1夹杂物对钢材性能与生产顺行的影响

夹杂物控制工艺技术与理论刘建华、包燕平、崔衡教授北京科技大学冶金工程研究院[e-mail]主要参考文献李为缪，《钢中非金属夹杂物》，冶金工业出版社，1988董履仁，刘新华等，《钢中大型非金属夹杂物》，1991李代锺，《钢中的非金属夹杂物》，科学出版社，1983中国金属学会译.洁净钢－－洁净钢生产工艺技术，冶金工业出版社，2006主要内容非金属夹杂物对钢性能及生产顺行的影响非金属夹杂物特征及来源分析夹杂物与钢液和炉渣反应热力学及夹杂物控制夹杂物研究方法及国内外夹杂物控制研究进展炼钢过程各工段夹杂物去除对策典型钢种清洁度研究（管线钢、IF钢、钢帘线硅钢等）夹杂物控制工艺和理论图1夹杂物控制思路夹杂物控制要求钢材性能和质量对夹杂物控制的要求用户对钢材性能的要求冶金设备、工艺、原料、流程等的要求冶金生产对夹杂物控制要求夹杂物对管线钢质量的影响夹杂物控制工艺和理论管线钢中有害夹杂物夹杂物控制工艺和理论1.非金属夹杂物对钢性能及生产顺行的影响1.1各种夹杂对钢性能的影响有害影响CrackofDICanFlawofIFsteelFractureofsteelcodeFatigueofbearingandvalvespringsteelsHydrogeninducedcrackingofpipelineNozzleclogging1.1各种夹杂对钢性能的影响有益影响硫化物可改善切削性能；细小弥散的MnS及AlN可阻止硅钢初生晶粒的长大，促进硅钢二次再结晶，提高硅钢的磁性；氧化物冶金作用。1.非金属夹杂物对钢性能及生产顺行的影响问题1）钢中夹杂物均是有害的？2）钢中哪些夹杂物对钢有益？有哪些有益作用？3）如何确定钢中夹杂物控制策略？1.1.1对切削性能的影响硫化物夹杂增加钢中含S量，对切削性能有益（如提高刀具寿命）快速切削和快速切割钢：含S量大于0.3%。1.非金属夹杂物对钢性能及生产顺行的影响硫是易切削钢中使用最早的易切削元素，易切削钢中的主导元素。关键：使硫形成细小弥散的纺锤状或球状硫化锰。不同的产品对硫化物的尺寸及分布要求不同。缺点：导致钢横向机械性能的降低。1.1.1对切削性能的影响图2条状夹杂物形态图3纺锤状夹杂物形态改善硫化物夹杂的途径：¾控制氧含量在合适的范围内溶解在硫化物中的氧对夹杂物的形核条件和形态有重要影响。钢中硫化物的L/d值随氧浓度的增加而变小，使其球形化。硫－氧化物塑性小，在轧制过程中不变形而保持为球形。保持充分的氧含量，同时考虑氧含量高易引起铸坯的表面缺陷或材料的表面裂纹等缺陷，氧含量不能过高。¾钙处理变性夹杂物钙同硫的亲合力高于锰，一部分钙形成稳定的硫化钙；硫化钙固溶在硫化锰中提高了硫化锰的强度，使硫化锰不易变形。形成并以此为内核，使条状分布的硫化锰变形为纺锤状或球状。1.1.1对切削性能的影响氧化物夹杂（1）凡能产生塑性变形的夹杂物都是有利的。（2）有些氧化物无论在等于或低于钢的流动区域可达到的最高温度下，都不发生变形，对切削性能是有害的。如刚玉、绿铬矿、尖晶石等。1.1.1对切削性能的影响（3）能塑性变形的夹杂物MnO－SiO2－Al2O3系和CaO－SiO2－Al2O3系中某些成分范围内的夹杂物，在低温和中温下变形指数低、但温度在800－1200℃时变形指数增加，甚至接近1。高速切削时在钢的流动区域能够达到这个温度范围。（4）脱氧的重要性超过了控制钢中氧化物夹杂物的成分。1.1.1对切削性能的影响问题1）易切削钢有哪几种系列？2）硫系易切削钢夹杂物需要如何控制？3）硫系易切削钢夹杂物控制有哪些技术？4）不同种类、性能的夹杂物对钢切削性能的影响有何区别？1.1.2对钢的疲劳性能的影响在高强度钢和滚珠轴承钢领域研究得最多。物理性质（夹杂物类型）的影响（1）脆性夹杂（v=0）比塑性夹杂更为有害；变形指数v=1的夹杂危害最小。1.非金属夹杂物对钢性能及生产顺行的影响变形性指数低的夹杂物有两个途径诱导钢中的疲劳裂纹不能传递钢基体中存在的应力在工作条件下，在脆性夹杂的周围可达到临界应力，即在疲劳条件下，对裂纹的形成有直接成核的作用。1.1.2对钢的疲劳性能的影响1.1.2对钢的疲劳性能的影响在钢的冷热加工期间，由于夹杂物变形能力较差，在钢－夹杂物界面形成显微裂纹；工作时，这些显微裂纹成为疲劳破坏的起源。变形前后夹杂物形态示意图（2）硫化物夹杂在所有温度下都有高的变形性指数；在工作期间，钢－夹杂物界面无裂纹发展参与钢的变形，依据周围钢基体相同的方式改变其形状。钢－夹杂物界面上的结合力决不会被破坏，无形成孔洞倾向。滚珠轴承钢中的硫化物夹杂物对疲劳性能无害。（现在，材料学家认为轴承钢中硫化物夹杂也是有害的）硅酸盐夹杂物中存在硫化物相时，降低了硅酸盐对疲劳性能的有害影响。（3）氧化物夹杂氧化物夹杂一般对疲劳性能有害。不同的氧化物夹杂相之间存在着差别，而且它们的大小和位置也很重要。对疲劳性能最有害的是球形不变形钙铝酸盐夹杂和氧化铝夹杂，即变形指数v=0的夹杂。在球状钙铝酸盐周围常出现孔洞。Al2O3夹杂常常呈棱角状，锋利棱刃的夹杂都是裂纹的核。二氧化硅类型的夹杂按其中等程度的变形指数，处于不变形氧化物和塑性硫化物夹杂之间。Murray和Johnson按对疲劳性能的危害程度排列夹杂物顺序：Al2O3、SiO2、TiN、MnO有棱角的Al2O3夹杂比球形夹杂对疲劳更为有害；但也有报道球形钙铝酸盐夹杂能引起孔洞，非常危险1.1.2对钢的疲劳性能的影响大型外来氧化物夹杂尺寸较大、形状不规则、变形能力较低，常对疲劳性能有害1.1.2对钢的疲劳性能的影响轴承钢由于夹杂物在旋转弯曲中所引起的疲劳断裂，夹杂物到钢表面的距离与引起疲劳断裂的夹杂物直径间的关系夹杂物尺寸、形状和位置的影响临界尺寸临界尺寸决定于夹杂物在钢表面下的距离，如果刚好在钢表面，临界尺寸为10μ，当深入表面下约100μ时，为30μ。1.1.2对钢的疲劳性能的影响非塑性夹杂D20μm疲劳特性、残余应变性1.6~10mmΦ0.1~0.15mmΦSWRSSi-Cr钢弹簧钢非塑性夹杂D20μm冷拔断裂0.1~0.4mmΦSWRH72、82B轮胎钢丝线材T[O]15ppm，P0.005%疲劳特性、加工性SCM432、420渗碳钢T[O]10ppm,[Ti]15ppmD15μm转动疲劳特性30~65mmΦ轴承钢轴承棒材T[O]20ppm,[N]50ppmD5μm电解浸蚀时表面光洁度10mmΦ不锈钢净化管T[O]10ppm,[Ti]20ppm转动疲劳寿命50~300mmΦ轴承钢座圈材无缝管低磷化、低硫化层状撕裂10~40mmt结构高强钢抗层状撕裂钢P0.003%,S0.001%低温脆化10~40mmt9%Ni低温用钢夹杂物形态控制低硫化，S10ppm氢引起的裂纹10~40mmtX52~70级低合金钢管线钢中厚板D5μm，[N]50ppm42NiD100μm打眼加工时的裂纹0.15~0.25mmt13%Cr导架结构材D100μm,低硫化防止图像侵蚀0.1~0.2mmt低碳铝镇静钢荫罩钢[C]20ppm,[N]20ppmT[O]20ppm,D100μm超深冲，非时效性表面线状缺陷0.2~0.6mmt超低碳铝镇静钢深冲钢T[O]20ppm,D20μm飞边裂纹0.2~0.3mmt低碳铝镇静钢DI罐薄板清洁度要求产品材质特性要求代表规格钢种产品分类典型纯净钢对清洁度的要求判断一个夹杂是否成为疲劳破坏的可能根源，必须满足两个判据：„夹杂物在钢表面下一定深度的临界尺寸„实际疲劳温度下的变形性指数危险的夹杂物是尺寸大于10μ的单相Al2O3、尖晶石、钙铝酸盐。MnS夹杂的危害性最小。1.1.2对钢的疲劳性能的影响轴承钢的疲劳寿命和氧含量之间的关系1.1.2对钢的疲劳性能的影响问题1）是否所有夹杂物均对钢疲劳性能有害？2）夹杂物是如何影响钢疲劳寿命的？3）什么是临界尺寸？临界尺寸是固定值吗？4）夹杂物对钢疲劳性能的危害与夹杂物种类和性能是否有关？1.1.3热脆性（hedshortness;redshortness;hotbrittleness）钢的热脆性（红脆性）是在热成形温度范围内钢的脆断倾向。1.非金属夹杂物对钢性能及生产顺行的影响500600700800900100011001200130014000.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0ε=1∗10-3/sψ,(100%)Temperature,(°C)55CSS4001.1.3热脆性（1）钢中S引起的热脆性硫在固态铁中溶解度极小，能与铁形成低熔点（1190℃）FeS。FeS+Fe共晶体的熔点更低（989℃）。这种低熔点的共晶体一般分布在晶界上。钢进行热加工（锻造，轧制）时，加热温度常在1000℃以上，这时晶界上的FeS+Fe共晶熔化，导致热加工时钢的开裂。这种现象称为钢的“热脆”或“红脆”。1.1.3热脆性金属高温变形的主要机制：1）位错在晶粒内的滑移面上的移动2）晶界滑移或晶界上粘滞性流动热脆性，沿着有FeS的奥氏体晶界的裂纹热脆产生机理当流变进行时，在晶界处某些“锚定点”，如在夹杂物和三晶交界处，产生应力集中；1.1.3热脆性应力集中产生裂纹，它可沿着晶界传播；这种晶间破坏可由增加晶粒内位错移动的阻力和降低晶界的剪切强度而得到促进；热脆性的实质是由于FeS在钢的奥氏体晶界析出而引起的锰能防止热脆性1.1.3热脆性硫硫以两种方式析出：„γ铁晶界以FeS析出；„转变到α－Fe时，过饱和固溶体分解得到晶粒内小颗粒的FeS析出物。两种析出物的相对量取决于冷却速度。1.1.3热脆性硫晶界的FeS数量随硫含量的增加而增加。在纯铁中，当硫含量高时，在显微截面上可看到近乎连续的网状硫化物勾划出的γ铁晶界。1.1.3热脆性FeS熔点低，并在900－1200℃的温度范围内形成低熔点的共晶体。硫在纯铁中以两种方式导致热脆性：„在晶界形成的低熔点相而降低晶界剪切强度；„硫的固溶体在低温下使硫化物析出，使奥氏体强化。因此，在晶界上形成裂纹的倾向增加。1.1.3热脆性锰在铁中溶解锰，硫在γ相中的固溶极限显著降低；固溶的硫若较低，对金属晶体中位错移动产生较小的阻力。如果锰活度足够高，硫将与锰结合形成MnS析出，MnS比FeS有较高的熔点（1610℃）；晶界剪切强度的降低比FeS显著减少。防止热脆性所需的锰浓度可由经验公式：(%Mn)=12.5(%S)+0.03该公式仅对低氧含量的钢有效。氧有锰存在时，氧在一定程度上抵消锰的有益作用，因为它形成(Fe,Mn)O夹杂物而降低了奥氏体中有效的锰含量，从而助长热脆性。由于不均匀吸氧产生的大块氧化物夹杂，对产生局部热脆性非常显著1.1.3热脆性问题1）钢热脆性产生的原因？2）S、Mn、O各产生了什么作用？3）如何防止＆控制钢材的热脆性？1.1.3热脆性（2）板坯中AlN析出引起的热脆性1.1.3热脆性（3）Cu、Nb（CN）、V、Ti、B引起的热脆性钢材的热加工性能与钢中的残余铜元素含量有重要关系，钢中残余铜元素含量一旦升高，钢的锻造性能或热轧性能将严重恶化。1.2对表面光洁度的影响夹杂物的本性不很重要，但数量非常重要；数量与钢中氧含量有密切关系；为了获得高表面光洁度，必须选用能得到最低氧含量的脱氧方式。1.2.1冷轧板渣斑点观察到两种类型的外来渣斑点:一种含有Ca、Mg、Al和O，另一种含有Ca、Na、Mg、Al和O。线形缺陷出现在冷轧板卷的表面，宽度从几十个微米到1毫米，长度从0.1到1米。这种表面缺陷被认为来源于板坯靠近表面处（皮下15mm以内）捕获的非金属夹杂物。该缺陷又称条状缺陷（slivers），如果伴随有压延的气泡，则又称铅芯缺陷（pencilpipe）。1.2.2冷轧板线形缺陷1.2.2冷轧板线形缺陷铸坯厚度方向夹杂物分析取样对汽车用低碳铝镇静钢板来说，条形缺陷是致命的，不仅造成表面涂层不美观而且引起变形性能问题。从炼钢到连铸的来源方面分析冷轧板的条状缺陷（slivers）主要有三种类型：（a）