钢中夹杂物通常是指钢中的非金属夹杂物,其产生按来源可分为内生夹杂物和外来夹杂物。内生夹杂物是钢在脱氧和凝固时产生的。由于钢的冶炼过程中脱氧产物在钢液凝固前无法完全上浮,因此内生夹杂物的产生是无法完全避免的。但是通过冶炼设备的进步和冶金工艺的优化(超低氧冶炼和夹杂物塑性化等技术) ,可以对其数量、尺寸、类型、分布等进行有效的控制。
外来夹杂物主要是来源于在冶炼或凝固过程中混入而未及时浮出的炉渣或耐火材料。因而,此类夹杂物常表现出尺寸较大、形状不规则和熔点较高的特点。尽管已有的先进冶炼技术可以有效减少这些夹杂物的数量,但无法实现高熔点大尺寸夹杂物的全部去除。
针对高熔点大尺寸夹杂物的来源,研究人员采用多种方法进行研究发现,在炼钢中近乎全程与钢液接触的耐火材料是大尺寸非金属夹杂的重要影响因素之一,而进行精炼和合金化的钢包内衬材料又是非常关键的。图1、图2分别为超低氧钢冶炼过程中LF阶段的夹杂物的组成变化和断面元素分布,其内部较高的MgO含量以及夹杂物颗粒剖面沿径向上的组成变化虽然不能肯定说MgO全部来自于耐火材料,但至少说明耐火材料在夹杂物形成过程中是起着一定作用的。因此,钢包工作衬用耐火材料的选择对于钢中夹杂物的控制就显得尤为重要。
图1: LF精炼过程钢中夹杂物组成变化
图2:LF精炼后期典型夹杂物的扫描电镜-能谱线扫描照片
非金属夹杂物对钢的性能有很重要的影响。小尺寸夹杂物对钢材性能有消极和积极两个方面的影响。消极方面表现为,分布不均匀、形状不规则、熔点较高的夹杂物往往会降低钢材的综合性能,包括延伸性能、切削性能、疲劳性能等。积极方面表现为,分布均匀、尺寸细小、球形、熔点较低(具有变形能力)的夹杂物可以在一定程度上改善钢材的性能。基于“氧化物冶金”的思想,合理控制夹杂物的尺寸可以达到对高温下晶粒长大进行钉扎和抑制的目的,从而实现晶粒细化。以无铅化易切削钢为例,当钢中的氧硫复合夹杂物的内核为mCaO·nAl2O3,外围为(Mn,Ca)S时,钢材的切削性能能够得到有效的提高。
不同于小尺寸夹杂物,大尺寸夹杂物对钢材的性能具有破坏作用。当帘线钢中非金属夹杂物尺寸大于加工钢丝直径的2%时,钢丝在冷加工过程中发生脆性断裂的几率将会明显增加。在轴承钢中,这些大尺寸的夹杂物被认为是造成钢材疲劳寿命离散度较大的主要原因。