非金屬夾雜物是金屬材料中非金屬元素氧、氮、硫與金屬元素鐵、錳、鋁、鈦等組成的氧化物、氮化物、硫化物和硅酸鹽、尖晶石等復(fù)合氧化物的總稱(chēng)。

非金屬夾雜物不溶解于金屬基體，獨(dú)立地存在，分割和破壞基體金屬的連續(xù)性，降低材料的機(jī)械性能和工藝性能。在非金屬夾雜物與基體的界面間常易引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂紋源，使裂紋擴(kuò)展，大多被認(rèn)為是有害的。因此非金屬夾雜物含量和分布是評(píng)定鋼質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，是優(yōu)質(zhì)鋼和高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼，尤其是軸承鋼常規(guī)檢驗(yàn)項(xiàng)目之一。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定應(yīng)限制在一定級(jí)別范圍內(nèi)。

內(nèi)生非金屬夾雜物是Al、Si、Mn脫氧產(chǎn)物或者是鋼水冷卻凝固過(guò)程中的析出物，氧、氮、硫在冷卻中溶解度減少，造成氧化鋁、氧化硅、氮化鋁和硫化物的沉淀析出，通常較小(小于10m)。

外來(lái)非金屬夾雜物有多種情況：

(1)二次氧化產(chǎn)物是產(chǎn)生大型夾雜物最常見(jiàn)的形式，空氣是二次氧化的源泉。其特征為尺寸大，屬于復(fù)合成分及多相結(jié)構(gòu)，形狀不規(guī)則，在鋼中零星分布，數(shù)量較少。

(2)卷渣造成的外來(lái)夾雜物其形成的夾雜物尺寸在10～300m之間，含大量的CaO和MgO成分。有煉鋼爐渣、中間包覆蓋劑、結(jié)晶器保護(hù)渣。

(3)包襯耐火材料侵蝕或腐蝕造成是一類(lèi)極為常見(jiàn)的典型固態(tài)大型夾雜物的來(lái)源。有鋼包的耐火材料、中間包耐火材料(內(nèi)襯、塞頭、滑板、水口等)。

(4)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的外來(lái)夾雜物如化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生變性的氧化物等。

1、按來(lái)源分

(1)外來(lái)夾雜物——在冶煉、澆注過(guò)程中，混入鋼液并滯留其中的耐材、熔渣或兩者的反應(yīng)產(chǎn)物以及灰塵微粒等。它們的顆粒較大，外形不規(guī)則，在鋼中出現(xiàn)帶有偶然性，分布無(wú)規(guī)律。

(2)內(nèi)生夾雜物——在脫氧和凝固時(shí)生成的各種反應(yīng)物，主要是氧、硫、氮的化合物，根據(jù)形成的時(shí)間不同可分為四種：

一次夾雜物(冶煉過(guò)程中生成并滯留鋼中的脫氧產(chǎn)物、硫化物、氮化物，也稱(chēng)原生夾雜物);

二次夾雜物(出鋼和澆注過(guò)程中隨鋼液溫度的下降導(dǎo)致平衡移動(dòng)而生成的夾雜物);

三次夾雜物(鋼液在凝固過(guò)程中，因元素的溶解度下降引起平衡移動(dòng)而生成的夾雜物);

四次夾雜物(固態(tài)鋼發(fā)生相變時(shí)因溶解度發(fā)生變化而生成的夾雜物)。

從數(shù)量來(lái)說(shuō)內(nèi)生夾雜物主要是一次和三次夾雜物。相對(duì)于外來(lái)夾雜物，內(nèi)在夾雜物的分布較均勻、顆粒較細(xì)小。且形成時(shí)間越遲，顆粒越細(xì)小。

實(shí)際鋼中夾雜物有時(shí)很難分出是外來(lái)夾雜物還是內(nèi)生夾雜物，因?yàn)槠溆幸粋€(gè)相互反應(yīng)過(guò)程。

2、按組成分(化學(xué)分類(lèi)法)

主要有硫化物系、氧化物系、氮化物系。按GB/T10561-89標(biāo)準(zhǔn)分成A(硫化物)、B(氧化物)、C(硅酸鹽)、D(球狀氧化物)類(lèi)，其可分為細(xì)系、粗系。

細(xì)系的厚度分別為4μm、9μm、5μm、8μm;粗系的厚度分別為6μm、15μm、9μm、12μm。其間JK標(biāo)準(zhǔn)又分別分為1～5級(jí);ASTM標(biāo)準(zhǔn)又分別分為0.5～2.5級(jí)。

按GB/T10561-2005(ISO 4967.1998(E))標(biāo)準(zhǔn)分成A(硫化物)、B(氧化物)、C(硅酸鹽)、D(環(huán)狀氧化物)類(lèi)，其可分為細(xì)系、粗系。

細(xì)系的寬度分別為2～4μm、2～9μm、2～5μm、3～8μm;粗系的寬度分別為 4～12μm、 9～15μm、 5～12μm、 8～13μm，其間i分為0.5～3級(jí);另外DS(單顆粒球狀)類(lèi)，直徑13～76μm，i為0.5～3級(jí)。

3、按加工形變分

塑性、脆性及不變形非金屬夾雜物。

4、按夾雜物的尺寸分

宏觀夾雜物，尺寸 100m，肉眼、放大鏡可見(jiàn)。主要是外來(lái)夾雜物，鋼液的二次氧化也是大型夾雜物的主要來(lái)源。一般數(shù)量不多，但對(duì)鋼質(zhì)量影響很大。

微觀夾雜物，尺寸1～100m，顯微鏡下才見(jiàn)，也稱(chēng)顯微夾雜物。一般認(rèn)為，鋼中顯微夾雜的數(shù)量與脫氧后鋼中的溶解氧含量有很大的對(duì)應(yīng)關(guān)系，往往主要是二次和三次夾雜物。

超細(xì)微夾雜物，尺寸 1m，主要是二次和四次夾雜物。一般認(rèn)為。該類(lèi)夾雜物數(shù)量雖多，但對(duì)鋼性能的影響不大。有人也把鋼中夾雜物尺寸 1m時(shí)稱(chēng)為零夾雜。

非金屬夾雜物是金屬的內(nèi)部組織產(chǎn)生應(yīng)力集中及裂紋的根源之一，非金屬夾雜物分布在金屬的基體組織中，猶如金屬中分布了許多強(qiáng)度極低的空隙。當(dāng)受到外力作用時(shí)，隨金屬的變形流動(dòng)，這些非金屬夾雜所形成的空隙就會(huì)長(zhǎng)大、延伸而形成顯微裂紋或裂紋。因此，非金屬夾雜物對(duì)與斷裂過(guò)程有關(guān)的一系列指標(biāo)(如塑性、韌性、疲勞性能)均帶來(lái)很大影響。

1、非金屬夾雜物對(duì)鋼塑性的影響

金屬材料的斷裂過(guò)程是裂紋不斷發(fā)生、發(fā)展的過(guò)程。夾雜物作為顯微裂紋的起源，它明顯地影響著鋼的塑性指標(biāo)。其中對(duì)斷面收縮率的影響比對(duì)延伸率的影響更為顯著，另外條帶狀的塑性?shī)A雜物和點(diǎn)鏈狀的脆性?shī)A雜物使鋼的性能帶有明顯的方向性，會(huì)使鋼的橫向塑性低于縱向塑性。

2、非金屬夾雜物對(duì)鋼韌性的影響

沖擊韌性是鋼抵抗沖擊破壞的能力。金屬的韌性斷裂是隨鋼材的不斷塑性形變而逐漸發(fā)展的。大多數(shù)夾雜物與金屬的塑性、彈性有很大差別，它們無(wú)法與鋼材塑性形變同步形變，因而在它周?chē)惝a(chǎn)生越來(lái)越大的應(yīng)力集中，乃至產(chǎn)生微裂紋，最終因裂紋擴(kuò)延而導(dǎo)致鋼的斷裂。

3、非金屬夾雜物對(duì)鋼的疲勞性能的影響

金屬材料承受一定的復(fù)雜應(yīng)力或交變應(yīng)力，經(jīng)多次循環(huán)后發(fā)生破壞，這一現(xiàn)象稱(chēng)之為疲勞。疲勞過(guò)程就是鋼組織內(nèi)部的疲勞裂紋發(fā)生與傳播的過(guò)程，而疲勞裂紋首先出現(xiàn)在材料局部應(yīng)力集中的部位。因而，非金屬夾雜物作為應(yīng)力集中及做裂紋的起點(diǎn)，無(wú)疑將降低鋼的疲勞極限。

4、非金屬夾雜物對(duì)鋼熱加工性能及冷彎性能的影響

硫化物夾雜明顯降低鋼的熱加工性能，它也明顯地降低鋼的冷彎性能。

5、非金屬夾雜物對(duì)鋼的電磁性能的影響

由于非金屬夾雜物不是鐵磁性物質(zhì)，它減少了鐵磁性基體的體積;另外它在晶粒內(nèi)或晶界上使基體變形時(shí)產(chǎn)主內(nèi)應(yīng)力，使金屬基體磁性不均勻，降低了磁性。

綜上所述，非金屬夾雜物在通常情況下破壞了鋼基體組織的連續(xù)性，降低了鋼的力學(xué)性能、疲勞性能及一些理化性能。但在某些場(chǎng)合，控制鋼中不同成分、不同數(shù)量、不同形態(tài)和不同分布情況的非金屬夾雜物對(duì)鋼的某些性能卻會(huì)起到好的作用。

鐵液內(nèi)部的非金屬夾雜物降低鑄鐵的塑性、韌性、疲勞壽命和切削性能。研究者用電子探針、電鏡掃描、X射線圖像分析儀等先進(jìn)檢測(cè)手段，發(fā)現(xiàn)非金屬夾雜物的數(shù)量、形態(tài)、尺寸和分布對(duì)鑄鐵材料的失效有重大影響。

許多學(xué)者已將20世紀(jì)30年代末CESims提出的鋼液中硫化物形態(tài)分類(lèi)法用于對(duì)非金屬夾雜物的分類(lèi)。Ⅰ類(lèi)為鐵錳氧化物和球狀硫化物;Ⅱ類(lèi)為鏈狀、膜狀硫化物和簇狀、膜狀A(yù)l2O3，其削弱鑄鐵晶界結(jié)合力，嚴(yán)重影響鑄鐵的抗拉強(qiáng)度;Ⅲ類(lèi)為Al2O3、棱角狀硫化物和不規(guī)則形狀的硫氧化物，是材料的疲勞源和應(yīng)力集中的裂紋源。

減少和改善鑄鐵內(nèi)部非金屬夾雜物的有效辦法有：(1)提高鑄鐵的冶金質(zhì)量和鐵液的潔凈度;(2)改善鑄鐵中非金屬夾雜物的形態(tài)和分布。

1、提高鐵液的冶金質(zhì)量

對(duì)于沖天爐熔煉，提高沖天爐熔煉溫度是提高鐵液冶金質(zhì)量最有效的方法。鐵液溫度高使?fàn)t渣黏度低、流動(dòng)性好。強(qiáng)化爐內(nèi)焦炭燃燒，可以促進(jìn)爐渣冶金反應(yīng)向有利方向發(fā)展。流動(dòng)性好的熔渣易于收容鐵液中的夾雜物，上浮后易于與鐵液分離。但是過(guò)稀的熔渣不易與鐵液分離，當(dāng)澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)欠妥時(shí)，非常容易混入型腔內(nèi)，鑄件冷卻后表面形成白色夾渣。另外，增加爐渣的CaO含量可以降低爐渣黏度，爐渣中含Ca的硅酸鹽復(fù)合物熔點(diǎn)低、流動(dòng)性高。

熔爐內(nèi)加入SiC，能使鐵液增C、增Si，還能進(jìn)行脫氧反應(yīng)3SiC+2Fe2O3=3SiO2+4Fe+3C和C+FeO→Fe+CO↑，從而減輕銹蝕爐料的有害影響。SiC是一種硅基生核劑，熔點(diǎn)為2700℃，按SiC+Fe→FeSi+C融熔于鐵液，其生成的非平衡石墨活性很高，作為晶核失配度為零，是增加鐵液晶核的優(yōu)質(zhì)預(yù)處理劑。

2、改善鑄鐵中非金屬夾雜物的形態(tài)和分布

借用鑄鋼生產(chǎn)中采用堿土金屬或稀土金屬進(jìn)行球化變質(zhì)處理，可以改善Ⅱ類(lèi)、Ⅲ類(lèi)非金屬夾雜物形態(tài)和尺寸，獲得Ⅰ類(lèi)球狀氧硫復(fù)合夾雜物。

堿土金屬中Ca、Sr、Ba與Si的合金，可以作為非金屬夾雜物的球化變質(zhì)劑。硅鈣是鐵液良好的凈化劑，Ca與O、S親和力極強(qiáng)，在大氣中難以存放，實(shí)際生產(chǎn)中以硅鈣合金的形式應(yīng)用。硅鋇也是鐵液良好的凈化劑，硅鋇使Ⅱ類(lèi)、Ⅲ類(lèi)夾雜物改變成細(xì)小球狀?yuàn)A雜物，提高鑄件的力學(xué)性能。鑄鐵中加入硅鈣、硅鋇、硅鍶孕育劑，既可以為鐵液增加晶核，又可以改善夾雜物形態(tài)。

采用稀土元素球化變質(zhì)處理非金屬夾雜物，一可使Ⅱ類(lèi)MnS轉(zhuǎn)化為高熔點(diǎn)和熱力學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定的球狀稀土夾雜物;二可消除簇狀分布的Al2O3，并使其轉(zhuǎn)化為球狀稀土夾雜物;三可有效地排除稀土夾雜物，獲得高潔凈度鐵液。