非金屬夾雜物是指存在于鋼中的金屬或非金屬化合物。在鋼鐵材料中一般都含有非金屬夾雜物,這些夾雜物的種類和形狀是多種多樣的,對鋼材的影響程度也不一樣。
一般來說,非金屬夾雜物的存在對鋼具有以下影響:
(1)破壞金屬基體的連續性,在熱處理時易引起淬火裂紋;
(2)當金屬承受載荷特別是動載荷時,易造成應力集中,使鋼的力學性能特別是疲勞強度降低,甚至導致機械零件在使用過程中斷裂失效;
(3)非金屬夾雜物的存在還使鋼的耐蝕性降低,并使機械加工后的表面粗糙度增加;
(4)較嚴重的非金屬夾雜物在鋼經熱加工后呈帶狀分布,從而造成力學性能的方向性;
(5)夾雜物的存在還會使沖壓件的性能變化,易在夾雜物集中處開裂。
所以,鋼中的非金屬夾雜物應該被看作是一種組織缺陷。當然,正常的夾雜物含量對鋼材的使用一般不會有什么影響,有些鋼材或零配件反而希望多含一些夾雜物,如含硫易切削鋼,大量硫化物的存在不僅改善了切削性能,還適用于自動車加工的大批量生產。
鋼中非金屬夾雜物的來源通常可以分為兩類:
一類是外來的非金屬夾雜物,即在冶煉、澆注過程中的爐渣及耐火材料剝落后進入鋼液中形成的;
另一類是內在的非金屬夾雜物,即在冶煉及澆注過程中物理化學反應的生成物,如氧化物、硅酸鹽、硫化物等。
1)氧化物
簡單氧化物,即FeO、MnO、Cr2O3、Al2O3、SiO2、ZrO2、TiO2等,一般在鋼中呈顆粒狀或球狀分布。
復雜氧化物包括尖晶石類氧化物和各種鈣的硅酸鹽,這些復雜氧化物的熔點高于鋼的冶煉溫度,并有一個相當寬的成分變化范圍,在鋼液中呈固態存在,是多相夾雜物。
2)硅酸鹽及硅酸鹽玻璃
這類夾雜物的化學式可用lFeO·mMnO·nAl2O3·pSiO2表示,成分較為復雜,通常呈多相狀態。
由于鋼液凝固時冷卻速度較快,某些熔融態的硅酸鹽來不及結晶,致使其全部或部分呈玻璃態,如FeO·SiO2(鐵硅酸鹽)、MnO·Si2O(錳硅酸鹽)等。
3)硫化物
在鋼中主要以FeS、MnS或(MnFe)S等存在,一般在鋼中呈球狀任意分布,或呈桿狀、鏈狀、共晶式在樹枝間和初生晶粒的晶界處分布,也有呈塊狀、具有不規則外形、任意分布的。
4)氮化物
鋼中的氮化物如AlN、TiN、ZrN、VN等,其質點極為細小,呈方形或多角形。
由于鋼中夾雜物在熱壓力加工時具有不同的塑性,其變形程度各異,可分為以下幾種類型:
1)塑性夾雜物
塑性夾雜物在壓力加工時沿加工方向伸長為帶狀、斷續條狀、紡錘狀等,如FeS、MnS、(Mn、Fe)S,以及含SiO2較低(40%-60%)的低熔點硅酸鹽等。
2)脆性夾雜物
脆性夾雜物在壓力加工時不變形,但沿加工方向破裂成串,如Al2O3、尖晶石及釩、鈦、鋯的氧化物等,它們都屬于高熔點、高硬度的夾雜物。
3)半塑性夾雜物
半塑性夾雜物以具有可塑性的硅酸鹽或鋁酸鈣為主體,并混雜一定數量的脆性氧化物。熱加工時,因主體夾雜物變形受阻而使夾雜物形狀呈邊界不規則的不連續條狀。
4)球狀(或點狀)不變形夾雜物
這類夾雜物在熱加工過程中仍保持鑄態原形而不發生變形。屬于此類夾雜物的有SiO2、含SiO2較高(質量分數大于70%)的硅酸鹽、CaO及其溶入Al2O3后形成的CaO·Al2O3和CaO·2Al2O3等。
5)對于非金屬夾雜物檢測
可按GB/T 10561《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》進行評定。
非金屬夾雜物作為鋼中的精靈,不同形狀和性質的夾雜物會對鋼材產生不同程度的影響。理想情況而言,都是希望夾雜物越少越好。
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