夾雜物變性處理(non-metallicinclusionsmodificationtreatment)

指在鋼中加入少量變性劑，改變非金屬夾雜物的結(jié)構(gòu)、組成和形態(tài)，從而改變其性質(zhì)的過(guò)程。鋼中非金屬夾雜物是不可能完全消除的，在盡量降低其在鋼中含量的同時(shí)，科學(xué)地控制夾雜物的類型、尺寸、分布和形態(tài)，盡量降低其對(duì)鋼材質(zhì)的危害就是變性處理的目的。由于鋼中夾雜物的組成、結(jié)構(gòu)等不同，在各種溫度下的塑性情況也不相同，常用相對(duì)變形率表示其差異：

v=ε₁/ε₂

式中v為相對(duì)變形率．ε₁為夾雜物的形變量;ε₂為基體的形變量。鋼中有些夾雜物呈脆性，加工時(shí)破碎成鏈狀或串狀，此為脆性?shī)A雜物，例如Al₂O₃，尖晶石型氧化物。有些夾雜物塑性很好，加工時(shí)沿加工方向延伸成長(zhǎng)條狀、片層狀，此為塑性?shī)A雜物，例如MnS，含SiO₂不高的硅酸鹽等，它們的存在成為鋼材縱、橫向機(jī)械性能差異的主要原因。有些硫化物如FeS，熔點(diǎn)很低(1170～1197℃)，可與FeO和Fe生成熔點(diǎn)更低的Fe-FeS二元共熔體(988℃)和三元共熔體(920℃)，而且分布在晶粒界上，呈網(wǎng)狀析出；鋼熱加工開始溫度為1100～1150℃，此時(shí)晶粒界上的硫化物已經(jīng)熔化，故一經(jīng)加工即開裂(熱脆)。后來(lái)用加錳的方法將FeS夾雜物改變?yōu)镸nS夾雜物，其熔點(diǎn)為1620℃，可達(dá)到消除鋼的“熱脆”現(xiàn)象，這就是早期對(duì)夾雜物變性處理的工藝。還有些夾雜物體膨脹系數(shù)與基體不同，可在夾雜物四周引起復(fù)雜的應(yīng)力場(chǎng)。例如鋁酸鹽、Al₂O₃和硅酸鹽在鋼的冷卻過(guò)程中比基體體膨脹系數(shù)小，夾雜物四周的基體承受拉應(yīng)力稱為嵌鑲應(yīng)力，使鋼的疲勞性能降低。

夾雜物變性處理能使夾雜物球化或接近球狀，這樣可使鋼材的各向異性差別減小或基本消除。鋼材中變性處理后的夾雜物消除了有尖角、銳角的一類夾雜物，減少了引起應(yīng)力集中和產(chǎn)生微裂紋的可能性，由于應(yīng)力集中引起的應(yīng)力腐蝕也隨之降低。并能改善鋼材的疲勞壽命，延長(zhǎng)切削刀具的加工壽命。而高熔點(diǎn)的夾雜物經(jīng)變性處理后則變成低熔點(diǎn)的在澆注溫度下仍為液態(tài)的夾雜物，澆鑄時(shí)不再堵塞水口，有利于連續(xù)鑄鋼的順利進(jìn)行。

常用的變性劑為鈣合金，稀土合金。工業(yè)上大多用含鈣合金(如CaSi)進(jìn)行鈣處理使夾雜物得以變性。(見(jiàn)鈣處理技術(shù))

鈣及其合金是常用的夾雜物變性處理劑。鈣合金在鋼液中熔化后，鈣與鋼液中的氧、硫夾雜物接觸起反應(yīng)，待溫度達(dá)到一定高度時(shí)鈣氣化成鈣氣泡，鈣氣泡中的Ca溶解于鋼液成為溶解[Ca]，并與鋼液中的氧及Al₂O₃夾雜物反應(yīng)；由于鋁脫氧鋼中溶解的氧并不很高，因此鈣與鋼中大量分散的Al₂O₃發(fā)生反應(yīng)并使Al₂O₃夾雜表面的CaO含量的升高，出現(xiàn)液態(tài)nCaO•mAl₂O₃層，此液態(tài)層不斷增加，最終改變了Al₂O₃夾雜的組成，成為12CaO•7Al₂O₃，或3CaO•Al₂O₃夾雜物。這兩種夾雜物在澆注溫度下由于熔點(diǎn)低都是液態(tài)的，它們?cè)谀虝r(shí)按最小界面能原理成為球狀。此球形夾雜物在鋼加工過(guò)程中不變形也不破碎仍為球狀，也即把鋼中鏈狀或串狀，多邊形帶棱角的Al：0。夾雜物改變?yōu)榍驙罨蚪咏驙畹拟}鋁酸鹽夾雜，使鋼材性能得到了改善。

另一種常用的夾雜物變性處理劑是稀土合金。稀土元素(RE)有鈰(Ce)，鑭(La)，鍇(Pr)，釹(Nd)。它們的共同特點(diǎn)是熔點(diǎn)較低、沸點(diǎn)很高、密度大且與氧、硫的親和力很強(qiáng)，純的稀土金屬很貴。工業(yè)上常用的為混合稀土如45％～51％Ce和23％～26％La等，還有稀土硅鐵，如15％～20％Ce、10％～11％La和30％～35％Si等。鋼中的Al₂O₃簇狀?yuàn)A雜物遇到RE會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)，如鋼液中加Ce：

Al₂O₃+2[Ce]=Ce₂O₃+2[Al]

實(shí)際煉鋼生產(chǎn)中加入混合稀土合金或稀土硅鐵合金后，很少形成純的稀土氧化物，大多形成稀土氧硫化物RE₂O₂S，伴隨著反應(yīng)局部區(qū)域氧的降低，生成稀土硫化物RES，故最終在鋼中形成以稀土氧硫化物為核心，稀土硫化物為外殼的夾雜物。這類夾雜物盡管熔點(diǎn)很高，但塑性不大，故不會(huì)在鋼加工過(guò)程中形成長(zhǎng)條狀或片層狀；此夾雜物也不是脆性的，不會(huì)在鋼加工時(shí)破碎呈鏈狀或串狀分布，由于表面盡量縮小，此夾雜物呈球狀或紡錘狀。熱加工時(shí)延伸較少，硬度比Al₂O₃低，故使夾雜物對(duì)鋼性能的影響得到改善。

若稀土加入量過(guò)少，氧化物、硫化物沒(méi)有完全變性；加入量過(guò)多，超過(guò)溶解量范圍，晶界上會(huì)析出金屬間稀土化合物REFe₅和REFe₂，形成熔點(diǎn)低于熱加工溫度的共熔體，產(chǎn)生“熱脆”并使鋼的機(jī)械性能惡化。一般認(rèn)為[RE]／[s]比控制在3左右，[S]／[O]比控制在10～100之間。可以使氧化物、硫化物得到變性處理。