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關注創建者:匿名 創建時間:2021-12-09

非金屬夾雜物的實例教程
什么是非金屬夾雜?
鋼中非金屬夾雜物,如氧化物、硫化物、硅酸鹽、氮化物等一般都呈獨立相存在,主要是由煉鋼中的脫氧產物和鋼凝固時由于一系列物化反應所形成的各種夾雜物組成。
非金屬夾雜的影響
非金屬夾雜物的存在,破壞了鋼基體的連續性,使鋼組織的不均勻性增大。一般來說鋼中非金屬夾雜物,對鋼的性能產生不良影響,如降低鋼的塑性、韌性和疲勞性能,使鋼的冷熱加工性能乃至某些物理性能變壞等。因此評定鋼中夾雜物類別、級別對保證鋼材質量十分重要。
分類
按夾雜物的化學成分:氧化物、硫化物及氮化物。
展開 現代制造業80%以上金屬結構件的破壞是由疲勞失效引起,鑄鐵凝固產生的渣孔、氣孔和集聚晶界的低熔點微量元素,都是鑄鐵結構件中的疲勞源或斷裂點。當N含量<90ppm時,灰鑄鐵件不會產生這種氮析出氣孔。Ca、Ba、FeSi的孕育,枝晶數量減少,長度變短。硅鋯錳復合孕育劑孕育顯著增加奧氏體核心,使初生奧氏體數量增多。鑄鐵中的夾雜物、Fe3P、磷共晶和FeS 型的偏析相、石墨、滲碳體及碳化物、金屬間化合物等的韌性比基體韌性差,稱為脆性相。鑄鐵中的硫化錳夾雜物,可以通過加入稀土、鋯等元素將長條狀硫化錳球化變質,提高鑄鐵的斷裂韌度。
國外有學者將鐵液非金屬夾雜物分為三類:Ⅰ類是鐵錳氧化物、球狀硫化物;Ⅱ類是薄膜狀或鏈狀分布的硫化物;Ⅲ類是 Al2O3、棱角狀硫化物和形狀不規則的氧硫化物。薄膜狀或鏈狀分布的硫化物,降低鑄鐵的抗拉強度;棱角狀硫化物和不規則形狀的硫氧化物,是材料疲勞源和應力集中的裂紋源。
改善鑄鐵內部非金屬夾雜物的有效辦法:一是提高鑄鐵冶金質量,提高鐵液的潔凈度。二是改善鑄鐵中非金屬夾雜物的形態和分布。硅系鈣、鍶、鋇、鋯錳、稀土復合孕育劑進行球化變質處理,可以改善Ⅱ類、Ⅲ類非金屬夾雜物形態和尺寸,獲得Ⅰ類球狀氧硫化物的復合夾雜物。適量稀土能夠減少夾渣和縮松。
5 結束語
硅鋯錳復合孕育劑中鋯在鐵液中生成ZrC、Al3Zr、ZrN降低鐵液溶解氮,生成大量結晶核心,增加析出和細化奧氏體枝晶,增加石墨結晶核心促進鐵液石墨化,促進穩定獲得鐵素體基體,提高鑄鐵的強度。
鋯、鍶、鋇的碳化物和氧化物,晶格常數與石墨接近,它們與氧的親和力較弱,滯后發生氧化反應。
展開 表4 機械性能
金相檢測結果
非金屬夾雜物檢測結果見表5。由表5 可知,我方原材料質量較好,為產品良好的綜合性能奠定了基礎。晶粒度檢測結果為7.0 級,詳見圖4。
表5 非金屬夾雜物
圖4 晶粒度照片
無損檢測結果
超聲波探傷及磁粉探傷符合訂貨協議要求。
尺寸檢測結果
經過共檢,所有尺寸均符合圖紙要求。
結束語
我公司通過對冶煉過程控制、鍛造過程控制、性能熱處理過程控制,證明生產工藝合理可行。300MW 汽輪發電機轉子鍛件的成功開發,為客戶提供了合格的鍛件產品,也為我公司開發訂貨提供了技術支持。
——文章選自《鍛造與沖壓》2022年第13期
2.4.2 高溫合金粉末形貌高溫合金在氣體霧化過程中,金屬液流受到高速氣流的沖擊而解體,形成細小的熔滴。這些熔滴由于表面張力的作用,在下降過程中具有形成球體的趨勢,因而一般氣體霧化的金屬粉末以球形為主。氣體霧化粉末的球形度主要取決于金屬熔體破碎后熔滴球化時間和凝固時間的相對大小。當熔滴的球化時間比凝固時間短時,在凝固前能夠進行充分的球化,則凝固后所得粉末多為規則球形;反之則熔滴在凝固前不能進行充分的球化,凝固后將形成不規則形狀的粉末顆粒。課題組采用Ar 氣霧化制備的高溫合金粉末以球狀為主,平均球形度為0.90(圖10)。
2.5 粉末中非金屬夾雜物的控制
粉末高溫合金中非金屬夾雜物會影響合金的低周疲勞性能[32,33]。對高溫合金母合金非金屬夾雜物分析表明,母合金純凈度對粉末的非金屬夾雜物含量有影響。粉末中部分非金屬夾雜物,如Mg 和Al的氧化物等,可能來源于熔煉過程中的耐火料。本課題組采用電子束紐扣錠將粉末態和固結成形態中的粉末高溫合金中非金屬夾雜匯聚,采用同步輻射X 射線衍射(synchrotron X-ray diffraction)研究夾雜物的遺傳特性,X射線波長為0.082577 nm。結果表明,Al2O3夾雜會從粉末遺傳到塊體合金中,因此需從源頭控制該類非金屬夾雜。
圖9 氣體含量與高溫合金粉末粒度的關系
Fig.9 Relationship between gas content and superalloy powder particle size
此外,課題組針對粉末制備工藝過程的夾雜影響因素也開展了研究工作,包括霧化氣體O含量、工作真空度和霧化壓力等。
展開 微觀斷口分析
斷口微觀形貌特征基本屬于解理+準解理,位于心部的斷口上發現有碳化物的偏析區,定性分析為鉻的碳化物。該材料很脆,對裂紋的擴展很敏感。斷口上可見到許多以非金屬夾雜物或碳化物小顆粒為源形成的脆性斷裂見圖10-10。
圖10-9 從斷口上取樣位置示意圖
圖10-10以碳化物顆粒為源的脆性斷裂×350
圖10-11氫脆斷口 ×700 圖10-12沿晶和穿晶的二次裂紋 ×1050
在圖10-9,1,2,3,4位置斷口上皆見到碎條狀氫脆斷口的特征見圖10-11。在斷口上還見到較多的穿晶或沿晶的二次裂紋見圖10-12。各斷口上未發現明顯的冶金缺陷。
3. 金相組織
金相組織檢驗結果見下表及圖10-13和圖10-14。
表:金相組織
圖10-13層片珠光體+網狀碳化物(試樣2.4)x 300
圖10-14索氏體(試樣7) ×300
4.機械性能
機械性能測試結果見下表。
表:機械性能
5. 化學成分
化學成分分析結果見下表。
表:化學成分
6. 氫含量
氫含量分析結果見下表。
表:氫含量
7. 分析
此支承輥材質為70Cr3Mo,這種材質對氫脆的敏感性隨碳含量的增加而增加。鉻在4%的范圍內,對氧的敏感性隨鉻含量的增加而增加。從斷口的微觀分析中可知此輥心部很脆,裂紋敏感性很強。一點點非金屬夾雜物或碳化物顆粒都可成為脆性開裂的裂源。
從靠近心部的幾個斷口上皆發現有氫脆斷口的微觀形貌特征。從氫含量的數據看氫含量并不高,這主要是由于軋輥斷裂后仃放了一個多月才取樣,定氫試樣加工完后又沒及時分析,又經過了近一周的時間才分析,所以氫已大部分逸出。
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晶內針狀鐵素體是中溫轉變產物 , 在奧氏體晶內的非金屬夾雜物上形核、長大、晶內針狀鐵素體一般由 Ti 2 O 3 的復合夾雜物形核生成。由 Ti 系夾雜物作為形核核心生成晶內針狀鐵素體的能力大小為。另外 , 晶內針狀鐵素體也可以基于 Mg、Ca 的氧化物形核。目前 , 利用鋼中微細粒子促進晶內針狀鐵素體生成從而改善HAZ韌性已經成為氧化物冶金的一個重要研究領域。
鐵液純凈度考核:① 鐵液中非金屬及有害元素硫、磷含量;② 氣體元素氮、氫、氧含量;③ 非金屬夾雜物和微量干擾元素含量。鑄鐵含氧量過高,增加非金屬夾雜物,降低塑性、韌性和疲勞壽命。鋯的性質與稀土金屬相似,國外鋼鐵冶金企業對鋯的應用很重視。研究證明,1650℃時鋯的脫氧能力強于鋁,只需加入少量的鋯終脫氧,便可以得到含氧量極低的鋼。
2.5 粉末中非金屬夾雜物的控制
粉末高溫合金中非金屬夾雜物會影響合金的低周疲勞性能[32,33]。對高溫合金母合金非金屬夾雜物分析表明,母合金純凈度對粉末的非金屬夾雜物含量有影響。粉末中部分非金屬夾雜物,如Mg 和Al的氧化物等,可能來源于熔煉過程中的耐火料。
同時對改善非金屬夾雜物的分布也有作用。吹氮時鋼液會吸收一部分氮氣, 氮在高錳鋼中有細化晶粒、提高強度等有利作用。
鋼包吹氬。鋼包吹氬是高錳鋼爐外精煉的一個重要手段。在鋼包底部安放透氣磚向鋼液中吹入氬氣, 可以減少鋼 液中非金屬夾雜物數量, 減少鋼中氣體含量, 達到凈化鋼液、提高鋼液質量的目的。 以上這些冶煉新技術的逐步推廣應用, 會使高錳鋼的冶金質量進一步提高。
一般來說,不可逆的氫陷阱包括非金屬夾雜物[13]、析出相[14]、高角度晶界[15]和位錯核[16]。Hara等[17]和Huang等[18-19]對鋼中氫致裂紋進行微觀表征發現,非金屬夾雜物是裂紋形核的主要位置。Hejazi等[20]進一步研究指出,鋼中球狀的氧化鋁、氧化鈣夾雜和細長的硫化錳夾雜是對材料抗氫脆性能最不利的夾雜物。
4 結論
(1)針對與斷齒現象直接關聯的齒輪熱處理硬度、滲碳層深、材料成分、非金屬夾雜物、非異常磨損部位金相顯微組織等項目進行分析測量,符合設計要求。
(2)從3擋主動齒輪斷齒齒根、內孔兩端面異常磨損現象展開分析,其異常磨損部位的金相組織表明為摩擦燒傷所致。
例如片狀珠光體;馬氏體和貝氏體等非平衡組織;不均勻、網狀碳化物;非金屬夾雜物;鍛造過熱組織及流線等均可能導致或促發淬火開裂。
非金屬夾雜
非金屬夾雜物主要是熔煉或澆鑄的鋼水冷卻過程中由于成分之間或金屬與爐氣、容器之間的化學反應形成的。另外,在金屬熔煉和澆鑄時,由于耐火材料落入鋼液中,也能形成夾雜物,這種夾雜物統稱夾渣。在鍛件的橫斷面上,非金屬夾雜可以呈點狀、片狀、鏈狀或團塊狀分布。嚴重的夾雜物容易引起鍛件開裂或降低材料的使用性能。
碳化物偏析
碳化物偏析經常在含碳高的合金鋼中出現。
表4 機械性能
金相檢測結果
非金屬夾雜物檢測結果見表5。由表5 可知,我方原材料質量較好,為產品良好的綜合性能奠定了基礎。晶粒度檢測結果為7.0 級,詳見圖4。
表5 非金屬夾雜物
圖4 晶粒度照片
無損檢測結果
超聲波探傷及磁粉探傷符合訂貨協議要求。
尺寸檢測結果
經過共檢,所有尺寸均符合圖紙要求。
因此,使用“高溫熔煉”、“過濾網”、“聚渣劑”等傳統手段,只能解決鐵水表面浮渣,對于混熔或懸浮在鐵水中的各種非金屬夾雜物,事實上是處于束手無策的狀態。
基于上述認識,我們根據“鐵水凈化理論” ,結合在鑄造生產中,使用鐵神一號凈化劑的實際經驗,總結出現代鐵水凈化技術,希望達到三個目的:
一是統一思想。