁酸鈣

EmltElementAtomiicCompound%%%Al18.15.82Al2O335.19Si10.6888..71SiO2222..85Ca29..5616..90CaO41.36.Ti00..360.Ti.O40.7758.40Total100.00100.00100.00ElmtElementAtomicCompound%%%Mg1.641.55MgO22.71.All29..6025..21Al2O3355..93Ca29.5616...95CaO41.36.O39.2056.Tottall100.00100...00100..00七鋁酸十二鈣ElmtElementAtomicCompound%%%Mg31.1126.16MgO51.58Si20..7815..13SiiO2SiO244..46Mn3.071.14MnO33.96.96O45.0457.57Total100.00100.00100.00鎂橄欖石玻璃相c.硅酸鹽及硅酸鹽玻璃常見(jiàn)：硅酸亞鐵 2FeO·SiO2、硅酸亞錳2MnO··SiO2、MnO··SiO2、鐵錳硅酸鹽nFeO··mMnO··pSiO2、Al2O3·SiO2及3MnO··Al2O3·2SiO2等。特點(diǎn)：1）鋼液的凝固過(guò)程冷速較快，一些液態(tài)的硅酸鹽夾雜物可能來(lái)不及結(jié)晶，其全部或部分以玻璃態(tài)的形式存在于鋼中。2）尺寸大小與鋼的凝固速度和其中的SiO2含量有關(guān)。鋼凝固時(shí)冷卻速度愈慢或SiO2含量愈高，此類夾雜物尺寸就愈大。（3）硫化物類硫化錳化學(xué)式：MnS物理性質(zhì)：熔點(diǎn)：1610℃密度：3.99顯微硬度：170㎏/㎜2ElmtElementAtomic%%S36.1949.28Mn63.8150.72Total100100ElmtElementAtomicCompoundf%%%Mg1.301.26MgO22.15.Al5.164.52Al2O39.74Si20.6017.33SiO244.06Ca16.379.65CaO22..90Ti2.121.05TiO23.54Mn13.63.55.87.MnO17.60.O40.8360.32Total100.00100.00100.00100.0ElmtElementAtomicCompound%%%Al1..521..16Al2O32.86Si41.2330..45SiO288.20K0.220..11K2O0.Ca0.790..41CaO11.10.Ti1.030..45TiO211..72Mn44.54.1.71MnO5.586.86O50.6965.71.Total100.00100.00.00100.00硫化錳硫化鈣 硫化鉻氧化鋁+硫化錳 （4）氮化鈦類 TiN，ZrN，NbN，VN和AlNElmtElementAtomicCompound%%%Mg1.321...30MgO22.18.Al17.2515..39Al2O332.59Si3.763..23SiiO28..05Ca39.1223...51CaO54..73Ti1.47TiO2.2.O37.0955..83Total100.00100.00100..00ElmtElementicCompound%%%%Mg44..263..94MgO77.06.Al7..976..65All2O315..06Si18.7515.02SiO240.10Ca25.2314.17CaO35..30Ti1.490..70TiO22.49O42..3159..52Total100.00100100.00.00100.00氧化鋁+氮化鈦+氧化鎂ElmtElementAtomicCompound%%%Mg4.113.50MgO6.82Al45.823