[科普中国]-夹杂物变性处理

定义

指在钢中加入少量变性剂，改变非金属夹杂物的结构、组成和形态，从而改变其性质的过程。钢中非金属夹杂物是不可能完全消除的，在尽量降低其在钢中含量的同时，科学地控制夹杂物的类型、尺寸、分布和形态，尽量降低其对钢材质的危害就是变性处理的目的。由于钢中夹杂物的组成、结构等不同，在各种温度下的塑性情况也不相同，常用相对变形率表示其差异：

式中v为相对变形率；ε1为夹杂物的形变量；ε2为基体的形变量。

夹杂物的性质改变钢中有些夹杂物呈脆性，加工时破碎成链状或串状，此为脆性夹杂物，例如Al2O3，尖晶石型氧化物。有些夹杂物塑性很好，加工时沿加工方向延伸成长条状、片层状，此为塑性夹杂物，例如MnS，含SiO2不高的硅酸盐等，它们的存在成为钢材纵、横向机械性能差异的主要原因。

有些硫化物如FeS，熔点很低（1170～1197℃），可与FeO和Fe生成熔点更低的Fe-FeS二元共熔体（988℃）和三元共熔体（920℃），而且分布在晶粒界上，呈网状析出；钢热加工开始温度为1100～1150℃，此时晶粒界上的硫化物已经熔化，故一经加工即开裂（热脆）。后来用加锰的方法将FeS夹杂物改变为MnS夹杂物，其熔点为1620℃，可达到消除钢的“热脆”现象，这就是早期对夹杂物变性处理的工艺。还有些夹杂物体膨胀系数与基体不同，可在夹杂物四周引起复杂的应力场。例如铝酸盐、Al2O3和硅酸盐在钢的冷却过程中比基体体膨胀系数小，夹杂物四周的基体承受拉应力称为嵌镶应力，使钢的疲劳性能降低。1

作用夹杂物变性处理能使夹杂物球化或接近球状，这样可使钢材的各向异性差别减小或基本消除。钢材中变性处理后的夹杂物消除了有尖角、锐角的一类夹杂物，减少了引起应力集中和产生微裂纹的可能性，由于应力集中引起的应力腐蚀也随之降低。并能改善钢材的疲劳寿命，延长切削刀具的加工寿命。而高熔点的夹杂物经变性处理后则变成低熔点的在浇注温度下仍为液态的夹杂物，浇铸时不再堵塞水口，有利于连续铸钢的顺利进行。

常用的变性剂钙及其合金常用的变性剂为钙合金，稀土合金。工业上大多用含钙合金（如CaSi）进行钙处理使夹杂物得以变性。

钙及其合金是常用的夹杂物变性处理剂。钙合金在钢液中熔化后，钙与钢液中的氧、硫夹杂物接触起反应，待温度达到一定高度时钙气化成钙气泡，钙气泡中的Ca溶解于钢液成为溶解[Ca]，并与钢液中的氧及Al2O3夹杂物反应；由于铝脱氧钢中溶解的氧并不很高，因此钙与钢中大量分散的Al2O3发生反应并使Al2O3夹杂表面的CaO含量的升高，出现液态nCaO·mAl2O3层，此液态层不断增加，最终改变了Al2O3夹杂的组成，成为12CaO·7Al2O3，或3CaO·Al2O3夹杂物。这两种夹杂物在浇注温度下由于熔点低都是液态的，它们在凝固时按最小界面能原理成为球状。此球形夹杂物在钢加工过程中不变形也不破碎仍为球状，也即把钢中链状或串状，多边形带棱角的Al2O3夹杂物改变为球状或接近球状的钙铝酸盐夹杂，使钢材性能得到了改善。

稀土合金另一种常用的夹杂物变性处理剂是稀土合金。稀土元素（RE）有铈（Ce），镧（La），镨（Pr），钕（Nd）。它们的共同特点是熔点较低、沸点很高、密度大且与氧、硫的亲和力很强，纯的稀土金属很贵。工业上常用的为混合稀土如45%～51%Ce和23%～26%La等，还有稀土硅铁，如15%～20%Ce、10%～11%La和30%～35%Si等。钢中的Al2O3簇状夹杂物遇到RE会发生如下反应，如钢液中加Ce：

Al2O3+2[Ce]=Ce2O3+2[Al]

实际炼钢生产中加入混合稀土合金或稀土硅铁合金后，很少形成纯的稀土氧化物，大多形成稀土氧硫化物RE2O2S，伴随着反应局部区域氧的降低，生成稀土硫化物RES，故最终在钢中形成以稀土氧硫化物为核心，稀土硫化物为外壳的夹杂物。这类夹杂物尽管熔点很高，但塑性不大，故不会在钢加工过程中形成长条状或片层状；此夹杂物也不是脆性的，不会在钢加工时破碎呈链状或串状分布，由于表面尽量缩小，此夹杂物呈球状或纺锤状。热加工时延伸较少，硬度比Al2O3低，故使夹杂物对钢性能的影响得到改善。

若稀土加入量过少，氧化物、硫化物没有完全变性；加入量过多，超过溶解量范围，晶界上会析出金属间稀土化合物REFe5和REFe2，形成熔点低于热加工温度的共熔体，产生“热脆”并使钢的机械性能恶化。一般认为[RE]/[S]比控制在3左右，[S]/[O]比控制在10～100之间。可以使氧化物、硫化物得到变性处理。