鋼中非金屬夾雜物的分類與鑒定主要有哪些？

鋼中非金屬夾雜物按化學(xué)成分詳細(xì)分類見(jiàn)圖1，主要分為三大類。

圖1 鋼中非金屬夾按照化學(xué)成分分類圖

2.1 氧化物系夾雜

簡(jiǎn)單氧化物有FeO、Fe₂O₃、MnO、SiO₂、Al₂O₃、MgO和Cu₂O等。在鑄鋼中，當(dāng)用硅鐵或鋁進(jìn)行脫氧時(shí)，夾雜比較常見(jiàn)。在鋼中常常以球形聚集呈顆粒狀成串分布。復(fù)雜氧化物，包括尖晶石類夾雜物和各種鈣的鋁酸鹽等以及鈣的鋁酸鹽（圖2）。硅酸鹽夾雜也屬于復(fù)雜氧化物夾雜，這類夾雜物有2FeO·SiO₂(鐵硅酸鹽)、2MnO·SiO₂(錳硅酸鹽)和CaO·SiO₂(鈣硅鹽）等（圖3）。這類夾雜物在鋼的凝固過(guò)程中，由于冷卻速度較快，某些液態(tài)的硅酸鹽來(lái)不及結(jié)晶，其全部或部分以玻璃態(tài)的形式保存于鋼中。

2.2 硫化物系夾雜

主要是FeS、MnS和CaS等。由于低熔點(diǎn)的FeS易形成熱脆，所以一般均要求鋼中要含有一定量的錳，使硫與錳形成熔點(diǎn)較高的MnS而消除FeS的危害。因此鋼中硫化物夾雜主要是MnS。

鑄態(tài)鋼中硫化物夾雜的形態(tài)通常分為3類：

①形態(tài)為球形，這種夾雜物通常出現(xiàn)在用硅鐵脫氧不完全的鋼中；

②在光學(xué)顯微鏡下觀察呈鏈狀的極細(xì)的針狀?yuàn)A雜；

③呈塊狀，外形不規(guī)則，在過(guò)量鋁脫氧時(shí)出現(xiàn)。

2.3 氮化物夾雜

當(dāng)鋼中加入與氮親和力較大的元素時(shí)形成AlN、TiN、ZrN和VN等氮化物。在出鋼和澆鑄過(guò)程中鋼液與空氣接觸，氮化物的數(shù)量顯著增加。

（2）塑性?shī)A雜物

熱變形時(shí)該類夾雜物具有良好范性，沿變形方向延伸成條帶狀。屬于這類的有硫化物及含SiO₂含量較低（40%~60%）的鐵錳硅酸鹽。

（3）球狀不變性?shī)A雜

鑄態(tài)呈球狀，熱加工后保持球狀不變，如SiO₂及含SiO₂較高（>70%）的硅酸鹽。

（4）半塑性?shī)A雜物 

指各種復(fù)相的鋁硅酸鹽夾雜?；w鋁硅酸鹽有塑性，熱加工時(shí)將產(chǎn)生塑性變形，但是其中包含著的析出相，如氧化鋁等是脆性的，加工時(shí)仍保持原狀或只是拉開(kāi)距離。

早期主要用光學(xué)顯微鏡配合X射線結(jié)構(gòu)分析和化學(xué)成分分析，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和豐富的資料。近年來(lái)，采用電子探針對(duì)夾雜物進(jìn)行微區(qū)成分分析日益增多。目前鑒定夾雜物的大致方法有以下兩種。

4.1 金相法與微區(qū)域成分分析結(jié)合

在金相觀察中選出待定夾雜物后，用電子探險(xiǎn)針（EPMA）進(jìn)行微區(qū)成分分析或者應(yīng)用掃描電鏡（SEM）自帶能譜分析（EDS）進(jìn)行成分分析。通?？梢詼y(cè)定尺寸大于1μm的夾雜物的組成元素和大致成分，如果采用個(gè)別元素的面掃描還可以得到更為直觀的結(jié)果。圖4是使用掃描電鏡對(duì)Q460鋼中的一顆夾雜物進(jìn)行的面分析圖譜，依次進(jìn)行硫、錳、硅和鐵四種元素的面掃描，從掃描結(jié)果可以推斷出，明場(chǎng)觀察中夾雜物為MnS、SiO₂和FeS，通過(guò)能譜儀（EDS）對(duì)其進(jìn)行成分分析，還可直接得到各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

4.2 光學(xué)金相法

在光學(xué)顯微鏡下利用明視場(chǎng)觀察夾雜物的顏色、形態(tài)、大小和分布；在暗場(chǎng)下觀察夾雜物的固有色彩和透明度；在正交偏振光下觀察夾雜物的各種光學(xué)性質(zhì)，從而判斷夾雜物類型。根據(jù)夾雜物的分布情況及數(shù)量評(píng)定相應(yīng)的級(jí)別，評(píng)判其對(duì)鋼材性能的影響。目前檢驗(yàn)和研究鋼中非金屬夾雜物的方法很多，有化學(xué)法、巖相法、金相法、電子探針和電子掃描法等。

金相法鑒定夾雜物是根據(jù)夾雜物的形貌、分布及其在明場(chǎng)、暗場(chǎng)和偏光下的光學(xué)特征（表1），與已知的夾雜物特征對(duì)照以確定其類型。必要時(shí)可以測(cè)定夾雜物的顯微硬度或經(jīng)受化學(xué)試劑腐蝕的能力。非金屬夾雜物的金相法鑒定步驟見(jiàn)表2。

5、非金屬夾雜物的質(zhì)量評(píng)級(jí)

5.1 國(guó)標(biāo)評(píng)級(jí)

定量測(cè)定是優(yōu)質(zhì)鋼以及高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼的常規(guī)檢測(cè)項(xiàng)目之一。夾雜物類型已知的條件下，采用標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)比較法，以判定鋼材質(zhì)量的優(yōu)劣或是否合格。夾雜物的評(píng)級(jí)可以根據(jù)GB/T10561—2005標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。試樣經(jīng)過(guò)仔細(xì)拋光，夾雜物應(yīng)保存完好，不經(jīng)侵蝕在放大100倍顯微鏡下觀察。把試樣上夾雜物最嚴(yán)重的視場(chǎng)與標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別圖片比較來(lái)評(píng)定其等級(jí)。GB/T10561—2005標(biāo)準(zhǔn)列出三類夾雜物的級(jí)別圖。氧化物為一類，硫化物又按照夾雜物最嚴(yán)重的粗細(xì)分為兩個(gè)系列，每一個(gè)系列分5級(jí)，級(jí)別越高，表示夾雜物含量越多。評(píng)級(jí)時(shí)若不能評(píng)成整數(shù)，可以采用半級(jí)。作為重要零件用的合金結(jié)構(gòu)鋼或工具鋼，應(yīng)根據(jù)零件的要求定出非金屬夾雜物的合格級(jí)別，對(duì)于合金結(jié)構(gòu)鋼，一般最高級(jí)別不得超過(guò)氧化物及硫化物各3級(jí)，兩者之和為5.5級(jí)。

高碳鉻軸承鋼則按照GB/T18254—2016標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類及評(píng)級(jí)。按GB/T 10561—2005中的A法進(jìn)行評(píng)級(jí),其檢驗(yàn)結(jié)果應(yīng)符合下列規(guī)定:

a) 對(duì)于A類、B類、C類、D類的非金屬類夾雜物，模注鋼所有試樣三分之二和每個(gè)鋼錠至少有一個(gè)試樣以及所有試樣的平均值應(yīng)不超過(guò)表3規(guī)定；連鑄鋼所有試樣三分之二和所有試樣的平均值應(yīng)不超過(guò)表3規(guī)定;

b)對(duì)于DS類的非金屬夾雜物，其最大值應(yīng)不超過(guò)表3的規(guī)定;

c) 對(duì)于氮化鈦:牌號(hào)G8Cr15、GCr15鋼材應(yīng)按形貌分別并人B類、D類、DS類評(píng)級(jí),其他牌號(hào)的鋼材由供需雙方協(xié)商評(píng)級(jí)。