淺談鋼中非金屬夾雜物的檢驗分析

馮文博， 馮紫萱

（陜鋼集團漢中鋼鐵有限責任公司， 陜西 勉縣 724200）

非金屬夾雜物對鋼的強度、塑性、斷裂韌性、切削、疲勞、熱脆以及耐腐蝕等性能都有很大影響[1]，其影響程度取決于夾雜物成分、數量、尺寸、形狀及分布等諸多因素。因此，鋼中非金屬夾雜物的檢驗分析直接關系到材料的質量控制，尤其是對于高品質鋼材，鋼中非金屬夾雜物的檢驗分析更是被列為關鍵的技術指標之一。

鋼中夾雜物一般分為外來性夾雜物和內生性夾雜物兩種[2]，本文主要對國內鋼中內生性夾雜物的檢驗分析方法進行了研究。

1 鋼中非金屬夾雜物的低倍檢驗法

低倍檢驗法來源于GB/T 226—2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》，本標準規定了檢驗鋼的低倍組織及缺陷的熱、冷酸侵蝕和電解腐蝕法，同時根據YB/T 153—2015《優質結構鋼連鑄坯低倍組織缺陷評級圖》中對優質結構鋼連鑄坯的低倍組織缺陷形貌進行評級，可在宏觀下對連鑄坯中非金屬夾雜物缺陷形貌進行觀察分析，并作出評級。

從150 mm×150 mm的HRB400連鑄坯上截取剖面低倍試樣，經磨床磨光后采用GB/T 226—2015中推薦的1∶1（體積比）鹽酸水溶液進行電解腐蝕，經目視觀察，如圖1所示，發現在連鑄坯上邊緣存在較多的非金屬夾雜物，夾雜物級別為2.0級。

2 鋼中非金屬夾雜物的金相檢驗法

圖1 連鑄坯低倍組織宏觀相貌

鋼中非金屬夾雜物的金相檢驗法來源于GB/T 10561—2005《鋼中非金屬雜物含量的測定——標準評級圖顯微檢驗法》，此方法規定了用標準圖譜評定壓縮比大于或等于3的軋制或鍛制鋼材中的非金屬夾雜物的顯微評定方法，將所觀察的視場與標準圖譜進行對比，并分別對每類夾雜物進行評級。

GB/T 10561—2005將鋼中非金屬夾雜物分為A，B，C，D和DS五大類，其表示的夾雜物類型分別為：硫化物類、氧化鋁類、硅酸鹽類、球狀氧化物類、單顆粒球狀類。標準給出了A法和B法兩種評定夾雜物含量的方法。其中A法[3]是根據細系和粗系記下與檢驗面上最惡劣的視場相符合的標準級別數。B法又稱比較法，是將試樣的每個視場與標準圖譜比較，對于各類夾雜物，按細系和粗系記下與檢驗面相符合的標準評級圖的級別數；檢驗視場一般不小于100個，記下每個視場的數據后，計算出平均級別數m，且細系和粗系分開計算。

在Φ8 mm/65號鋼材試樣中間位置，沿著軋制方向截取縱截面試樣，經鑲嵌、磨制、拋光，在未腐蝕狀態下進行顯微觀察，發現鋼材內部存在較多顏色呈黑色，條狀的夾雜物，長度為439μm，寬度為8 μm，經分析判定為2.0級粗系硅酸鹽類夾雜物。

3 鋼中非金屬夾雜物的掃描電鏡檢驗法

圖2 非金屬夾雜物形貌

掃描電鏡檢驗法來源于GB/T 30834—2014《鋼中非金屬及雜物的評定和統計 掃描電鏡法》，利用掃描電鏡+能譜儀對鋼中非金屬夾雜物進行尺寸分布統計、化學分類及評級的程序，其推薦了3中檢驗方法：方法一主要依據形貌對夾雜物進行分類；方法二主要依據化學組成對夾雜物進行分類；方法一和二適用于壓縮比大于或等于的軋制或鍛制鋼材中2 μm以上非金屬夾雜物的顯微評定；方法三用來確定某類夾雜物的具體細節，如體積分數、數量分數等體視學參數，適用于各種鑄坯或鋼材中所有尺寸（包括2 μm以下）夾雜物的統計分類。

對Φ12.5 mm/82B鋼經過掃描電鏡的全部掃描，并對掃描出來的顆粒進行全自動夾雜物分析，并對其中19個非金屬夾雜物的形貌和成分進行了分析，如表1、2所示。

同時為了直觀明了分析鋼中非金屬夾雜物的分布、大小及種類，我們采用全自動夾雜物分析系統對鋼中夾雜物進行了三元相圖的建立，如圖3所示。

4 分析與討論

4.1 低倍檢驗法分析

低倍檢驗法實際意義上是一種宏觀檢驗法，它主要是對連鑄坯進行酸蝕試驗后，利用肉眼對連鑄坯上的低倍組織缺陷進行分類評級[4]，非金屬夾雜物在酸蝕試樣上的形貌特征是呈不同形狀和不同顏色的非金屬顆粒或非金屬夾雜腐蝕剝落后出現的凹坑，同時非金屬夾雜物產生的主要原因是夾雜物進入結晶器內未能上浮[5]，所以非金屬夾雜一般存在位置為連鑄坯的上邊緣位置處，便于檢驗者觀察分析。

低倍檢驗法的主要特點是檢驗速度快，可對每一爐連鑄坯低倍組織缺陷進行分析，對鋼中的非金屬夾雜物進行評級，快速反映連鑄坯內部質量；但也存在一定欠缺，低倍檢驗法只能對連鑄坯進行檢驗分析，同時只能反映夾雜物的數量、密集程度，不能對夾雜物的類型、尺寸、成分進行分析。

表1 非金屬夾雜物形貌分析結果

表2 非金屬夾雜物成分分析結果 %

4.2 金相檢驗法分析

圖3 非金屬夾雜物三元相圖

金相檢驗法主要是在鋼材外表面到中心的中間位置，沿著軋制方向截取面積約為200 mm2試樣，經鑲嵌、磨制、拋光后，在光學顯微鏡下進行分析，通過觀察整個拋光面，其主要特點是可以觀察分析夾雜物經過軋制變形后的形貌，并通過夾雜物的形態、顏色以及明暗場、偏振光等方式分析鋼中非金屬夾雜物[6]，判定鋼中夾雜物的類型，同時測量夾雜物的長度、寬度判定夾雜物的級別；但也有一定的局限性，此方法只能檢驗分析鋼材中的非金屬夾雜物；同時樣品必須經過一定的處理，檢驗分析時間較長；不能對復合型夾雜物的成分進行分析；只能對夾雜物的尺寸進行測定而不能對其夾雜物的數量進行檢驗分析；同時最大的局限性是測量結果只能代表所截取試樣上的夾雜物的級別，測量結果沒有代表性，即使采用大量試樣也很難再現試驗結果。

4.3 掃描電鏡法分析

掃描電鏡法是通過掃描電鏡對試樣的表面進行掃描分析，對掃描出來的顆粒通過全自動夾雜物分析系統對其形貌和成分進行分類[7]，從而對鋼中非金屬夾雜物的形貌、成分、大小、數量及分布進行統計評級，同時也可以對觀察到的鋼中的非金屬夾雜物利用能譜儀進行半定量成分分析，確定其類型。

此方法的主要特點是可以對鋼坯、鋼材中的非金屬夾雜物的成分、種類、數量、大小及分布進行分析評級，同時對于試樣制備要求較低，不需要經過特殊的處理方可進行檢驗分析；雖然此方法可對非金屬夾雜物的形貌和成分進行準確的檢驗分析，但同時也有一定欠缺，該分析方法時間較長，分析成本較高，同時對檢驗人員的技術能力要求較高。

5 結論

1）低倍檢驗法能夠快速的檢驗鋼中的非金屬夾雜物的數量及嚴重程度，及時反映連鑄坯的內部質量，便于及時調整生產工藝，提高產品質量。

2）金相檢驗法是目前最常用的非金屬夾雜物檢驗方法，能對經過軋制后的鋼材中的非金屬夾雜物的形貌、種類及尺寸作出分析，可以作為判定鋼材質量的技術標準。

3）掃描電鏡檢驗法是將形貌分析和成分分析結合起來的一種方法，可以對鋼中非金屬夾雜物的形貌、成分、種類、大小、數量及分布進行分析評級。