钢中夹杂物都是什么,怎么分类与鉴定,其实很有学问!
根据钢中非金属夹杂物的来源和分类,综述了鉴定钢中非金属夹杂物的方法和定量评级标准,并且给出了典型夹杂物的扫描电镜照片,分析了不同类型夹杂物的形成机理及其在光学显微镜下的基本特征。
一
钢中非金属夹杂物的来源分类
内生夹杂物
外来夹杂物
二
钢中非金属夹杂物按化学成分分类
钢中非金属夹杂物按化学成分详细分类见图1,主要分为三大类。
图1 钢中非金属夹按照化学成分分类图
氧化物系夹杂
简单氧化物有FeO、Fe2O3、MnO、SiO2、Al2O3、MgO和Cu2O等。在铸钢中,当用硅铁或铝进行脱氧时,夹杂比较常见。在钢中常常以球形聚集呈颗粒状成串分布。复杂氧化物,包括尖晶石类夹杂物和各种钙的铝酸盐等以及钙的铝酸盐(图2)。硅酸盐夹杂也属于复杂氧化物夹杂,这类夹杂物有2FeO·SiO2(铁硅酸盐)、2MnO·SiO2(锰硅酸盐)和CaO·SiO2(钙硅盐)等(图3)。这类夹杂物在钢的凝固过程中,由于冷却速度较快,某些液态的硅酸盐来不及结晶,其全部或部分以玻璃态的形式保存于钢中。
图2 扫描电镜下的氧化铝和钙的铝酸盐夹杂
图3 扫描电镜下的硅酸盐和硫化锰夹杂
硫化物系夹杂
氮化物夹杂
三
按夹杂物的塑性变形能力分类
脆性夹物
热加工时该类夹杂物形状和尺寸都不变化,但可能沿加工方向成串排列或呈点链状,属于这类夹杂物的有Al2O3和Cr2O3。
塑性夹杂物
热变形时该类夹杂物具有良好范性,沿变形方向延伸成条带状。属于这类的有硫化物及含
SiO2含量较低(40%~60%)的铁锰硅酸盐。
球状不变性夹杂
铸态呈球状,热加工后保持球状不变,如
SiO2及含
SiO2较高(>70%)的硅酸盐。
半塑性夹杂物
四
夹杂物的鉴定
早期的工作者主要用光学显微镜配合X射线结构分析和化学成分分析,积累了宝贵的经验和丰富的资料。近年来,采用电子探针对夹杂物进行微区成分分析日益增多。目前鉴定夹杂物的大致方法有以下两种。
金相法与微区域成分分析结合
在金相观察中选出待定夹杂物后,用电子探险针(EPMA)进行微区成分分析或者应用扫描电镜(SEM)自带能谱分析(EDS)进行成分分析。通常可以测定尺寸大于1um的夹杂物的组成元素和大致成分,如果采用个别元素的面扫描还可以得到更为直观的结果。图4是使用扫描电镜对Q460钢中的一颗夹杂物进行的面分析图谱,依次进行硫、锰、硅和铁四种元素的面扫描,从扫描结果可以推断出,明场观察中夹杂物为MnS、SiO2和FeS,通过能谱仪(EDS)对其进行成分分析,还可直接得到各元素的质量分数。
图4 夹杂物扫描电镜面扫描图
光学金相法
在光学显微镜下利用明视场观察夹杂物的颜色、形态、大小和分布;在暗场下观察夹杂物的固有色彩和透明度;在正交偏振光下观察夹杂物的各种光学性质,从而判断夹杂物类型。根据夹杂物的分布情况及数量评定相应的级别,评判其对钢材性能的影响。目前检验和研究钢中非金属夹杂物的方法很多,有化学法、岩相法、金相法、电子探针和电子扫描法等。金相法鉴定夹杂物是根据夹杂物的形貌、分布及其在明场、暗场和偏光下的光学特征(表1),与已知的夹杂物特征对照以确定其类型。必要时可以测定夹杂物的显微硬度或经受化学试剂腐蚀的能力。非金属夹杂物的金相法鉴定步骤见表2。
表1 常见非金属夹杂物的光学特征
表2 非金属夹杂物的金相法鉴定
五
非金属夹杂物的定量评级
国标评级
定量测定是优质钢以及高级优质钢的常规检测项目之一。 夹杂物类型已知的条件下,采用标准等级比较法,以判定钢材质量的优劣或是否合格。夹杂物的评级可以根据GB/T10561-2005标准进行。试样经过仔细抛光,夹杂物应保存完好,不经侵蚀在放大100倍显微镜下观察。把试样上夹杂物最严重的视场与标准级别图片比较来评定其等级。GB/T10561-2005标准列出三类夹杂物的级别图。氧化物为一类,硫化物又按照夹杂物最严重的粗细分为两个系列,每一个系列分5级,级别越高,表示夹杂物含量越多。评级时若不能评成整数,可以采用半级。作为重要零件用的合金结构钢或工具钢,应根据零件的要求定出非金属夹杂物的合格级别,对于合金结构钢,一般最高级别不得超过氧化物及硫化物各3级,两者之和为5.5级。
铬滚动轴承则按照GB/T18524-2002标准进行分类及评级。标准中非金属夹杂物分脆性夹杂物、塑性夹杂物和点状不变性夹杂物三类,每类分0.5、1、1.5、…、4共八级标准级别。轴承钢中非金属夹杂物含量级别不应大于表3中的规定。
表3 轴承钢中非金属夹杂物允许的级别
为了定量研究夹杂物对性能的影响,需要测定夹杂物的大小及间距的统计分布,在夹杂物较细小时,要在电镜下进行。定量测定要求测定较多的视场以求得统计分布。自动图像分析仪的应用可以大大加速测定工作的进程,并获得较为准确的结果。
JK标准评级
将夹杂物分为A、B、C和D四个基本类型,它们分别是硫化物、氧化铝、硅酸盐和球状氧化物。每类夹杂物按照厚度和直径的不同又可分为细系和粗系两个系列,每个夹杂物由表示夹杂物数量递增的五级图片(1~5)组成。评定夹杂物级别时,允许评半级。结果是用每个试样每类夹杂物最恶劣视场的级别数表示。钢中非金属夹杂物的评定方法可以参照GB/T10561-2005标准。
ASTM评级标准
ASTM标准评级图又称修改的JK图,评级图中夹杂物的分类,系列的划分均与JK评级标准图相同,但评级图由0.5~2.5组成,它适用于评定高纯度钢的夹杂物,常用于承受较大压延量的产品中,如板材、管材和线材等。结果是用每类夹杂物不同级别的视场总数来表示。
六
结语
钢中非金属夹杂物含量虽然少,但对钢的性能影响极大,所以必须对它进行定性和定量的检测。根据夹杂物在显微镜下不同的光学特征,可以定性鉴定钢中非金属夹杂物,在结合有关标准和相关微区成分分析可以定量评定夹杂物的级别,综合来判定钢的质量,进而找出规律,改进工艺,尽可能减少有害夹杂物的含量,提高产品质量。
来源:金属加工
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