夹杂物
- 格式:docx
- 大小:419.41 KB
- 文档页数:10
加工过程中产生的夹杂物处理措施及流向说明夹杂物是指在加工过程中,由于各种原因导致的金属夹杂物的存在。
其中,机械零件加工过程中产生的金属夹杂物最为常见,其量占到了加工数量的90%以上。
如果在生产加工过程中控制不好,也会影响产品质量和废品率。
由于对零件生产流程的不熟悉,在出现夹杂物问题时总是很头疼。
尤其是一些小型零件因外形不规则而难以找到合适的夹杂物位置时,很容易发生事故。
这些夹杂物会对尺寸精度和外观造成一定程度上损坏,甚至使产品质量受到影响。
目前国内很多小型零件生产厂家都采取了夹杂质控制措施和流向说明。
虽然这些控制措施做得非常好,但由于不能及时解决问题时也容易造成严重损失。
因此在设计此类产品结构、生产工艺及设备等方面必须引起足够重视并采取相应技术措施加以控制。
1、清理夹杂物对于夹杂物,必须从小的方面入手,比如用砂轮清理时也要注意其对零件表面的影响;在工件表面涂抹油脂后用夹具夹住清除,避免夹带。
另外还要注意零件结构上不应有的划痕和划伤等缺陷;对于形状不规则的零件,如导轨、垫圈等应在加工时用专门工具进行清理。
夹具可采用弹簧夹,夹持力强、噪音小、寿命长;还可采用夹具专用砂轮清理。
还可以通过调节刀具转速来清除或降低夹杂物量。
此外用电火花放电和高频放电方法去除表面夹杂物也可有效减少机械零件上夹杂物。
在实际加工过程中要尽量选择在干净、无杂质区域进行加工。
为了避免造成夹杂物扩散或堆积而破坏工件结构。
还可以使用热风枪清除夹杂物与工件表面接触部分和内部夹杂物。
如果夹杂物密度较大,则可以用热空气枪对夹杂物进行高温清洗处理,清除夹杂物;夹杂物密度较小,则可以用热空气枪在零件内部进行高温清洗或用气焊将夹杂物与工件结合起来进行高温清洗或用气焊将金属熔化清除等办法消除夹杂物。
2、夹杂物控制方法在选择夹杂物控制方法时,要从根本上分析夹杂物的产生原因。
例如如何选择切削用量、切削速度、刀具材料、切削速度等。
对于夹杂物多、刀具材料和材质难以解决的夹杂物一定不要选择刀具材料。
夹杂物的生成及控制作者:shicm 发表日期:2007-5-28 阅读次数:7631 非金属夹杂物情况及分类按其化学成分组成和结构可以分以下几类(1)氧化物夹杂:单一金属氧化物、硅酸盐、尖晶石和各种钙铝酸盐;(2)硫化物夹杂:MnS、CaS等,在轧制过程中具有良好的变形能力;(3)磷化物夹杂:CaP、BaP等还原脱磷产物,在一般钢种中较少出现;(4)氮化物夹杂:TiN、ZrN等夹杂物,是钢液从大气中吸氮的产物;(5)含不同类型夹杂物的复合夹杂。
按其来源主要分为两类:(1)外来夹杂物,主要来源为炉渣卷入钢液形成的卷渣、钢液或炉渣与炉衬耐火材料接触时的侵蚀产物、铁合金及其它炉料带入的夹杂等等,在浇铸过程未及时上浮而残留在钢中,它偶然出现,外形不规则,尺寸大,危害极大;(2)内生夹杂物,在液态或固态钢中,由于脱氧和凝固时进行的各类物理化学反应而形成的,主要是和钢中氧、硫、氮的反应产物,它的形成有四个阶段,钢液脱氧反应时形成的成为原生(一次)夹杂;出钢和浇铸过程中温度下降平衡移动时形成的成为二次夹杂;钢水凝固过程中生成为再生(三次)夹杂;固态相变时因溶解度变化而生成的成为四次夹杂;由于一次、三次夹杂生成和析出的热力学和动力学条件最有利,因此可以认为内生夹杂大部分是在脱氧和凝固时生成的,因此控制夹杂最主要的就是要加强脱氧和严格防止二次氧化。
(3)一些尺寸较大的多相复合结构的夹杂物,有时是不同类型的内生夹杂复合而成,有时则是内生夹杂物与外来夹杂物互相包裹而形成的。
为了方便生产评级和比较,按照标准评级图显微检验法根据夹杂物形态和大小分布将夹杂物分为A、B、C、D、DS五类,这五大类夹杂物代表最常观察到的夹杂物的类型和形态:—A类(硫化物类):具有高的延展性,有较宽范围形态比(长度/宽度)的单个灰色夹杂物,一般端部呈圆角;—B类(氧化铝类):大多数没有变形,带角的,形态比小(一般<3),黑色或带蓝色的颗粒,沿轧制方向排成一行(至少有3个颗粒);—C类(硅酸盐类):具有高的延展性,有较宽范围形态比(一般>3)的单个呈黑色或深灰色夹杂物,一般端部呈锐角;—D类(球状氧化物类,如钙铝酸盐):不变形,带角或圆形的,形态比小(一般<3),黑色或带蓝色的,无规则分布的颗粒;—DS类(单颗粒球状类):圆形或近似圆形,直径>13μm的单颗粒夹杂物。
夹杂物及其对钢性能的影响(1)夹杂物的分类钢在加工变形中,各类夹杂物变形性不同,按其变形能力分为三类:1.脆性夹杂物一般指那些不具有塑性变形能力的简单氧化物(Al2O3、Cr2O3、ZrO2等)、双氧化物(如FeO·Al2O3、MgO·Al2O3、CaO·6 Al2O3)、碳化物(TiC)、氮化物(TiN、Ti(CN)AlN、VN等)和不变形的球状或点状夹杂物(如球状铝酸钙和含SiO2较高的硅酸盐等)。
钢中铝硅钙夹杂物具有较高的熔点和硬度,当压力加工变形量增大时,铝硅钙被压碎并沿着加工方向而呈串链状分布,严重破坏了钢基体均匀的连续性。
2.塑性夹杂物这类夹杂物在钢经受加工变形时具有良好的塑性,沿着钢的流变方向延伸成条带状,属于这类的夹杂物含SiO2量较低的铁锰硅酸盐、硫化锰(MnS)、(Fe, Mn)S等。
夹杂物与钢基体之间的交界面处结合很好,产生裂纹的倾向性较小。
3.半塑性变形的夹杂物一般指各种复合的铝硅酸盐夹杂物,复合夹杂物中的基体,在热加工变形过程中产生塑性变形,但分布在基体中的夹杂物(如CaO·Al2O3、尖晶石型的双氧化物等)不变形,基体夹杂物随着钢基体的变形而延伸,而脆性夹杂物不变形,仍保持原来的几何形状,因此将阻碍邻近的塑性夹杂物自由延伸,而远离脆性夹杂物的部分沿着钢基体的变形方向自由延伸。
(2)夹杂物对钢性能的影响大量试验事实说明夹杂物对钢的强度影响较小,对钢的韧性危害较大,其危害程度又随钢的强度的增高而增加。
4.夹杂物变形性对钢性能的影响钢中非金属夹杂物的变形行为与钢基休之间的关系,可用夹杂物与钢基体之间的相对变形量来表示,即夹杂物的变形率v,夹杂物的变形率可在v=0~1这个范围受化,若变形率低,钢经加工变形后.由于钢产生塑性变形,而夹杂物基本不变形,便在夹杂物和钢基体的交界处产生应力集中,导致在钢与夹杂物的交界处产生微裂纹,这些微裂纹便成为零件在使用过程中引起疲劳破坏的隐患。
非金属夹杂物分类及特征
非金属夹杂物可以分为以下几类:
1. 氧化物夹杂物:包括氧化物粉尘、氧化物颗粒、氧化物鳞片等。
这些夹杂物通常具有较高的硬度和熔点,对金属制品的机械性能和耐热性能有较大影响。
2. 硫化物夹杂物:包括硫化物颗粒、硫化物晶体等。
硫化物夹杂物对金属制品的韧性和耐蚀性有较大影响,同时还会引起金属制品的应力腐蚀裂纹。
3. 硅夹杂物:包括硅颗粒、硅鳞片等。
硅夹杂物会降低金属制品的延展性和强度,同时还会引起金属脆性断裂。
4. 硝酸盐夹杂物:包括硝酸盐颗粒、硝酸盐结晶等。
硝酸盐夹杂物会降低金属制品的耐腐蚀性能。
5. 气孔:由于金属在凝固过程中会产生气体,如果没有完全排除,就会形成气孔。
气孔对金属制品的强度和密封性能有较大影响。
这些非金属夹杂物通常会降低金属制品的力学性能、耐蚀性能和耐热性能。
因此,在金属制品的生产过程中,需要严格控制这些夹杂物的含量和分布,以确保最终产品的质量。
一、实验目的本次实验旨在通过对不同材料中的夹杂物进行观察和分析,了解夹杂物在材料中的形态、分布及对材料性能的影响。
通过对实验数据的分析,为材料的质量控制和性能改进提供依据。
二、实验原理夹杂物是指材料中非金属或金属的微小颗粒、液滴或气泡等杂质。
夹杂物在材料中会对材料的力学性能、耐腐蚀性能、电学性能等产生不良影响。
本实验采用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对材料中的夹杂物进行观察和分析。
三、实验材料与方法1. 实验材料:本次实验选取了三种不同类型的材料,分别为A356铝合金、20MnCr5齿轮钢和60Si2Mn-Cr弹簧钢。
2. 实验方法:(1)样品制备:将实验材料制成金相试样,经镶嵌、抛光、腐蚀等工艺处理后,用于夹杂物观察。
(2)夹杂物观察:采用扫描电子显微镜(SEM)观察材料中的夹杂物形态、分布及大小。
(3)夹杂物成分分析:采用能谱仪(EDS)对夹杂物进行成分分析。
四、实验结果与分析1. A356铝合金夹杂物分析通过SEM观察,发现A356铝合金中的夹杂物主要为块状、针状和片状。
EDS分析结果显示,夹杂物主要成分为Al2O3、MnS和MgO等。
2. 20MnCr5齿轮钢夹杂物分析通过SEM观察,发现20MnCr5齿轮钢中的夹杂物主要为Al2O3-MnS复合夹杂物、MnS夹杂物和镁铝尖晶石等。
EDS分析结果显示,夹杂物主要成分为Al2O3、MnS、MgO和CaO等。
3. 60Si2Mn-Cr弹簧钢夹杂物分析通过SEM观察,发现60Si2Mn-Cr弹簧钢中的夹杂物主要为MgO-Al2O3尖晶石、CaS 和硫化钙等。
EDS分析结果显示,夹杂物主要成分为MgO、Al2O3、CaS和S等。
五、结论1. 夹杂物在A356铝合金、20MnCr5齿轮钢和60Si2Mn-Cr弹簧钢中均存在,且形态和成分有所不同。
2. 夹杂物对材料的力学性能、耐腐蚀性能和电学性能等产生不良影响。
3. 通过控制材料的生产工艺,如控制合金元素含量、优化熔炼工艺等,可以有效降低夹杂物含量,提高材料质量。
夹杂物对钢材性能与生产顺行的影响夹杂物是指在钢材中存在的一些异物,如氧化皮、氧化物、硫化物、夹杂气泡等。
这些夹杂物的存在会对钢材的性能和生产顺行产生一定的影响。
首先,夹杂物会对钢材的力学性能产生直接影响。
夹杂物的存在会降低钢材的强度和韧性,使其易于断裂。
夹杂物会导致钢材中的应力集中,从而加剧断裂的可能性。
此外,夹杂物还会影响钢材的延展性和可塑性,降低其变形能力和工艺性能。
这些力学性能的下降将直接影响钢材在使用过程中的可靠性和安全性。
其次,夹杂物会对钢材的腐蚀性能产生影响。
夹杂物的存在会破坏钢材表面的连续性,使钢材易于发生腐蚀。
特别是一些有害的夹杂物,如硫化物和氧化物,会加速钢材的腐蚀速度,缩短其使用寿命。
由于腐蚀会使钢材的断裂和损坏,因此夹杂物的存在对钢材的使用性能和耐久性有着重要的影响。
此外,夹杂物还对钢材的加工性能产生影响。
夹杂物会影响钢材的切削性能和焊接性能。
在切削过程中,夹杂物会导致切削刀具磨损加剧和加工表面粗糙度增加。
在焊接过程中,夹杂物容易成为焊接缺陷的起始点,导致焊接接头的质量下降。
因此,夹杂物的存在会影响钢材的加工效率和产品质量。
此外,夹杂物还会对钢材的热处理和热加工过程产生影响。
夹杂物的存在会干扰钢材的晶粒长大和相变行为,从而降低热处理的效果。
在热加工过程中,夹杂物会导致钢材易于开裂,影响产品的成形性和综合性能。
为了降低夹杂物对钢材性能和生产顺行的影响,可以采取以下措施:1.优化原料选择和质量控制,尽量避免夹杂物的产生。
2.加强钢材的清洁工艺,清除钢材表面的夹杂物。
3.通过合理的热处理工艺,尽可能使夹杂物迁移到钢材的边缘,减少对钢材性能的影响。
4.加强钢材的保护措施,减少钢材在储存和运输过程中的受污染风险。
5.加强钢材的检测技术,及时发现和排除含有夹杂物的钢材。
总之,夹杂物对钢材的性能和生产顺行有着重要的影响。
了解和控制夹杂物的存在对于提高钢材的性能和质量,确保钢材的安全可靠使用具有重要的意义。
夹杂物,即相对于基体而言,属于杂质,外来物;析出物,即从基体中析出的,属于内在物。
从化学成分上讲,夹杂物的成分和基体不一样,属于杂质;而析出物的成分和基体相同,只是相关元素的比例不同赞同第一句。
析出物也不是内部的,是游离元素在晶界聚集。
一般说来,我们把夹杂物的化学成分将其分为两类:1 氧化物类夹杂物又分为:①简单氧化物如FeO、MnO、Cr2O3、Al2O3、SiO2以及钛、钒、铌的氧化物等。
②复杂氧化物其中尖晶石类夹杂物用化学式AO·B2O3表示(化学式中A表示二价金属,如镁、锰、铁等;B表示三价金属,如铁、铬、铝等)。
这类化合物具有尖晶石MgO·Al2O3型结构,由此而得名。
尖晶石类夹杂物为一大类氧化物,如MnO·Al2O3、MnO·Cr2O3、MnO·Fe2O3、FeO·Al2O3、FeO·Cr2O3、FeO·Fe2O3(Fe3O4)、MgO·Al2O3、MgO·Cr2O3、MgO·Fe2O3等。
这些化合物都有一个相当宽的成分可变范围;实际遇到的尖晶石类夹杂物往往是多成分的。
此类氧化物在工业用钢中比较常见。
钙的铝酸盐如CaO·Al2O3、CaO·2Al2O3也属于复杂氧化物。
但它们不具有尖晶石型结构,所以,不属于尖晶石型氧化物。
③硅酸盐及硅酸盐玻璃通用化学式可写成ιFeO·mnO·nAl2O3·pSiO2。
它们一般具有多成分形式。
既可以是单相,也可以是多相。
单相情况下,一般呈玻璃态。
随脱氧情况的不同出现各式各样的硅酸盐如铁硅酸盐、铁锰硅酸盐、铁锰铝硅酸盐等。
2 硫化物夹杂主要是FeS、MnS;此外,根据情况不同,可能出现CaS、TiS、稀土硫化物等。
根据钢液的成分特别是钢液的脱氧程度,所形成的硫化物在铸态情况下具有不同形态:Ⅰ类是复合形式出现的硫化物(氧硫化物),Ⅱ类是借共晶反应形成的硫化物,Ⅲ类是具有几何外形、任意分布的硫化物(图3)。
铸件中的夹杂物来源及其危害铸件中的夹杂物主要影响铸件的疲劳强度、加工性能、组织性能,还是铸件裂纹产生的原因之一。
但是,在铸件中不可避免存在一定数量的微观夹杂物,一般数量在10的7次方和10的7次方范围内,也就是在70000000--700000000之间。
任何事物都是有利有弊,夹杂物也是如此,数量过多,影响铸件质量,造成铸件缺陷。
控制在一定范围内,有利于铸件凝固结晶、生核,我们铸造工作人员要做的就是把它们的数量控制在我们需要的范围,造富我们的生产即可。
在铸造中,夹杂物来源主要为内生和外生源头内生夹杂物来源于:1.脱气、脱硫物,特别是一些密度大的脱氧产物未及时排除。
2.随合金温度的降低,硫、氧、氮等元素的溶解度相应下降,达到过饱和,这些过饱和析出的组元以低熔点共晶或化合物的形式残留于铸件。
内生夹杂物的类型和组成取决于合金的熔炼工艺与合金成分。
外生夹杂物来源于:1.合金液与金属料表面的粘砂、锈蚀、熔渣,以及与炉衬、包衬等相互作用而生成的非金属夹杂物。
2.合金液被大气氧化生成的氧化物。
外来夹杂物多为成分复杂的氧化物,其尺寸较大,形状多呈多角形,分布无规律。
上面是金属夹杂物在铸件中的来源,下面我们再聊一聊夹杂物对铸件的影响。
非金属夹杂物对铸件质量的影响:一是影响冲击吸收量和疲劳极限等力学性能。
文章开篇我们就说了,各种铸件中不可避免的存在一定量的夹杂物。
这些夹杂物中氧化夹杂物对钢类铸件冲击吸收能量的影响很大。
夹杂物会使材料的疲劳强度极限降低。
夹杂物越粗大,材料的疲劳极限就越低。
夹杂物往往还是零件断裂的裂纹源。
尖角形夹杂物引起应力集中,加快零件的破坏。
二是影响铸造性能。
合金中含有固态夹杂物时,其流动性降低。
分布在晶界上的低熔点夹杂物是铸件产生裂纹的原因之一。
低熔点夹杂物还会促进铸件产生微观缩孔和缩松。
三、夹杂物对铸件有益的影响在某些情况下非金属甲酰胺物对铸佣质量有良好的影响。
例如,钢中的氧化物、硫化物和铸铁中的磷共晶能提高材料的硬度,增加耐磨性。
夹杂物引言:在我们生活的各个领域,夹杂物是一个普遍存在的问题。
夹杂物指的是在某个物质或者环境中存在的与其本质不相符的物质或者成分。
夹杂物的存在可能对人们的生活、健康、环境等方面带来一系列的问题和挑战。
因此,正确处理和管理夹杂物是非常重要的,本文将从不同的领域和角度来探讨夹杂物问题及其相关解决方案。
一、夹杂物在食品行业中的问题夹杂物在食品行业中是一个常见的问题,它可能是由于生产加工过程中的错误或者疏忽导致的。
夹杂物可能是异物或者有害物质,如金属碎片、塑料、玻璃等,严重的话甚至可能危及人们的健康。
为了解决这一问题,食品生产企业需要加强质量控制和安全管理,采取严格的物料筛选和检测制度,以确保食品的安全和质量。
二、夹杂物在制造业中的问题在制造业中,夹杂物的存在可能影响产品的品质和性能。
夹杂物可以是材料或者零件上的异物,也可以是产品过程中的化学物质或者颗粒物。
相比于食品行业,制造业中对夹杂物的要求更加严格,因为夹杂物可能会导致产品的故障或者事故。
为了解决夹杂物问题,制造企业需要采取有效的质量检测和控制措施,如X射线检测、超声波检测等,以减少或者消除夹杂物的存在。
三、夹杂物对环境的影响夹杂物不仅对人类健康和产品质量有影响,也对环境产生一定的负面影响。
比如,在水体中存在的夹杂物可能污染水源,破坏生态系统平衡,影响水生生物的生存和繁殖。
而在大气中存在的夹杂物则可能导致空气污染,加剧气候变化和大气环境恶化。
为了减少夹杂物对环境的影响,我们需要加强对废弃物的处理和管理,通过科技手段有效净化水、空气等资源。
四、解决夹杂物问题的技术手段为了解决夹杂物问题,人们已经开发了各种各样的技术手段。
例如在食品行业中,使用金属探测器和X射线检测仪等设备可以帮助企业及时发现并排除夹杂物。
在制造业中,使用非破坏性检测技术可以帮助企业发现隐藏在材料中的微小夹杂物。
此外,科学家们还在不断研究和开发新的技术手段,以提高夹杂物检测和控制的精确性和效率。
钢中非金属夹杂物 (non-metallic inclusions in steel)钢中夹带的各种非金属物质颗粒的统称。
钢中含有氧、氮、硫等元素,它们在钢中的溶解度在高温下高,而在室温下溶解度很低,在钢冷却和凝固时析出并同铁和其它金属等结合成为各种化合物,称为非金属的夹杂物。
除此以外,炉渣、耐火材料、泥沙等外来物质也可能混入钢中形成非金属夹杂物。
早期文献曾把钢中非金属夹杂物称为“夹渣”,这个名称容易使人误解,以为非金属夹杂物就是混入钢中的炉渣。
现在通常把各种混入钢中的物质称为外来夹杂物,它们的形状不规则(图1、图2),而将由于内部物理和化学反应产生的夹杂物称为内生夹杂物,其典型特征是尺寸较小,数目多,分布均匀。
钢中生成夹杂物的过程大致如下:脱氧剂加入钢液中以后,脱氧元素和氧发生化学反应生成不溶于钢的氧化物;有的脱氧元素也能和硫、氮化合生成硫化物、氮化物。
这类化合物称为初生夹杂物。
除极少数颗粒细小的夹杂物外,大多数初生夹杂都能从钢液中浮升出来进入渣中。
而当钢液冷却和凝固时,由于溶解度下降和氧、硫等的偏析,在凝固过程中又产生氧化物和硫化物等,称为次生夹杂物。
次生夹杂难以从钢中排除而残留在树枝晶间或最后析出于晶粒界上。
图3为FeO夹杂,图4为FeS夹杂。
钢液脱氧后,继续接触到空气或其他氧化物如耐火材料等,使钢液重新吸收氧,即发生二次氧化。
二次氧化是成品钢中非金属夹杂物的重要来源。
钢中有非金属夹杂物存在,破坏了金属基体的连续性,使钢的品质变坏。
在特殊情况下,有的夹杂物有利于钢的某种性能(如切削性),但这只是在特殊的条件下。
一般说非金属夹杂物对钢的力学性能、物理性能和化学性能都有相当大的危害。
用通俗的话来说,含夹杂物多的钢是“脏”的,纯净的钢所含有的夹杂物很少。
然而纯净钢是一个相对的概念,钢的洁净与否和它的用途有关,也和夹杂物的形状、颗粒大小和可塑性等有关。
数量虽少但颗粒较大的夹杂物往往比数量较多但尺寸细小的夹杂物危害更大;形状不规则的比球形的夹杂物危害大。
而对于精密的细小零件,表面上的微小夹杂物也有很大的害处。
所以对非金属夹杂物不仅要研究怎样减少它的含量,也要研究它的形态和分布。
非金属夹杂物类型,可从不同的观察角度进行分类。
按照化学成分可分为氧化物夹杂、硫化物夹杂和氮化物夹杂;按照夹杂物的塑性可分为范性夹杂、脆性夹杂和不变形夹杂;按照夹杂物尺寸可分为大型夹杂和微型夹杂等。
夹杂物的性质和形态均和它的成分有关。
由于非金属夹杂物对钢的性能有多方面的影响,而夹杂物的来源是各式各样的,难以准确判断,钢中非金属夹杂物的研究一直是炼钢中的重要课题。
对钢中非金属夹杂物的分析鉴定技术随着显微分析仪器的进步也在不断地发展。
氧化物夹杂氧化物是最常见的夹杂,其种类也比较多。
通常将氧化物夹杂归纳成以下4类:(1)简单氧化物,如FeO、Fe3O4、Fe2O3 、MnO、SiO2、Al 2 O3、Cr2O3以及(Mn、Fe)O固溶体;(2)硅酸盐;(3)尖晶石类夹杂;(4)钙铝酸盐。
其中具代表性的重要夹杂物有氧化铝、硅酸盐、尖晶石和钙铝酸盐。
氧化铝铝脱氧钢中含铝量较高,脱氧生成物为Al2O3。
Al2O3熔点很高,在炼钢温度下为固态,不可能凝并成大的液滴。
但Al2O3和钢的界面张力大,容易和钢液分离,称为疏铁性夹杂物。
固态的Al2O3颗粒在界面张力作用下能聚集在一起,在高温下烧结成珊瑚状的“簇”(图5)。
初生的Al2O3夹杂大部分从钢液内上浮而去除。
随着钢液温度降低和凝固,以及钢液和硅酸盐耐火材料相互作用,可重新生成Al2O3夹杂,有的Al2O3晶体附着在硅酸盐物质上面。
Al2O3的矿物名称为刚玉,硬度很大。
Al2O3夹杂是硬而脆的夹杂物,轧钢时碎裂成带棱角的小颗粒,能把金属基体划伤,产生微裂纹和应力集中,损害钢的力学性能。
硅酸盐硅酸盐夹杂物种类很多。
单相的硅酸盐如硅酸铁、硅酸锰由硅、锰脱氧生成,沸腾钢或半镇静钢中可见到这类夹杂。
单相的硅酸盐夹杂一般成为玻璃质,以小球体出现。
SiO2夹杂物也可成为玻璃质的小球体。
在偏振光下观察它们时有明显黑十字出现(图6)。
有的也可能以矿物形态出现。
多种元素脱氧可生成各种复杂硅酸盐夹杂,它们可能成为玻璃质,也可能成为组合起来的晶体。
外来夹杂多为复相硅酸盐。
硅酸盐因成分各异,其性质差别也很大。
玻璃质的硅酸盐可以在高温下受压变形延伸。
尖晶石尖晶石是一个二价氧化物BO和一个三价氧化物A2O3形成的化合物BO•A2O3。
钢中常见的尖晶石夹杂物列于表1。
尖晶石为立方晶体,质脆,轧钢时不变形而被破碎。
各种尖晶石可以成为固溶体,也可能沉淀在硅酸盐夹杂上。
表1钢中常见的尖晶石夹杂物的成分及其熔点钙铝酸盐在CaO-Al2O3系中,随着二者比例的不同,可以形成不同的化合物:3CaO•Al2O3、12CaO•7Al2O3,CaO•Al2O3、CaO•2Al2O3、CaO•6Al2O3实际上观察到的钙铝酸盐夹杂的成分可在相当宽的范围变化,而且各种铝酸钙中的CaO可被MnO、FeO、MgO等部分替代,Al2O3可被Fe2O3、Cr2O3部分替代。
钙铝酸盐夹杂多见于用钙处理的铝脱氧钢中,合成渣渣洗的轴承钢中也出现过钙铝酸盐夹杂。
大多数钙铝酸盐夹杂为球形,经压力加工后不变形。
硫化物夹杂硫化物夹杂种类较少,最主要的是MnS。
MnS在钢液中不能生成,在钢凝固时由于硫的偏析,硫化物夹杂才析出于树枝晶间。
冷却速度越快,析出的硫化物颗粒越小,但数目增多。
随着钢中含氧量的不同,铸态钢中硫化物夹杂有3类形态,如图7所示:I类硫化物为无规则分布的球状,颗粒尺寸较大,在含氧量高的沸腾钢和半镇静钢中可见到,它是在凝固初期与铁晶体同时析出的。
Ⅱ类硫化物为网状或链状,沿晶界分布,是凝固的最后期生成的。
Ⅲ类硫化物是边、角、面都清晰显现的块状物,无规则分布,出现于过量铝脱氧的钢中,是由于凝固过程中硫化物晶体自行发育的结果。
表2为产生这3类硫化物的钢成分举例。
硫化物夹杂大多塑性良好,在轧钢时顺着轧制方向延伸成条状。
Ⅱ类硫化物在轧钢后可形成连绵不断的条带,所以无论在铸态或在轧态钢中,Ⅱ类硫化物对钢的性能的危害最大。
氮化物夹杂钢中加入与氮亲和力大的元素Al、V、Ti、Zr、Nb等可生成它们的氮化物。
氮化物夹杂颗粒较小,形态为方形或多边形,性脆,压力加工时不变形。
有的氮化物夹杂中还含有碳、硫,不是纯的氮化物。
形态控制夹杂物的类型、含量、尺寸大小、形态和分布等对于钢的性能都有不同程度的影响,而且随着钢的使用条件而异。
夹杂物的形态,包括铸态的和压力加工后的形态,对钢制品的缺陷有重要意义。
各种夹杂物在压力加工前后的形态变化示意于图8。
由图可以看出:铝酸钙等球状不变形夹杂在轧钢时金属基体围绕夹杂物变形,夹杂旁形成空腔;尖晶石、高Al2O3的铝酸盐和Al2O3簇等脆性夹杂轧制时破碎成串状小颗粒;塑性的硅酸盐和硫化物轧钢后成为条带形复相夹杂物的塑性基体被拉长,其中的晶体改变了相对位置。
由图还可以看出,除球状不变形夹杂外,变形后的夹杂物横亘于金属基体中间,使垂直于轧制方向的力学性能如强度,韧性等都显著降低,这造成了钢材的各向异性。
对于钢筋,角钢等长条状产品,各向异性的害处尚不明显,而对于钢板,钢管等横向受力的材料,则危害很大。
串状的脆性硬颗粒,对薄钢板的表面光洁性,厚钢板的沿板厚方向的塑性及韧性以及钢丝的冷拔加工性能十分有害。
条带状的塑性夹杂,可使钢板及焊接钢构件形成层状撕裂。
球状夹杂对钢的横向性能损害不大,但形成的空腔引起应力集中,损害钢的疲劳强度。
为了减轻夹杂物的危害,除了尽可能去除它们以降低其含量外,改变夹杂物的形态也有重要意义。
用钙处理技术和用稀土元素处理钢液的目的就是控制夹杂物的形态。
绝大多数钢是用铝脱氧的,不可避免地产生Al2O3夹杂簇。
Al2O3簇不仅对钢的性能危害很大,而且在浇铸钢液时析出在浇钢水口内壁上,使水口栓塞,妨碍浇注工艺的正常进行。
钢液中加钙后,随加钙量的增加,和AAl2O3生成CaO•6Al2O3,CaO•2Al2O3、CaO•Al2O3、12CaO•Al2O3等铝酸钙,铝酸钙的熔点也随钙加入量的增加而下降。
钢中含钙量达到60×10-4%以上,含硫量又低时,Al2O3夹杂可转变成球形的铝酸钙夹杂。
图9为铝酸钙夹杂物的典型形貌和夹杂物中各元素浓度分布(电子探针图像)。
加钙处理不仅使Al2O3转变成铝酸盐,同时也使MnS转变成CaS并包覆在铝酸钙外面。
在轧钢时这些硫化物经过塑性变形充填于球状夹杂旁的空腔,减轻其危害性。
硅酸盐夹杂物在处理时也可被还原,部分氧化物进入铝酸盐中。
图10为这个变化的示意图。
由于Al2O3转变为铝酸盐,铝酸盐不粘附在耐火材料上,所以水口栓塞问题也相应得以解决。
钙和稀土元素和硫有强的亲和力,可与硫结合成稳定的硫化物。
它们可以成为析出MnS的核心,或者取代MnS以新的硫化物形式析出。
这些硫化物析出较早,也就是使Ⅱ类硫化物夹杂转变为Ⅲ类硫化物。
加入足够量的钙或稀土,可使全部Ⅱ类硫化物成为Ⅲ类硫化物。
据中国学者研究和工厂应用经验,RE/S ≈3可以使硫化物完全变为Ⅲ类硫化物,这个比值恰好相当于RE2S3分子式中两种物质的质量比(2×140/3×32=2.9)。
然而在进行硫化物变态处理时,钢中含氧量要先降到很低(例如80×10-4%以下),硫化物形态控制才是有效的。
鉴定和分析钢中有非金属夹杂物存在是不可避免的。
然而,夹杂物的来源、类型和分布等却带有极大的偶然性。
新钢种的研制也可能造成新的非金属夹杂物的产生。
因此,鉴定和分析非金属夹杂物是识别夹杂物、了解其成分、性质和来源的必要手段。
通过夹杂物的鉴定和分析可为冶炼和浇铸工艺中减少有害夹杂物提供科学的依据。
鉴定夹杂物的方法可分为宏观鉴定和微观鉴定两大类。
宏观鉴定用肉眼或低倍放大检查金属材料的断口或表面,或借助X射线、γ射线或超声波等无损探伤方法检查材料内部的夹杂物。
在炼钢车间环境脏乱或所用耐火材料质量差时,钢锭或铸坯表面能找到肉眼可见的大型外来夹杂,生产秩序良好时,则很少出现这种问题。
X射线透视可检测出钢内部的大型Al2O3簇。
超声波探伤可判断钢内部夹杂物的定量分布,试验证明探伤结果和定量显微镜测定的夹杂物数量有很好的对应关系。
超声波探伤的主要缺点是对硫化物夹杂的检测不敏感。
硫化物夹杂可用硫印法检查,硫在固态钢中溶解度很小,大都成为硫化物析出,硫印所显示的硫偏析区就是硫化物夹杂位置。
又因为铝酸钙夹杂常和硫化钙伴生,硫印也能反映高钙夹杂的分布,但是合金钢中Zr、Nb、Cr、V等的硫化物不能在硫印上反映出来。
宏观鉴定的优点是可以直接检查钢材中的夹杂物分布情况,缺点是不能准确判断夹杂物的性质和成分。
微观鉴定夹杂物的微观鉴定已形成完整的综合技术,包括金相法、岩相法、X衍射分析及电子探针、扫描电镜和透射电镜等鉴定设备。