夹杂物对钢性能的影响

夹杂物对钢性能的影响

1．概要

1.1 钢中非金属夹杂物的来源

钢铁冶炼是一个非常复杂的物理化学过程。随着冶炼技术的不断进步，钢的品质得到不断提升。但是，不管采用何种先进的冶炼技术，钢中总还是不可避免地存在或多或少的非金属夹杂物，其来源大致为以下几方面： ① 脱氧、脱硫产物，特别是一些比重大的产物没有来得及排除。 ② 随着钢液温度的降低，S、O、N等杂质元素的溶解度下降，于是这些不溶解的杂质元素就呈非金属化合物在钢中沉淀。 ③ 带入钢液中的炉渣或耐火材料。 ④ 钢铁被大气氧化所形成的氧化物。

通常将前两类夹杂物称为内生夹杂物，后两类夹杂物称为外来夹杂物。 内生夹杂物的类型和组成取决于冶炼的脱氧工艺和钢的成分，尤其是与S、O、N亲和力强的元素含量，如Al、B、Mn、稀土、Ca等。而与S、O、N亲和力弱的元素，如Ni、Co等，即使它们含量变化很大，对夹杂物也不产生明显影响。 外来夹杂物系偶然生成，通常颗粒大，呈多角形，为成分复杂的化合物，分布也没有规律。在钢中的含量通常只占夹杂物总量的很小一部分，而且往往是难以确定的。

1.2 夹杂物对钢性能的影响

钢中非金属夹杂物的存在通常被认为是有害的。主要表现对钢的强度、延性、韧性、疲劳等诸方面的影响。所以冶炼中应采取各种技术措施，尽可能降低其含量，并科学地调节夹杂物的类型、分布、形态等，使其对钢的性能的影响降低到最低限度。 ① 夹杂物类别的影响

铝镇静钢在连铸时，高熔点的Al2O3夹杂物易粘在中间包的水口上面影响浇铸，可通过改变脱氧工艺使钢液中固态的Al2O3夹杂物变为液态的铝酸钙，就可以避免夹杂物在水口上面的粘结。 ② 夹杂物颗粒大小及分布的影响

大而集中的夹杂物对钢的性能很有害，而分布弥散和细小颗粒的夹杂物，不仅其危害能消除，有时还有改善钢的性能的作用。例如在室温下，Al2O3颗粒超过1μm时，钢的屈服强度和抗张强度降低，但当夹杂物颗粒小于0.3μm时，屈服强度和抗张强度都将提高。

钢液中有同等量的氧、硫含量时，对小型铸件，由于冷却速度快，夹杂物的颗粒小，分布均匀，对铸件的性能几乎不产生影响。然而对大型铸件，由于冷却速度慢，夹杂物产生偏析，颗粒粗大，对铸件的性能将会产生较大的影响。 ③ 夹杂物形状的影响

硫化锰是钢中常见的夹杂物，在铸钢中如形成球状硫化锰，则钢体在热加工过程中不易变形，而且能减少各向异性，因而对钢件的机械性能危害很小。但如形成长条状、链状硫化锰，或形成共晶或沿晶界分布，钢铁在热加工时将产生热脆和裂纹，破坏了钢的基体连续性，因此对机械性能将会产生较大的影响。

2．夹杂物的分析与鉴定

钢中夹杂物的鉴定是一项复杂、烦琐而又费时费力的分析技术。它既需要对

夹杂物进行定量分析，又需要在定量分析的基础上，对夹杂物的组成、结构、形态、分布等进行鉴定。目前国内外尚无一种仪器设备可以胜任，通常需要多种仪器设备和手段配合进行。 2.1 夹杂物的定量分析

夹杂物的定量分析目前仍采用古老的化学法，分为夹杂物的提取和测定两个阶段。

① 夹杂物的提取

夹杂物的提取可采用酸溶法、置换法、卤素法、氯化法以及电化学法等。其中以电化学法（电解法）应用范围广泛，其缺点是提取时间长。 ② 夹杂物的测定

夹杂物的测定均采用纯化学分析方法，如重量法、容量法、光度法等。

夹杂物的测定是夹杂物鉴定的首要条件，采用化学法进行分析，分析周期长，效率低，需消耗大量的化学试剂，配备众多的分析人员，是一种不得已的低效、高耗费时费力的方法。 2.2 夹杂物的鉴定

夹杂物的鉴定分为宏观鉴定和微观鉴定两类。宏观鉴定采用X射线探伤、超声波探伤等，主要是探测钢中大的氧化物夹杂、裂缝、气孔等。微观鉴定采用示踪原子、金相、扫描电镜、电子探针、X衍射等方法。其中以金相法较为常用。

3．GP-100真空直读光谱仪分析钢中夹杂物可行性研究 3.1 GP-100真空直读光谱仪的性能

GP-100真空直读光谱仪是一台具有国际先进水平的大型仪器，结构新颖、性能可靠，最多可设置64个分析通道，可一次性同时分析钢中所有主量元素和杂质成分，是任何化学分析方法所无法比拟的。分析过程全自动，分析精度高，重复性好，无人为误差，分析结果直读、打印，数据可长期保存，是建立现代化实验室的理想仪器。其主要性能指标如下： ① 技术指标 a． 光谱室

焦距：曲率半径1000mm，帕邢-龙格光学装置，最多可设置64个分析通道（根据用户需要）。真空型，真空泵为两极油封旋转叶片型，极限真空可达0.1-1Pa（﹤10mtorr）。 b．光栅

光栅毛坯尺寸：直径63.5mm，厚12mm。 刻划面积：50×30mm 入射角：35° 刻线：1440条/mm c． 波长范围 173.0-767.0nm 二级光谱 173.0-383.5nm 一级光谱 346.0-767.0nm d．平均色散率

二级：0.33nm/mm 一级：0.66nm/mm e． 接收器 光电倍增管（全进口），直径Ф13mm，10级侧窗管。

f． 试样台

密闭式充氩样品架。 g．光源

高能预燃高重复率火花光源，放电频率200Hz、400Hz可调。 h．计算机及软件

主流品牌机、内存64M、硬盘40G、17″彩显、针式打印机。

DOS软件系统，英文及汉化双版本，具有灵活的样品识别、系统标准化、类型标准化、日常分析、质量检验。灵活的结果显示，结果储存、结果调用/更新、存储结果的统计。多变量回归、系统状态检测等功能。 ② 安全性能指标 a． 绝缘电阻﹥20MΩ。

b．抗电强度AC1500V、50Hz历时1min无击穿。 c． 泄漏电流≤5mA ③ 计量性能指标 a． 分析品种及元素

钢铁及其合金中所有主量元素及微量杂质。 b．分析时间：≤20秒钟。 c． 精密度：优于GB/T 4336-2002标准。 3.2 分析钢中夹杂物可行性研究 ① 钢中夹杂物的类型

钢中夹杂物由于冶炼和热处理工艺的不同而呈现非常复杂的形态，但大致可分为三大类：即氧化物、硫化物以及一些高熔点的氮化物、硒化物、磷化物、碲化物等。氧化物夹杂又可分为简单氧化物和复杂氧化物以及硅酸盐、硅酸玻璃等。 作为普通碳素钢及中低合金钢中夹杂物的类型要简单得多，通常为氧化铝、氮化硼以及硫化铁、硫化锰等。其中影响钢的性能的主要是氧化铝夹杂。氧化铝根据其化学安定性又分为酸溶铝与酸不溶铝。 ② 分析技术的对比及研究

现以氧化铝夹杂物的测定为例，进行两种分析方法的对比。 a． 化学法测定氧化铝的工艺流程 制样（样屑）→ 电解提取→ 残渣灼烧称重→ 酸分解提取（保留残渣）→ 光度法测定→ 酸溶铝氧化物含量。

保留残渣→ 灼烧称重→ 酸不溶铝氧化物含量。 b．直读光谱法测定氧化铝的工艺流程

制样（样块）→ 激发→ 分析结果（酸溶铝、酸不溶铝）直读显示→ 换算因子计算→ 酸溶铝氧化物、酸不溶铝氧化物含量。 c． 两种方法对比

化学法：分析时间单样需8小时，工艺流程长，全人工操作，消耗大量化学试剂，分析成本高，效率低，人为因素大，分析精度低。

直读光谱法：分析时间单样20秒钟，全自动操作，不消耗任何化学试剂，分析成本低，效率高，无人为因素，分析精度高。 3.3 结论

采用直读光谱仪进行钢中夹杂物的测定，是一项分析检测新技术。如前所述，采用单一仪器进行钢中夹杂物的全面鉴定目前在国内外尚不可行，需要配备其它

相关手段及设备，直读光谱仪也不例外。但直读光谱仪高效、低耗性能以及可覆盖钢中所有主量元素和微量杂质的分析性能，却是化学分析方法以及其它许多大型仪器所不具备的。目前对于钢中氧化铝的研究测定，其技术是成熟的，同时还可进一步开展氮化硼、硫化物、磷化物等夹杂物的测定研究，因为这些夹杂物中的非金属元素，均可在直读光谱仪上精确测定，再通过相关的换算因子计算，即可得到这些夹杂物的含量。因此，采用直读光谱仪分析钢中夹杂物的研究在技术上是可行的，是一种不失为新的高效、低耗的检测手段。

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