金相缺陷对钢材质量的影响及工艺控制手段

铁打铁

金相检验又称钢的显微检验或高倍检验，是应用金相显微镜研究钢的冶炼、轧制、热处理等工艺过程对显微组织的影响。金相检验是主要评定钢材质量优劣的常规检验，主要项目包括：非金属夹杂、带状组织、碳化物液沂、脱碳层深度、奥氏体晶粒度等。本文对金相缺陷的形成机理及对钢材质量的影响进行分析，并阐述了在实际生产中如何从工艺上对这些缺陷进行控制。

一、
非金属夹杂物
非金属夹杂物依其来源可分为内在（固有）的夹杂物和外来（偶然）的夹杂物。内在（固有）夹杂物主要由于钢在液态和凝固时，其内部发生化学变化而产生的各种非金属产物或者是原来溶于钢内的非金属物质由于温度下降，溶解度减少而析出的部分，这些非金属物质在钢液凝固前未能浮出（或产生时钢液已凝固），则包含于钢内成为夹杂物，这种夹杂物体积较小，亦称为细系夹杂；钢在冶炼及浇注过程中，炉渣、耐材或其它杂物（如铁合金中附着的砂粒），夹入钢液中，在钢液凝固前未能浮出，包含于钢中成为夹杂物，这种夹杂物体积较大，亦称为粗系夹杂。
钢中常见的夹杂物有氧化物（A类）、硫化物（B类）、硅酸盐（C类）及点状不变形夹杂物（D系）。非金属夹杂物的存在，破坏了基体的连续性，对钢的机械性能有极大影响。当钢内夹杂物较多，分布又不均匀时，钢的延展性、韧性、耐腐性等都大为降低，因此夹杂物的多少是衡量钢材质量的重要指标之一。
去除钢中夹杂物，只能从其冶炼过程着手。钢水在初炼炉氧化期的时候需要一定的脱碳量来形成大量CO，大量CO气泡在钢水沸腾时，从钢液中浮出，在遇到夹杂物时，夹杂物会进入气泡中，随着气泡一起浮出钢液面进入钢渣中；虽然脱碳能起到去除夹杂物的作用，但必须避免脱碳量过多，若钢中脱碳量过多则会造成钢水的过氧化，为了脱氧则需加入大量含Al、Si的脱氧剂与钢中氧原子反应，从而产生大量Al2O3、SiO2等脱氧产物，这些脱氧产物在未能浮出钢液面的情况下，含于钢内形成氧化物；精炼（VD）和RH真空循环透气也是减少钢中夹杂物的重要手段，精炼（VD）时从炉底通入的Ar气泡相当于一个个小的真空室，能将钢中夹杂物吸入其中并带入钢液面的炉渣从，从而起到减少夹杂物的作用；RH时钢水以喷射状进行真空室中，在钢液与真空接触的过程中，由于界面张力的作用，钢中夹杂物将大量的从钢液中析出进入真空室，从而大量减少钢中夹杂物，理论上讲，真空度越高，真空室吸附夹杂物的效果越好。

二、
带状组织
带状组织跟据钢材成份的不同，大至可分为两种，一种为高碳铬轴承钢的碳化物带状；一种为低碳钢的组织带状。
1、高碳铬轴承钢中的碳化物带状是钢锭（连铸坯）浇注、凝固过程中形成的结晶偏析在热加工时延伸成碳化物的富集带。当钢锭（连铸坯）断面较大时，凝固过程缓慢，使得偏析得以发展，钢锭（连铸坯）最后凝固的区域是熔点较低的碳化物、非金属夹杂物最为集聚的区域，在以后的热加工过程中，若均匀化作用不充分，就将形成钢材中严重的带状碳化物。
严重的带状碳化物偏析所造成的碳化物颗粒粗大、分布不均匀，使得淬火组织差别较大，硬度不均匀，从而降低轴承的弹性极限、疲劳强度。使用过程中，在高的接触应力和交变载荷做用下，轴承的使用寿命将大幅降低。
在实际生产中，为减轻碳化物带状偏析，获得较好的铸态组织，我们通常采用断面较小的3t钢锭，并配以较低的浇注温度；在后续热加工过程中，通过在1280℃左右保温10小时以上并使钢锭均匀受热来促使钢中碳化物的扩散，可起到减轻带状碳化物的效果。
2、亚共析钢的组织带状是钢锭浇注凝固过程中形成的枝晶偏析，在热加工时延伸成铁素体和珠光体交替的条带。
具有组织带状的钢力学性能呈各向异性，截面收缩率低，严重的在热处理时也易产生变形，且硬度不均匀。
减轻组织带状除了控制浇注过程中钢锭的偏析、加强扩散外，还可以通过控制终轧温度来实现，较底的终轧温度有利于减轻组织带状。钢材上的组织带状很难消除，只能进行高温扩散退火后正火并高温回火来减轻。

三、
网状碳化物
碳工钢、合工钢、轴承钢等过共析钢，经热加工后，在钢材冷却过程中，由于温度降低，碳在奥氏体中的溶解度减少，沿奥氏体晶界析出网络状的过剩碳化物，称为网状碳化物。
网状碳化物会增加钢的脆性，降低轴承经受冲击时载荷的强度，还可能导致淬火开裂，形成淬火裂纹。
控制网状碳化物的形成，需要控制钢锭中原始碳化物的偏析以及热加工工艺。最常用的方法为延长钢锭高温扩散时间、控制较低的终轧（锻）温度，使得碳化物没有足够的时间充分析出，从而减轻网状碳物级别，但过低的温度使得钢材抗变应力增大，对设备不得，因此也不宜采用过底的终轧温度。一般来说通过穿水等手段保证终轧温度≤850℃，并经过退火后的钢材，网状可达到≤2.5级。


四、
碳化物液析
碳化物液析，是液相中碳及合金元素富集而产生的亚稳态莱氏体共晶，属于一次碳化物，其中的碳化物在加热时沿轧向分布，这种偏析称为液析。
液析具有高硬度和脆性，使用轴承零件在热处理时容易引起淬火裂纹，使用过程中由于碳化物液析的剥落成为磨损的起源地，使轴承耐磨性和疲劳强度降低。
液析的产生主要是由于浇注条件不良（高的过热度、过快的注速等），另外铬元素降低碳在奥氏体中最大固溶度也会有一定的影响。对于消除碳化物液析，主要通过降低浇注温度以及高温扩散的手段来解决。

五、