金属材料工程毕业论文.doc

山东大学学士论文毕 业 论 文（设 计）论文（设计）题目: 优质碳素结构钢中的非金属夹杂物研究 Study of nonmetallic inclusions in the high-quality carbon structural steels学 生 姓 名 薛芳 学 院 材料科学与工程 专 业 金属材料工程 年 级 2008级 指导教师姓名 李胜利 教授 2012年 5月 23 日37山东大学学士论文摘要优质碳素结构钢中的非金属夹杂物对其质量和性能有重要影响，所以，必须控制非金属夹杂物以提高钢的质量，本文分析了45钢中非金属夹杂物的种类、数量和来源。采用的研究方法为：取45热轧圆钢磨制做金相观察，观察其中的夹杂物种类和数量，进行评级；取拉伸试样和冲击试样断口，对断口上特定区域的夹杂物进行成分分析，确定夹杂物成分及类型。研究表明，45钢中硫化物类夹杂较少，而氧化物类和硅酸盐类夹杂的含量较多，这主要是由于在炼钢和连铸过程中，脱氧不充分造成的内生夹杂和卷渣滞留及耐火材料脱落造成的外来夹杂，但不排除原材料中自带得内生夹杂。根据夹杂物来源，给出控制夹杂物的建议。关键词：45优质碳素结构钢；非金属夹杂物；评级；断口分析 ABSTRACT The nonmetallic inclusions in the steels have an important effect on their qualities and properties, so, its necessary to keep the quantities of the nonmetallic inclusions in control. This thesis is mainly to study the species composition,quantities and origins of the nonmetallic inclusions.The experiments of this study are as follows: take 45 samples from different furnaces to make metallographic test, identify the types and quantities of the nonmetallic inclusions and equal to rate; take tensile and impact fracture samples from bars after finishing treatment to observe the grain structure of fracture with Scanning Electron Microscopy, determine the species composition and types of the areas those are thought as nonmetallic inclusions and confirm the sources of them. The result shows: during the steel making and continuous casting, deoxidation is not enough and roll residue is trapped, so it will become endogenous inclusion, of course, its also including the inclusions of the raw materials aggregation, this will become exogenous nonmetallic inclusions. Then according to the sources of the nonmetallic inclusions, we will propose proper measures.Key words：45 high-quaility carbon structural steels; nonmetallic inclusions; rate; fracture analysis目录摘要IABSTRACTII目录III第一章 绪论11.1 优质碳素结构钢技术背景11.1.1 优质碳素结构钢工艺发展11.1.2 优质碳素结构钢用途21.1.3 非金属夹杂物对优质碳素结构钢性能的影响21.2 优质碳素结构钢生产工艺及夹杂物分类31.2.1优质碳素结构钢生产工艺31.2.2 可能出现夹杂物的环节51.2.3 非金属夹杂物的分类71.3 夹杂物的鉴定方法81.4 课题研究的目的及内容101.4.1 课题研究目的101.4.2 课题研究内容10第二章 实验方法及内容112.1 实验材料及设备112.2 试样制备112.2.1 金相试样的制备112.2.2 电镜试样制备122.3 实验方法132.3.1夹杂物的观察方法132.3.2 非金属夹杂物的类型判定及评级方法152.3.3 夹杂物成分分析方法16第三章 实验结果及分析173.1 典型非金属夹杂物的类型和形态173.2 非金属夹杂物的评级213.3夹杂物的成分分析及相应改进措施253.3.1 夹杂物成分分析253.3.2 夹杂物改进措施30第四章 结论32致谢33参考文献34山东大学学士论文第一章 绪论钢铁工业是原材料工业，也是基础工业。它的发展是和整体经济发展规模和速度相适应的。钢铁产品又是用途广、用度大的材料，钢铁工业和各经济部门的发展密切相关，各经济部门使用钢材的数量和品种质量是不尽相同的，因此产品结构的变化和发展将直接影响到钢铁工业的发展速度和产品结构。中国自1996年以来，连续6年钢产量超过了1亿吨。2000年我国钢铁企业的连铸比平均达到87.5，连铸坯产量已经超过了1.04亿吨；钢产量达到了1.2764亿吨，约占世界钢产量的15.40；钢材、粗钢和生铁产量连续5年居世界第一为，成为产钢大国。1随着我国经济的健康发展，钢产品的需求还将不断增加，钢铁工业的也会不断向前发展。而在钢铁中尤其以优质碳素结构钢的应用最为广泛。1.1 优质碳素结构钢技术背景1.1.1 优质碳素结构钢工艺发展上世纪90年代初开始，我国钢铁企业陆续开展了“技术改造、结构调整及产品更新换代”的优化钢铁生产流程改造，钢铁冶金工业中各种新装备、新技术不断涌现，炼钢工艺和冶炼水平都得到了长足的发展，钢的化学成分及组织控制日益精确，钢的洁净21化程度不断提高。例如，随着铁水预处理技术的逐步发展，脱硅、脱硫、脱磷技术开发成功并转入工业化生产，为转炉冶炼优质碳素结构钢钢提供低硫、磷铁水创造了条件。同时转炉顶底复合吹炼技术日益完善，使转炉吹炼优质碳素结构钢的冶金条件更加优越。更重要的是自上世纪日本发明LF钢包精炼炉以来，炉外精炼技术发展十分迅猛，大大缩短转炉冶炼时间，由于炉外精炼具有效率高、温度易控制、钢水成分控制精度高等优点，为“转炉精炼连铸”优质碳素结构钢工艺创造了很好的条件。目前，不管是电炉流程还是转炉流程，低夹杂含量、高洁净度钢材的生产和技术操作已没有理论方面的障碍，存在的最大问题是生产过程的非稳态现象，如浸入式水口破裂等，必须不断优化工艺及设备来杜绝和减少此类问题的发生。本世纪钢铁工业发展的关键在于：（1）采用新流程、新技术（超声波技术14）、新装备代替传统的全流程生产方式，达到高生产率、高效率、产品优质。（2）节约资源、能源，降低制造成本、设备成本、及劳动成本。（3）满足国民经济个部门对钢材使用性能及质量上不断提高的要求，钢中C+P+S+O+N+H总和不大于0.01。（4）保护环境、根治污染，保持生态平衡。11.1.2 优质碳素结构钢用途优质碳素结构钢用途广泛，本研究所用的45钢是优质碳素结构钢中用量最大的钢种之一，广泛应用于汽车、航空工业及机械行业。作为钢铁工业中的高附加值产品，在国民经济结构的提升过程中具有重要地位，市场需求极大。45钢属中碳优质碳结钢，具有高的强度、一定的塑性和韧性，切削加工性能良好，成本较低，适当热处理后可获得良好的综合力学性能，多用于制造各种强度要求较高，韧性中等的运动零件，如空压机、泵的活塞，蒸气透平机的叶轮，重型和通用机械中的轧制轴、连杆、蜗杆、曲轴、连杆、丝杠、齿轮、齿条、链轮、键、销子、套筒、重要螺钉和螺母等。比如，将45钢进行调质后其抗拉强度达到800MPa左右4，可满足制造受力复杂、强度要求较高、韧性中等零件的一般需要，因此在汽车、航空工业及机械制造等行业有着广泛的应用。45调质钢主要用于制造各种轴类、连杆、蜗杆、曲轴、连杆、丝杠、齿轮、齿条等承受交变载荷的零件，长期服役容易产生疲劳现象，疲劳断裂是其主要失效形式之一，而钢中存在的各种非金属夹杂物，尤其是大颗粒夹杂物，极易作为疲劳裂纹源而成为影响零件疲劳强度的重要因素。因此，严格控制冶炼工艺、全流程实施有效的缺陷控制是生产优质45钢棒材的基本保证。1.1.3 非金属夹杂物对优质碳素结构钢性能的影响洁净度对钢材的使用是非常重要的，钢材的性能决定了它们的用途和竞争能力，而性能又是由钢材化学成分和最终的微观组织决定的。包括氧化物在内的各种非金属夹杂物在很大程度上恶化了钢材的微观组织，并由此对钢材性能带来多方面的不利影响，例如，降低钢的强韧性、疲劳寿命、耐蚀性及耐磨性，影响钢材冷、热加工性能等。7近年来，随着科学技术的发展和钢材(特别是高附加值产品)市场竞争日趋激烈, 对钢材的性能要求日益严格，质量要求不断提高，国内外各大钢铁企业均在努力提高钢的洁净度, 严格控制非金属夹杂物的组成和数量，以期明显改善钢的加工和使用性能，提高产品竞争力。减少非金属夹杂物，提高钢的洁净度，生产具有最佳性能的产品，已成为本世纪钢铁生产、研究的重要发展方向。由于各类机械零件受力不同，加工各异，要求钢材必须适应切削、热压、拉拔、冲压等各种不同加工工艺的生产需要, 因此生产该钢种不但要保证化学成分合格, 还要保证其力学性能和工艺性能合格。非金属夹杂物对优质碳素结构钢的洁净度具有重要影响。夹杂物的危害性取决于其数量、形状、大小、分布以及其熔点和物理、化学的性能。夹杂物呈串状或网络状态存在时，便分割了金属基体的连续性，从而降低了塑性和强度，使钢在轧制、锻造或其他压力加工过程中，在夹杂物所处区域易形成裂纹17。当夹杂物具有低熔点(FeO与FeS共晶体熔点为985)的性质时，在热加工变形过程中，由于其熔融或软化，使钢产生热脆性而导致开裂。另外，硫化物对金属抗腐蚀性和抗磨性也有不良的影响。当钢中存在铝夹杂物(Al2O)或其他氮化物(A1N、TiN、ZrN)时，使钢的表面硬度不均匀，造成冷加工切削和研磨困难，其表面粗糙度达不到技术要求。当夹杂物分布于产品零件的表层时，会造成应力集中，早期因疲劳源会引起表层剥落或疲劳开裂。例如在选择由轴承钢制造轴承类型零件和拖拉机油泵喷射系统的柱塞副精密偶件时，要求应对非金属夹杂物进行严格的评定。当钢中夹杂物已超标时，给热处理和焊接工艺带来很大困难，例如造成化学热处理(渗碳、渗氮、碳氮共渗)渗层不均匀；在盐浴炉加热、电阻炉加热、感应加热淬火时，因夹杂物易造成应力集中而形成淬火开裂；在焊接时，将会导致焊接件的强度大大降低或开裂。1.2 优质碳素结构钢生产工艺及夹杂物分类1.2.1优质碳素结构钢生产工艺在现代化的炼钢生产流程中，转炉(电炉)炉外精炼连铸热轧1已成为钢厂技术改造的普遍模式。（1）炼钢：转炉炼钢是以铁水、废钢、铁合金为主要原料，不借助外加能源，靠铁液本身的物理热和铁液组分间化学反应产生热量而在转炉中完成炼钢过程2。转炉按耐火材料分为酸性和碱性3，按气体吹入炉内的部位有顶吹、底吹和侧吹；按气体种类为分空气转炉和氧气转炉。碱性氧气顶吹和顶底复吹转炉由于其生产速度快、产量大，单炉产量高、成本低、投资少，为目前使用最普遍的炼钢设备。转炉主要用于生产碳钢、合金钢及铜和镍的冶炼。其工艺流程是先把废钢等装入炉内，然后倒入铁水，并加入适量的造渣材料（如生石灰等）。加料后，把氧气喷枪从炉顶插入炉内，吹入氧气（纯度大于99的高压氧气流），使它直接跟高温的铁水发生氧化反应，除去杂质。用纯氧代替空气可以克服由于空气里的氮气的影响而使钢质变脆，以及氮气排出时带走热量的缺点。在除去大部分硫、磷后，当钢水的成分和温度都达到要求时，即停止吹炼，提升喷枪，准备出钢。出钢时使炉体倾斜，钢水从出钢口注入钢水包里，同时加入脱氧剂进行脱氧和调节成分。钢水合格后，可以浇成钢的铸件或钢锭，钢锭可以再轧制成各种钢材。氧气顶吹转炉在炼钢过程中会产生大量棕色烟气，它的主要成分是氧化铁尘粒和高浓度的一氧化碳气体等。因此，必须加以净化回收，综合利用，以防止污染环境。从回收设备得到的氧化铁尘粒可以用来炼钢；一氧化碳可以作化工原料或燃料；烟气带出的热量可以副产水蒸气。此外，炼钢时，生成的炉渣也可以用来做钢渣水泥，含磷量较高的炉渣，可加工成磷肥，等等。氧气顶吹转炉炼钢法具有冶炼速度快、炼出的钢种较多、质量较好，以及建厂速度快、投资少等许多优点。但在冶炼过程中都是氧化性气氛，去硫效率差，昂贵的合金元素也易被氧化而损耗，因而所炼钢种和质量就受到一定的限制。1（2） 炉外精炼：炉外精炼是将转炉、平炉或电炉中初炼过的钢液移到另一个容器中进行精炼的炼钢过程，也叫“二次炼钢”。炼钢过程因此分为初炼和精炼两步进行。A初炼：炉料在氧化性气氛的炉内进行熔化、脱磷、脱碳和主合金化。B精炼：将初炼的钢液在真空、惰性气体或还原性气氛的容器中进行脱气、脱氧、脱硫，去除夹杂物和进行成分微调等。这样将炼钢分两步进行，可提高钢的质量，缩短冶炼时间，简化工艺过程并降低生产成本。 炉外精炼31的主要手段有：渣洗：最简单的精炼手段；真空：目前应用的高质量钢的精炼手段；搅拌：最基本的精炼手段；喷吹：将反应剂直接加入熔体的手段；调温：加热是调节温度的一项常用手段。其主要的精炼工艺有：钢包精炼炉LF、氩氧脱碳法AOD、真空吹氧脱碳法VOD、真空循环脱气法RH、CAS-OB、喂线、钢包吹氩搅拌和喷粉。（3）连铸：转炉生产出来的钢水经过精炼炉精炼以后，需要将钢水铸造成不同类型、不同规格的钢坯。连铸工段就是将精炼后的钢水连续铸造成钢坯的生产工序，主要设备包括回转台、中间包，结晶器、拉矫机等。其工艺流程是将装有精炼好钢水的钢包运至回转台，回转台转动到浇注位置后，将钢水注入中间包，中间包再由水口将钢水分配到各个结晶器中去。结晶器是连铸机的核心设备之一，它使铸件成形并迅速凝固结晶。拉矫机与结晶振动装置共同作用，将结晶器内的铸件拉出，经冷却、电磁搅拌后，切割成一定长度的板坯。 （4）热轧：热轧工艺是指在旋转的轧辊间改变钢锭，钢坯形状的压力加工过程叫轧钢。轧钢的目的与其他压力加工一样，一方面是为了得到需要的形状，例如：钢板，带钢，线材以及各种型钢等；另一方面是为了改善钢的内部质量，我们常见的汽车板、桥梁钢、锅炉钢、管线钢、螺纹钢、钢筋、电工硅钢、镀锌板、镀锡板，包括火车轮都是通过轧钢工艺加工出来的。从炼钢厂送过来的连铸坯，首先是进入加热炉，然后经过初轧机反复轧制之后，进入精轧机。轧钢属于金属压力加工，说简单点，轧钢板就像压面条，经过擀面杖的多次挤压与推进，面就越擀越薄。在热轧生产线上，轧坯加热变软，被辊道送入轧机，最后轧成用户要求的尺寸。轧钢是连续的不间断的作业，钢带在辊道上运行速度快，设备自动化程度高，效率也高。以上就是45钢的生产工艺，可以看出对于优质碳素结构钢的生产工艺来说，在其生产过程中，存在很多需要精确控制的部分，尤其是在炉外精炼过程中，对夹杂物的控制可以有一个进一步的提高，以提高钢的质量，得到满足生产生活需要的高品质钢。1.2.2 可能出现夹杂物的环节根据炼钢铸钢和轧钢的过程可知，可能产生夹杂物的环节如下：1转炉出钢下渣挡渣出钢效果相对较差，出钢时带入钢包中的炉渣较多，再加上使用过的钢包有的不太干净，出钢时很多剩渣夹裹在钢水中，污染了钢水。有的炉次吹气精炼不好，直接浇注，脱氧产物及钢水中悬浮的炉渣不能充分上浮，也造成钢水的污染。2钢包、中问包包衬侵蚀物在生产过程中如果钢包包衬侵蚀物进入钢水，尤其是LF精炼炉升温时对钢包上部打结料的侵蚀严重，会造成包衬侵蚀污染钢水。大量的中间包填充料(粘土砖粉)和绝热板残块进入钢水也会造成污染，而被中间包填充料污染的钢水极易通过浸入式水口进入结晶器，所形成的夹杂物的尺寸也是最大的，对钢板性能的破坏亦最明显。另外，浇注后期涂料侵蚀透后，中间包打结料侵蚀进入钢水也造成污染。3钢水二次氧化钢水由大包到中蜘包应采用全程密封保护，但在实际使用中，上部钢流往往暴露与空气中造成二次氧化。还有浇注过程中用氧气烧高压保护箱内壁上的钢瘤等时形成的氧化物极易进入结晶器凝入坯壳。精炼炉吹氩时，如果片面追求快速降温或缩短精炼时间，会使氩气压力过高，使大包液面翻动过大，一方面造成钢水面裸露二次氧化，另一方面，液面过度翻动使表面渣层裹入钢水，污染钢水。4中间包污染浇注过程中，上下炉钢水连接时，往往由于生产组织或其它方面的原因，造成连接不好，下炉钢水不能及时再浇，中间包液面过低，上层的渣子随水口涡旋进入结晶器。中间包不干净，杂物及耐火材料碎块也污染钢水。5结晶器液面波动如果中间包塞棒开闭和拉速调整是由人工控制，结晶器有时液面波动较大，并且前一时期浸入式水口侧孔角度偏小，插入深度经常变化以改变水口渣线的位置，都加剧了结晶器液面的波动，保护渣被钢流冲至水口到侧弧板12的位置聚集，并被钢流卷入钢水中，而结晶器面上下波动最易造成铸坯弯月面处初生坯壳皮下裹渣。1.2.3 非金属夹杂物的分类夹杂物根据不同的分类标准有很多种分类方法，较典型的分类方法如下： （1）根据夹杂物来源分：a.内生夹杂物：内生夹杂物是指钢在冶炼、浇铸和冷凝的过程中，由于内部各种物质成分之间，或钢与炉中的气氛、容器等接触而引起的化学反应所生成的产物，或钢液在冷凝温度下降时，因溶解度减小等因素而析出的颗粒物质，包括一次脱氧产物和二次脱氧产物9。这些夹杂物大部分都在钢液凝固前浮出，但是还有极少部分仍残留在钢中。另外，在高温时溶解入钢中的物质，随着温度的降低，其溶解度减小。这些从钢中分离出来所形成的产物，都称为内生夹杂物；b.外来夹杂物：又称外在夹杂物或偶然夹杂物。它是由于在冶炼、浇铸生产过程中，从设备或容器上剥落下来而掺入钢液中的杂质，如炉渣卷入和耐火材料熔损卷入7等。另外，有时因冶炼操作的疏忽使耐火砖产生裂纹，受热冲击而脱落下来，与其他各类氧化物形成的产物，称为外来夹杂物；c.还有一些夹杂物是外来和内生相结合形成的。5 图1-1 夹杂物按来源的分类（2）按夹杂物的尺寸分：a.超显微夹杂物（尺寸小于1m的夹杂物）：b.显微夹杂物（尺寸为150m的夹杂物）c.大型夹杂物（尺寸大于1m的夹杂物）。6（3）按夹杂物的组成：a.氧化物18，简单氧化物有FeO、Fe2O3、MnO、SiO2、Al2O3、MgO、Cu2O等。在铸钢中，当用硅铁或铝进行脱氧时，SiO2和Al2O3夹杂比较常见。Al2O3在钢中常常以球形聚集呈葡萄状。在铝、镁合金中，夹杂主要是Al2O3和MgO。30复杂氧化物，包括尖晶石类夹杂物和各种钙的铝酸盐等。硅酸盐夹杂也属于复杂氧化物夹杂。这类夹杂物有2FeOSiO2(铁硅酸盐)、2MnOSiO2(锰硅酸盐)、CaOSiO2(钙硅酸盐)等。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；b.硫化物，如FeS、MnS、（MnSFeS）主要是在钢及铁中产生的FeS、MnS、CaS等。由于低熔点的FeS易形成“热脆”，所以一般均要求钢中要含有一定量的Mn，使S与Mn形成熔点较高的MnS而消除FeS的危害。因此钢中硫化物夹杂主要是MnS，在铸坯中心线附近易出现硫化物等夹杂物的富集区域20；d.氮化物13，当钢中加入与氮亲和力较大的元素时形成AIN、TiN、ZrN、VN等氮化物。在出钢,浇铸过程中钢流与空气接触,空气中的氮在钢中溶解使氮化物的数量显著增加。 （4）此外，根据非金属夹杂物在材料热加工温度下相对变形程度的不同：a.脆性夹杂物，如Al2O3、Cr2O3、ZrO、FeO-Al2O3、MgOAl2O3、CaO6 Al2O3、TIN、Ti(CN)；b.塑性夹杂物，MnS、(Fe-Mn)S，c.半塑性变形夹杂物，如各种复合的铝硅酸盐类夹杂。1.3 夹杂物的鉴定方法鉴定夹杂物的方法有：金相法、岩相法、X射线粉末衍射法以及采用电子探针、透射电镜、扫描电镜等技术对夹杂物作定性鉴定和夹杂物定量分析8，此外，还可用电解分离与化学分析方法。下面将具体讲述典型的几类方法。（1） 金相法是有国家标准评级图，用于轧材或铸坯中夹杂物评级。此法稍后会详细述及。10这种方法广泛用于对给定用途钢适应性的评估。但是，由于受实验人员的影响，即使采用大量试样也很难再现试验结果，因此，使用本方法时应十分慎重。 （2）硫印法是在炼钢厂，每个浇次按规定在线切取铸坯横断面试样，按国家标准(GB4236-84)做硫印检验。根据硫印图所提供的信息，及时反馈来调整工艺参数和设备的点检。利用硫印图来评估钢中夹杂物用硫印法评定钢中宏观夹杂物的原理是：连铸坯存在A12O3、MnOSiO2、CaOA12O3以及复合氧化物夹杂物表面都富集一层硫化物，用硫印法在相纸上可显示出黑色的不同形态和斑点，即可判定为宏观夹杂物。6（3）X光透射法是利用射线通过金属时被不同程度的吸收从而在底片上感光不同来检查钢中夹杂物。采用X光透射法可以大面积大批量检查，发现钢中大型夹杂物数量和夹杂物分布。然后锁定夹杂物再进行分析。但X射线法效果与X线硬度、透射时间、焦距、底片质量、试样厚度和加工质量等是相关的。8（4）电解法是从铡中分离夹杂物的一个重要方法。过去常用在硫酸盐溶液中电解，得到夹杂物和阳级泥，用酸把碳化物溶解，然后用化学方法分析夹杂物成分SiO2、CaO、A12O3、MnO、Fe2O3及MgO等。现在还有小样水溶液电解23。归纳一下，夹杂物鉴定技术，可分为两类。（1）第一类是在位鉴定检查。在位鉴定检查是在夹杂物和钢的基体不分离的情况下进行检查，它可分为宏观在位检查和微观在位检查。宏观在位检查有：低倍酸浸、硫印、X光透射、超声波检查等。这些方法可以确定夹杂物（或缺陷）在钢材或工件中的位置、尺寸和分布。根据这些检查的结果可以评价工艺因素对钢清洁度的影响，可以发现肉眼难于发现的夹杂物缺陷，避免继续加工或投入使用，造成不应有的损害和损失。但是宏观在位检查往往不能确定夹杂物的类型和组成。微观在位检查弥补了这方面的不足。微观在位检查是用显微镜鉴定钢中的缺陷或夹杂物。显微镜鉴定法已有很长的历史，用显微镜可检查夹杂物的光学特征，如透明度、色泽、偏光效应、耐磨性和耐侵蚀性等。人们根据这些特征来推断夹杂物的类型和组成。但是，由于它不是直接分析，即使是有经验的内行也难免有时误判。近些年来随着X光显微镜分析技术的发展，使微观在位分析产生了飞跃。只要镜下观察到的夹杂物，就比较容易确定其元素组成，根据元素组成又可推断夹杂物的矿物结构。（2）另一类鉴定方法是移位检查鉴定。在位检查鉴定有很多优点，生产上应用很广，但在位鉴定不能确定夹杂物的平均组成。夹杂物的移位鉴定弥补了这方面的不足。常用的移位分析法有酸法、卤素法、电解法等，其中尤其是以电解法最为安全方便，便于分析夹杂物类型、粒度和组成。移位鉴定分析可以避免基体对分析的干扰；但处理不当时，会损害夹杂物形貌。1.4 课题研究的目的及内容1.4.1 课题研究目的本研究旨在探究45优质碳结钢在生产过程中非金属夹杂物的来源和种类，并提出相应的解决措施以减少钢中非金属夹杂物，为生产实践提供指导，提高钢的洁净度以获得具有高质量的钢材，满足生产生活需要。1.4.2 课题研究内容本研究的主要内容是从工厂生产的45优质热轧圆钢上获取样品，通过磨制、抛光及拉伸和冲击处理后，分别进行金相显微镜和扫描电镜观察。其中利用金相显微镜根据国标进行夹杂物的种类、成分和数量的确定，即进行评级。由于运用金相显微镜观察确定夹杂物种类存在一定的偏差（设备和人为的），因此，通过扫描电镜观察拉伸和冲击试样的断口来进一步确定可能存在的夹杂物。在用扫描电镜确定夹杂物后，用能谱仪进行成分测定，确定夹杂物的具体成分，以得到夹杂物的确定种类，由夹杂物的种类进而推测夹杂物的可能来源，进而对优质碳素结构钢的生产工艺过程加以控制以减少夹杂物，获得高质量的优质碳素结构钢。 第二章 实验方法及内容2.1 实验材料及设备本实验所用的材料是来自某钢铁集团的优质碳素结构钢(45优质碳素热轧圆钢)，直径分别为65mm、70mm、75mm、80mm、85mm、90mm、95mm、100mm、110mm。该钢铁集团的45号优质碳素热轧圆钢的成分如下：表2-1 45优质碳素结构钢成分化学成分CSiMnSPCrNiCu%0.420.500.170.300.500.70=0.030=0.030=0.25=0.30=0.25实验设备有：线切割机、砂轮机、不同型号砂纸、抛光机 蔡司金相显微镜 JSM-6610LA扫描电子显微镜 JED-2200能谱仪。2.2 试样制备2.2.1 金相试样的制备夹杂物的形态在很大程度上取决于钢材压缩变形程度，因此，只有在经过相似程度变形的试样坯制备的截面上才可能进行测量结果的比较。国家标准GB/T 105612005/ISO 4967:1998(E)钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法详细规定了非金属夹杂物检测试样的取样方法。用于测量夹杂物含量试样的抛光面面积应约为200mm2（20mm*10mm），并平行于钢材纵轴，位于钢材外表面到中心的中间位置。对于棒材，国标规定的取样方法如下：直径或边长大于40mm的钢棒或钢坯：检验面为钢材外表面到中心的中间位置的部分径向截面。本实验的试样分别取自65mm、70mm、75mm、80mm、85mm、90mm、95mm、100mm、110mm直径的钢棒，直径均大于40mm，因此其检验面为钢材外表面到中心的中间位置的部分径向截面。用线切割机按图2-1所示，在外表面到中心的中间位置部分径向截面切取面积大约为200mm2的面积。 抛光面图2-1 抛光面的取样方法 试样制备的好坏，直接影响夹杂物的鉴别工作，如果利用普通金相试样的制备方法，可能引起大量的夹杂物剥落，或造成严重的“拖尾”现象和相界不清，对于准确地观察夹杂物的分布、大小和形状均受到很大的干扰。试样表面粗糙，能使各向异性夹杂物的各向异性效应变弱，其至于造成判断上的错误，因此用于鉴别夹杂物观察的试样，必须精心制备，使其具有较高的表面光洁度，并且夹杂物的相界轮廓清晰，绝大多数夹杂物尚未剥落，没有“拖尾”现象存在。只有制备出这样的金相试样，才能准确地测定夹杂物的光学性质。2.2.2 电镜试样制备扫描电镜所要观察的试样是冲击试样，因此，在工厂取得经冲击实验冲断后的试样，迅速用胶将断口密封，备用。后续步骤：在线切割机上将冲击标准试样的断口切下，切取长度为10mm。将切下的试样用机油进行清洗，洗去表面油污。在超声波清洗机中对断口试样用丙酮进行清洗。将用丙酮清洗过的试样用酒精清洗，然后用电吹风机吹干，装入试样袋备用。2.3 实验方法2.3.1夹杂物的观察方法按照国标规定，实际检测方法有A法和B法。A法是检验整个抛光面，对于每一类夹杂物按细系和粗系记下与所检验面上最恶劣视场相符合的标准图片的级别数。B法是检验整个抛光面，将试样每一视场同标准图片相对比，每类夹杂物按细系和粗系记下与检验视场相符合的标准图片的级别数（标准图片旁边所示的级别数）。在本实验中，为了解并辨别非金属夹杂物的形态和种类，在蔡司金相显微镜下观察磨制抛光好的试样，根据国标（钢中夹杂物的标准采用GB/T 10561-2005/ISO 4967:1998(E)钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法。）规定按照其形态初步确定它们的种类。本标准规定了用标准图谱评定压缩比大于或等于3的轧制或锻制钢材中的非金属夹杂物的纤维评定方法。附：根据夹杂物的形态和分布，标准图谱为A、B、C、D和DS五大类。A类（硫化物类）：具有高的延展性，有较宽范围形态比（长度宽度）的单个灰色夹杂物，一般端部呈圆角；（如图2-2所示，其中左边为标准图谱中硫化物形态，右边为金相显微镜下形态。） 图2-2硫化物类B类（氧化铝类）：大多数没有变形，带角的，形态比小（一般），黑色或带蓝色的颗粒，沿轧制方向排成一行（至少有三个颗粒）；（如图2-3所示，左边的图是标准图谱中氧化铝形状，右边为实物夹杂。） 图2-3 氧化铝类C类（硅酸盐类）：具有高的延展性，有较宽范围形态比（一般）的单个呈黑色或深灰色夹杂物，一般端部呈锐角；（如图2-4所示左边为标准图谱中硅酸盐形态，右边为实物夹杂） 图2-4 硅酸盐类D类（球状氧化物类）：不变形，带角或圆形，形态比小（一般3）黑色或带蓝色的，无规则分布的颗粒；（如图2-5所示为标准图谱中球状氧化物的形态） 图2-5 球状氧化物类 DS类（单颗粒球状类）：圆形或近似圆形，直径13um的单颗粒夹杂物。（如图2-6所示，下图为标准图谱中单颗粒球状类夹杂物夹杂物形态） 图2-6 单颗粒球状类2.3.2 非金属夹杂物的类型判定及评级方法进行夹杂物评级时，操作过程如下：对于某试样A，置于金相显微镜下，选取没有划痕的清晰视场，拍照，按国标规定进行夹杂物的评级，记录，然后移动试样，换到另一视野下，选取没有划痕的清晰位置拍照，按国标进行夹杂物评级，像这样，对同一块试样进行评级5次，然后取5次试样评级的平均值，得到该试样的夹杂物评级。将所观察到的视场与标准图谱进行对比，并分别对每类夹杂物进行评级。当采用图像分析法时，各视场应按国家标准给出的关系曲线评定。评级图片相当于100倍下纵向抛光平面上面积为0.50 mm2的正方形视场。每类夹杂物有根据非金属夹杂物颗粒宽度的不同而分成两个系列，每个系列由表示夹杂物含量递增的六级图片组成。评级图片级别i从0.5级到3级，这些级别随着夹杂物的长度或串（条）状夹杂物的长度（A，B，C类），或夹杂物的数量（D类），或夹杂物的直径（DS类）的增加而递增。表2-2 评级界限（最小值）评级图级别夹杂物类别A总长度B总长度C总长度D数量个DS直径0.5371718113112777764191.5261184176927243634332016382.564055551025533898 （1181）822（1147）746（1029）36（48）76（107）注：以上、和类夹杂物的总长度是按附录给出的公式计算的，并取最近的整数。2.3.3 夹杂物成分分析方法带能谱仪的扫描电子显微镜，既可以观察又可以进行成分的定性、定量分析。分析方法具体包括点分析、线分析和面分析27，从而可以得到样品中不同元素的含量。本实验中所采用的是点分析，将电子束打到某一点分析其成分。在本实验中所用的样品材料为45钢，因此不必作导电处理，可直接进行观察。将一组试样固定在样品台上，逐次对试样进行断口分析，在得到的断口分析图像中选择感兴趣的区域运用能谱仪进行成分分析，得到相应区域的成分组成。第三章 实验结果及分析3.1 典型非金属夹杂物的类型和形态 运用金相显微镜观察分析得到的夹杂物如下：（1） A类夹杂物：硫化物图3-1硫化物夹杂图3-1显示了45钢中的硫化物，四幅图中的硫化物夹杂沿轧制方向拉长成纺锤状或条状，颜色为浅灰色。这符合国标中的A类夹杂物的形态特点：具有高的延展性，有较宽范围形态比（长度/宽度）的单个灰色夹杂物，一般端部呈圆角。对于A类夹杂物来说，参照45钢的生产流程，知钢中的硫化物夹杂属于内生夹杂物，颗粒较细小，沿晶界分布。硫化物在高温下有一定塑性，变形后沿轧制方向拉长呈纺锤状，钢中硫一般是作为硫化锰析出的，故在照片中颜色为浅灰色。硫在固态用中的溶解度比在钢水中要小得多。凝固过程中硫在剩余钢水平富集，从而生成硫化物，因此硫化物夹杂多存在于枝晶间区域的正偏析区。由于电炉工艺和转炉工艺流程粗炼钢水均要经过LF炉精炼，硫含量控制有保证。因此，硫化物的含量不是很高。（2）B类夹杂物：氧化铝图3-2氧化铝类夹杂图3-2所示的是45钢中的氧化铝类夹杂物，其具备氧化铝类夹杂物的特征：大多数没有变形，带角的，形态比小（一般3）,黑色或带蓝色颗粒，沿轧制方向排成一行（至少有3个颗粒）。a、b和c图中的氧化铝类夹杂物沿轧制方向是球形聚集呈颗粒状成串分布，成分以氧化铝为主，是源于脱氧产物的内生夹杂物，分布较为均匀且数量较多。d图中的氧化物夹杂是熔炼过程中与外界物质接触发生作用产生的外来粗夹杂，其特征是外形不规则，尺寸比较大，分布也没有规律。本实验中电炉和转炉工艺流程生产的45钢中都有氧化物夹杂，而且既有内生夹杂物也有外来夹杂物，其数量、类型、尺寸和分布也大致相同。根据所研究的45钢的生产工艺，其特炼采用硅、锰、钙脱氧，而不是传统的用铝脱氧，因此其来源可判断为铝碳质浸入式水口和结晶器保护渣。（3）C类夹杂物：硅酸盐类图3-3 硅酸盐类夹杂物图3-3所示的是45钢中的硅酸盐类夹杂物，因为图中的夹杂物符合硅酸盐的特点：具有高的延展性，有较宽范围形态比（一般3）的单个呈黑色或深灰色夹杂物，一般端部呈锐角。四幅图中的硅酸盐夹杂物沿轧制方向拉长成条状，颜色为深灰黑色。注意区别硫化物类夹杂物和硅酸盐类夹杂物，一般来说硫化物类夹杂物颜色较浅，端部成圆角，而硅酸盐类夹杂物颜色较深，端部成尖角。根据所研究45钢的生产工艺，硅酸盐夹杂一般是由耐火材料、炉渣等在冶金、出钢、浇注过程中进入钢液中来不及上浮而滞留在钢中的外来夹杂物，一般尺寸比较大，外形不规则，分布无规律。具体来说，它们是由造渣不良和软吹氩时间不足产生的脱氧产物形成的，其中脱氧不良是钢水溶解氧含量超标，在结晶过程形成氧化物，如转炉脱氧剂加入量不足、二次精炼硅钙线加入量未按工艺要求执行；软吹氩时间不足是指工艺要求软吹氩5min，在实际生产中软吹氩时间低于5min，有些炉次没有软吹，加完硅钙线直接出钢，甚至个别炉次不加硅钙线直接出钢。（4）D类夹杂物：球状氧化物图3-4球状氧化物类夹杂物图3-4所示的是45钢中的球状氧化物类夹杂物，之所以这样判断是因为照片中夹杂物满足如下特征：不变形，带角或圆形的，形态比小（一般3），黑色或带蓝色的，无规则分布的颗粒。由四幅图可以看出，球状氧化物类夹杂物成弥散分布，数量较多且分布均匀。根据45钢的生产工艺流程判断，其来源可能是一是脱氧产物未及时脱除或保护浇注不到位导致的二次氧化产物，主要为SiO2、MnO等。二是外来夹杂物（耐火材料或保护渣），主要成分为MgO、CaO等。具体来说，裸露的钢液被大气氧化或被其它材料氧化生成的二次氧化产物，原因主要是大包吹氩长水口加持不正、浸入式水口加持时不正以及吹氧扩大渣口等造成大包和中间包钢水裸露，即连铸保护浇铸不到位；此外，中间包渣层太厚，容易挂钢，在浇铸过程中大包钢流周围渣口逐渐缩小，需吹氧扩大渣口，容易造成中间包钢水二次氧化。（5） DS类夹杂物：单颗粒球状夹杂物图3-5单颗粒球类夹杂物及其引起的边裂图3-5所示的是45钢中的单颗粒球类夹杂物及其引起的边裂，从a图中可以看出夹杂物带已达到459.38m，其中最大的DS单颗粒球状夹杂物尺寸达到52.43m，b图所示的是由此夹杂物带引起的边裂。按照国标规定，单颗粒夹杂物应满足以下条件：圆形或近似圆形，直径13m的单颗粒夹杂物。因此，图中所示的是单颗粒球状夹杂物，这类夹杂物呈离散分布，不均匀。根据45钢的生产工艺，推断DS类夹杂物一般有可能是在脱氧过程中聚集形成的大颗粒夹杂物，也有可能是在连铸过程中，卷渣形成的夹杂物。从本土的例子可以看出，其应该是在炼钢过程中卷渣形成的大颗粒夹杂物。3.2 非金属夹杂物的评级 通过对从直径分别为65mm、70mm、75mm、80mm、85mm、90mm、95mm、100mm、110mm的钢棒上取的一系列的试样评级，得到如下的评级数据：表3-1 样品夹杂物评级圆钢直径 夹杂物类型评级ABCDDS6510.5 0.5 1.5 2.0 0.5 2 0.5 0.5 1.5 3.5 0.5 30.5 0.5 1.0 1.5 0.5 4 0.5 0.5 1.5 3.0 0.5 5 1.0 1.0 0.5 2.5 0.5 6 0.5 1.0 2.5 4.0 0.5 7 0.5 0.5 0.5 1.5 0.5 8 0.5 0.5 2.0 3.0 0.5 9 0.5 0.5 2.5 4.0 0.5 100.5 0.5 1.5 3.0 0.5 7010.5 0.5 2.5 3.5 0.5 20.5 0.5 1.5 2.5 0.5 30.5 1.0 2.0 4.0 0.5 40.5 0.5 1.5 1.5 0.5 50.5 0.5 2.0 3.0 0.5 60.5 0.5 1.5 2.5 0.5 71.0 0.5 1.5 2.5 0.5 80.5 0.5 0.5 2.0 0.5 90.5 1.0 2.0 3.5 0.5100.5 0.5 2.5 2.5 0.5 7510.5 1.0 1.0 2.5 0.5 21.0 1.0 2.0 3.0 0.5 30.5 0.5 1.5 3.5 0.5 40.5 0.5 1.0 2.0 0.5 50.5 1.0 1.5 3.0 0.5 60.5 1.0 1.0 2.5 0.5 71.5 1.0 1.5 3.5 0.5 80.5 0.5 1.0 2.5 0.5 91.0 1.0 2.5 3.0 0.5 100.5 0.5 1.5 2.0 0.5 8010.5 0.5 1.0 1.5 0.5 20.5 1.0 1.5 2.5 0.5 30