隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展,對鋼的強(qiáng)度、韌性、加工性能等要求日趨嚴(yán)格,對鋼鐵材質(zhì)要求也越來越高。非金屬夾雜物作為獨(dú)立相存在于鋼中,破壞了鋼基本的連續(xù)性,使鋼組織的不均勻性增大。因此鋼中非金屬夾雜物的存在,對鋼的性能產(chǎn)生很大的影響。根據(jù)非金屬夾雜物的性質(zhì)、形態(tài)、分布、尺寸及含量等因素的不同,對鋼性能的影響也不同。為了提高金屬材料的質(zhì)量,生產(chǎn)非金屬夾雜物少的潔凈鋼,或控制非金屬夾雜物性質(zhì)和要求的形態(tài),這是冶煉和鑄錠過程中的一個艱巨任務(wù)。而對于金相Metallographic分析工作者來說,如何正確判斷和鑒定非金屬夾雜物,是十分重要的。鑒別非金屬夾雜物的工作首先是在金相顯微鏡Microscope下進(jìn)行,利用明視場觀察夾雜物的顏色、形態(tài)、大小和分布;在暗視場下觀察夾雜物的固有色彩和透明度;在偏振光正交下觀察夾雜物的各種光學(xué)性質(zhì),從而判斷夾雜物的類型,根據(jù)夾雜物的分布情況及數(shù)量評定相應(yīng)的級別,評判其對鋼材性能的影響。目前檢驗、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、電子掃描法等等。本文僅就用金相法檢驗鋼中非金屬夾雜物作一些介紹。 

　　鋼中非金屬夾雜物的來源分類

　　內(nèi)生夾雜物，它是金屬在熔煉過程中,各種物理化學(xué)反應(yīng)形成的夾雜物。內(nèi)生夾雜物一般來說分布比較均勻,顆粒也比較小。

　　外來夾雜物，它是金屬在熔煉過程中與外界物質(zhì)接觸發(fā)生作用產(chǎn)生的夾雜物。如爐料表面的砂土和爐襯等與金屬液作用,形成熔渣而滯留在金屬中,其中也包括加入的熔劑。這類夾雜物一般的特征是外形不規(guī)則,尺寸比較大。

　　鋼中非金屬夾雜物按化學(xué)成分分類

　　氧化物系夾雜，簡單氧化物有FeO、Fe2O3、MnO、SiO2、Al2O3、MgO、Cu2O等。在鑄鋼中,當(dāng)用硅鐵或鋁進(jìn)行脫氧時,SiO2和Al2O3夾雜比較黨見。Al2O3在鋼中常常以球形聚集呈葡萄狀。在鋁、鎂合金中,夾雜主要是Al2O3和MgO。復(fù)雜氧化物,包括尖晶石類夾雜物和各種鈣的鋁酸鹽等,鈣的鋁酸鹽如圖1所示。硅酸鹽夾雜也屬于復(fù)雜氧化物夾雜。這類夾雜物[2]有2FeO·SiO2(鐵硅酸鹽)、2MnO·SiO2(錳硅酸鹽)、CaO·SiO2(鈣硅酸鹽)等。這類夾雜物在鋼的凝固過程中,由于冷卻速度較快,某些液態(tài)的硅酸鹽來不及結(jié)晶,其全部或部分以玻璃態(tài)的形式保存于鋼中,如圖2所示。

　　硫化物系夾雜，主要是在鋼及鐵中產(chǎn)生的FeS、MnS、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Mn,使S與Mn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)通常分為三類:

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

　　在金相下表現(xiàn)為排成鏈狀的極細(xì)的針狀夾雜。

　　呈塊狀,外形不規(guī)則,呈任意狀分布,在過量Al脫氧時出現(xiàn)。

　　氮化物夾雜，當(dāng)鋼中加入與氮親和力較大的元素時形成AIN、TiN、ZrN、VN等氮化物。在出鋼,澆鑄過程中鋼流與空氣接觸,空氣中的氮在鋼中溶解使氮化物的數(shù)量顯著增加。如圖4所示。

　　非金屬夾雜物對鋼質(zhì)量的影響，非金屬夾雜物存在于鋼中的數(shù)量雖然不多,但對鋼及其產(chǎn)品的質(zhì)量則起著極大的作用。硫化物夾雜造成鋼的熱脆性。在鋼的冷態(tài)下,這些夾雜物影響其強(qiáng)度和延展性。某些硬的角狀夾雜物明顯降低鋼材的斷面收縮率。雜物對鋼的抗拉強(qiáng)度影響更大,優(yōu)良的鋼材破斷時屬塑性斷裂,當(dāng)鋼中存在夾雜物偏析或夾雜物沿晶界分布時,其斷裂往往起始于這些地方,從而使強(qiáng)度急劇降低。 對于外來粗大夾雜物,其影響也很大,在冷彎或抗拉試驗時,試樣通常出現(xiàn)折疊、翻皮、斷口中出現(xiàn)大量球狀顆粒白色夾雜物等缺陷,都是因操作不當(dāng)導(dǎo)致大量夾雜物殘留鋼中所致。

　　試樣制備對鑒定夾雜物的影響，試樣制備的好壞,直接影響夾雜物的鑒別工作,如果利用普通金相試樣的制備方法,可能引起大量的夾雜物剝落,或造成嚴(yán)重的“拖尾”現(xiàn)象和相界不清,對于準(zhǔn)確地觀察夾雜物的分布、大小和形狀均受到很大的干擾。試樣表面粗糙,能使各向異性夾雜物的各向異性效應(yīng)變?nèi)?其至于造成判斷上的錯誤,因此用于鑒別夾雜物觀察的試樣,必須精心制備,使其具有較高的表面光潔度,并且夾雜物的相界輪廓清晰,絕大多數(shù)夾雜物尚未剝落,沒有“拖尾”現(xiàn)象存在。只有制備出這樣的金相試樣,才能準(zhǔn)確地測定夾雜物的光學(xué)性質(zhì)。

　　鋼中非金屬夾雜物在顯微鏡Microscope下的特征及鑒定

　　明視場下觀察，在明視場下是以觀察夾雜物的形狀、分布、變形行為、大小、數(shù)量、組織、反射本領(lǐng)及其色彩等項目來識別夾雜物的屬類。

　　夾雜物的外形，夾雜物的外形有規(guī)則的幾何形狀,像玻璃質(zhì)SiO2呈球狀,TiN呈方形;不規(guī)則的形狀,如FeO呈卵形,多角形鋁硅酸鹽玻璃呈脆性破碎粒狀。

　　夾雜物的分布，一般的硅酸鹽呈單獨(dú)的孤粒形狀分布,Al2O3和FeO·MnO等氧化物聚集成群呈串狀分布,而FeS及FeS·FeO則沿晶界分布。

　　夾雜物的透明度和色彩，夾雜物的透明度可分為透明、不透明兩類。透明的夾雜物在暗場下顯得十分明亮,如硅酸鹽夾雜在暗場和偏光下有明顯的反光能力。在暗場下透明,并有反光的環(huán)圈,在偏光下有暗黑十字架現(xiàn)象。而硫化物、氧化鐵在明場下沒有反光能力。TiN夾雜在明場下反光能力較強(qiáng),呈金黃色。MnS顯灰蘭色。

　　總之,鋼中非金屬夾雜物含量雖然微小,但它對鋼的性能影響極大,所以必須對它進(jìn)行檢測和研究。根據(jù)夾雜物在顯微鏡下的特征,用金相顯微方法檢驗可以定性定量地鑒定鋼中非金屬夾雜物的級別,并按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)判定鋼的質(zhì)量,進(jìn)而找出規(guī)律,改進(jìn)工藝,盡可能減少有害夾雜物的含量,提高產(chǎn)品質(zhì)量。