钢中非金属夹杂物是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。
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。
氧化物是最常见的夹杂,其种类也比较多。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。
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: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。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。
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。