鋼中非金屬夾雜物標(biāo)準(zhǔn)圖譜及評(píng)定方法
評(píng)定鋼中非金屬夾雜物是研究金屬結(jié)構(gòu)與內(nèi)在質(zhì)量的一種重要方法,尤其是非金屬夾雜物的顯微評(píng)定方法,更是各國(guó)冶金學(xué)者長(zhǎng)期研究課題。隨著顯微設(shè)備和電子金相技術(shù)的發(fā)展,用自動(dòng)圖像儀及軟件評(píng)定鋼中非金屬夾雜物的方法已經(jīng)愈來(lái)愈多地用于科學(xué)研究和生產(chǎn)檢驗(yàn)。美國(guó)金屬材料協(xié)會(huì)(ASTM)已經(jīng)制定了2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn):ASTM E1122 和ASTM E1245 。

但是,應(yīng)用光學(xué)顯微鏡測(cè)定鋼中非金屬夾雜物的標(biāo)準(zhǔn)圖譜評(píng)級(jí)方法,無(wú)論是過(guò)去還是現(xiàn)在都在被*廣泛采用。*新修訂發(fā)布的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO4967- 1998《用標(biāo)準(zhǔn)圖譜評(píng)定鋼中非金屬夾雜物的顯微方法》和美國(guó)ASTM E45 -97《鋼中非金屬夾雜物含量測(cè)定方法》對(duì)標(biāo)準(zhǔn)圖譜及評(píng)定方法都做了較大修改,較好地解決了用光學(xué)顯微鏡評(píng)定鋼中非金屬夾雜物含量存在的一系列問(wèn)題,使標(biāo)準(zhǔn)圖譜及評(píng)定方法日趨完善。

美國(guó)ASTM E45 標(biāo)準(zhǔn)的歷史*早，內(nèi)容*多，使用*廣,在國(guó)際上也影響*大。該標(biāo)準(zhǔn)于1942 年**發(fā)布時(shí),就將JK(Jernkontoret) 圖作為它的圖Ⅰ,后經(jīng)1947 年、1963 年、1976 年、1981 年、1985年、1987年、1989 年、1995 年和1997 年九次修訂,使標(biāo)準(zhǔn)日趨完善。ASTM E45 - 97內(nèi)容較全,包括宏觀檢驗(yàn)法和顯微檢驗(yàn)法。宏觀檢驗(yàn)法有酸浸低倍檢驗(yàn)、斷口檢驗(yàn)、塔形檢驗(yàn)和磁粉檢;顯微檢驗(yàn)法根據(jù)其具體檢驗(yàn)方法不同又分為A法、B 法、C 法、D 法和E 法。該標(biāo)準(zhǔn)附有圖Ⅰ- r 和圖Ⅱ兩套評(píng)級(jí)圖,圖Ⅰ- r 是原J K圖和修改的JK圖合并后制作的;圖Ⅱ是采用美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)SAE J 422a 的標(biāo)準(zhǔn)圖譜,主要用于滲碳軸承鋼。

目前,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化( ISO) 和許多國(guó)家都參照采用了ASTM E45 標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)的GB10561 - 89鋼中非金屬夾雜物顯微評(píng)定方法是等效采用ISO4967 - 79標(biāo)準(zhǔn)制定的。有關(guān)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比分析過(guò)去已做過(guò)多次介紹,本文著重對(duì)*新的ASTM E45 - 97 和ISO4967 - 1998標(biāo)準(zhǔn)的修訂情況做些介紹。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO4967 - 1998 也是參照美國(guó)ASTME45 - 97標(biāo)準(zhǔn)修訂的。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在標(biāo)準(zhǔn)適用范圍、標(biāo)準(zhǔn)圖譜及評(píng)定方法等方面作了較大地修改,具體說(shuō)明如下。

1、適用范圍
ISO4967 - 1998 和ASTM E45 - 97標(biāo)準(zhǔn)中均明確規(guī)定,該標(biāo)準(zhǔn)也是可用于評(píng)定碳化物、氮化物、碳氮化物、硼化物和金屬間化合物等。ISO4967標(biāo)準(zhǔn)還明確規(guī)定了評(píng)定方法是將這類夾雜物的形狀與標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行比較,并注明其化學(xué)特性,例如:球狀硫化物可作為D類夾雜物評(píng)定,但在試驗(yàn)報(bào)告中應(yīng)加注一個(gè)下標(biāo)表示,如:Dsulf ;DDup表示球狀復(fù)相夾雜物,如硫化鈣外包裹著氧化鋁。

2、夾雜物的分類
ASTM E45 - 97 標(biāo)準(zhǔn)仍將夾雜物按形態(tài)和分布分為四類,即A(硫化物類) 、B 類(氧化鋁類) 、C(硅酸鹽類)和D(球狀氧化物類) ;而ISO4967 - 1998 標(biāo)準(zhǔn)將夾雜物分為五類,即除上述四種外,還增加了DS(單顆粒球類)。ISO4967 - 1998 標(biāo)準(zhǔn)還對(duì)五類夾雜物的類型和形態(tài)作了如下具體描述:
A 類(硫化物類):具有高的延展性,單個(gè)灰色顆粒有較大的壓縮比(長(zhǎng)度/ 寬度) ,一般尾端呈鈍角;
B 類(氧化鋁類):大多數(shù)沒(méi)有變形,有角的,壓縮比小(一般小于3) ,黑色或黑藍(lán)的顆粒,沿軋制方向排成一行(至少有3 個(gè)顆粒)
C 類(硅酸鹽類):具有高的延展性,單個(gè)呈黑色或深灰色顆粒,壓縮比較大(一般大于或等于3) ,一般尾端呈尖角;
D 類(球狀氧化物類):不變形、角狀或圓形,壓縮比小(一般小于3) ,黑色或藍(lán)黑色,任意分布的顆粒;
DS 類(單顆粒球類):圓形或近似圓形,直徑大于或等于13μm 的單顆粒夾雜物。
此外,兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)還都增加了一個(gè)名為“St ring”的術(shù)語(yǔ)。在ASTM E45 - 97 標(biāo)準(zhǔn)中“St ring”的定義是:
一個(gè)單獨(dú)的夾雜物沿變形方向被大大地拉伸,或者三個(gè)或三個(gè)以上的B 類或C類夾雜物在一個(gè)平面內(nèi)呈直線排列,并與熱加工方向平行,彼此之間的偏離不大于15μm ,且兩個(gè)相鄰?qiáng)A雜物之間的間距小于40μm。

3、標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖譜
ASTM E45 - 97 和ISO4967 - 1998 標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖譜作了進(jìn)一步改進(jìn)。
ASTM E45 - 97 標(biāo)準(zhǔn)共有2 套評(píng)級(jí)圖,其中評(píng)級(jí)Ⅰ- r 是在J K(原評(píng)級(jí)圖Ⅰ) 和修改的J K 圖(原評(píng)級(jí)圖Ⅲ)的基礎(chǔ)上修改的。評(píng)級(jí)圖分為A、B、C、D 四類,每類分粗系和細(xì)系兩個(gè)系列,從015～3 各分為6級(jí)(015 、110 、115、210 、215 、310) ,共48 張圖片。評(píng)級(jí)圖Ⅱ是美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)(SAE) 手冊(cè)中J422“鋼中夾雜物推薦測(cè)定方法”中的SAE 評(píng)級(jí)圖,包括氧化物和硅酸鹽兩套圖片,每套各分8 級(jí)(從1～8 級(jí)) ,共16 張圖片。

ISO4967 - 1998 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖是在ASTM E45 -1997 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖Ⅰ- r基礎(chǔ)上略作修改,并增加了1套單顆粒球狀氧化物DS 評(píng)級(jí)圖,共有54 張圖片,評(píng)級(jí)圖分為A、B、C、D、DS 五類,A、B、C、D類評(píng)級(jí)圖同ASTM E45 ,DS 類評(píng)級(jí)圖分6 個(gè)級(jí)別(015 、1 、115 、2 、215 、3 級(jí)) 。

ASTM E45 - 97 和ISO4967 - 1998 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖的級(jí)別均隨夾雜物的長(zhǎng)度(A、B、D 類夾雜物) 、個(gè)數(shù)(D類夾雜物) 及直徑(DS 類夾雜物)的增加而增加。同類同系列夾雜物的厚度、直徑是相同的,與級(jí)別無(wú)關(guān);同**別的同類夾雜物,其長(zhǎng)度和個(gè)數(shù)相同,與粗系、細(xì)系無(wú)關(guān)。表1 和表2分別給出了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圖譜中對(duì)夾雜物長(zhǎng)度(或個(gè)數(shù)) 、厚度及直徑標(biāo)準(zhǔn)尺寸。

以下幾點(diǎn)需要特別說(shuō)明:
①表1 中夾雜物的*長(zhǎng)度, ISO4967 標(biāo)準(zhǔn)只給到3 級(jí),這是因?yàn)镮SO4967 標(biāo)準(zhǔn)的附錄D(標(biāo)準(zhǔn)件)中給出了夾雜物的長(zhǎng)度與級(jí)別的關(guān)系公式及曲線圖,可由夾雜物的測(cè)量值計(jì)算出夾雜物的級(jí)別數(shù),例如:A 類硫化物,長(zhǎng)度(L) 用μm表示:
lg (i) =〔0. 5605lg (L) 〕- 1. 179
也可由夾雜物的級(jí)別計(jì)算出夾雜物的長(zhǎng)度,例如:A 類硫化物,長(zhǎng)度(L) 用μm 表示:
lg (L) =〔1. 784lg (i) 〕+ 2. 104
因此,*小長(zhǎng)度大于3 級(jí)的夾雜物, ISO4967 標(biāo)準(zhǔn)是由附錄D的公式或曲線得出其級(jí)別數(shù)的。這種方法*大的優(yōu)點(diǎn)是提高了再現(xiàn)性和重復(fù)性。
②ASTM E45 標(biāo)準(zhǔn)此次修訂,對(duì)夾雜物的*小長(zhǎng)度值作了修改,015 級(jí)夾雜物的長(zhǎng)度變化*大;D類夾雜物的個(gè)數(shù)也作了修改,**別(個(gè)數(shù)多) 修改的*大。詳細(xì)情況見(jiàn)表3。據(jù)說(shuō),此次修訂是在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的合格級(jí)別的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,并盡量與自動(dòng)評(píng)級(jí)法相一致。
③由表2 可知, ISO4967 - 1998 標(biāo)準(zhǔn)中D 類夾雜物(細(xì)系) *小直徑比ASTM E45 - 97標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定值大1μm。

4、夾雜物的檢驗(yàn)
新國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO4967 - 1998 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢驗(yàn)方法仍然是A 法和B 法,兩種方法均為比較評(píng)級(jí)法,所不同的是A法為*大評(píng)級(jí)法,B 法為逐個(gè)視場(chǎng)評(píng)級(jí)法。

ASTM E45 - 97 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了5 種檢驗(yàn)方法(A法、B 法、C 法、D 法和E 法) ,除B 法為定量測(cè)定法外,其余4種均為比較評(píng)級(jí)法,而且除C 法采用SAE圖(評(píng)級(jí)圖Ⅱ) 外,A 法、D 法和E 法均采用J K 圖(評(píng)級(jí)圖Ⅰ- r) 。關(guān)于A 法、C法、C 法和D 法,以前已有很多文章介紹過(guò),在此著重對(duì)“E 法”的有關(guān)規(guī)定做些介紹。

ASTM E45 - 97 標(biāo)準(zhǔn)中的“E 法”又稱“SAE 評(píng)級(jí)法”,*早是在ASTM A295 - 84高碳耐磨軸承鋼標(biāo)準(zhǔn)中做為補(bǔ)充要求條款引用的。1987 年修訂ASTME45 標(biāo)準(zhǔn)時(shí),正式采用了SAM 評(píng)級(jí)法,作為“E法”列入了E45 標(biāo)準(zhǔn),后來(lái)在ASTM A534 - 87 耐磨用滲碳軸承鋼標(biāo)準(zhǔn)中也引用了該方法。“E 法”的特點(diǎn),一是忽略A 類和C類夾雜物,對(duì)這兩類夾雜物不做檢查??因?yàn)樵S多研究結(jié)果表明,硫化物對(duì)軸承鋼的滾動(dòng)接觸疲勞性能無(wú)明顯影響;對(duì)于C 類(硅酸鹽)夾雜物,因?yàn)椴捎眯碌囊睙捁に嚾缯婵彰摎?、爐外精煉、用鋁脫氧而不用或少用Ca - Si脫氧等,使鋼中硅酸鹽含量大大降低,幾乎很少出現(xiàn)?；谏鲜銮闆r,采用“E法”對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量不會(huì)有影響。二是對(duì)B 類和D類的細(xì)小夾雜物予以忽略。具體來(lái)說(shuō),對(duì)于115 級(jí)以下的B 類細(xì)系、110 級(jí)以下的B 類粗系和015 級(jí)以下D類粗系夾雜物不予記錄;僅對(duì)115 級(jí)以上的B 類細(xì)系,110 級(jí)以上B 類粗系和015 級(jí)以上D類粗系夾雜物進(jìn)行觀察、記錄和評(píng)級(jí)。這就大大簡(jiǎn)化了檢驗(yàn)的工作量,具有實(shí)踐意義。

值得注意的是,*新的ASTM A295 - 94 、ASTMA534 - 94 和ASTM A485 - 94 標(biāo)準(zhǔn)中仍將“E法”作為補(bǔ)充條件,都未正式列入標(biāo)準(zhǔn)正文,也沒(méi)有規(guī)定驗(yàn)收的合格級(jí)別。因此,該方法還有待于在實(shí)踐中積累數(shù)據(jù),尤其對(duì)于冶煉工藝不定型、質(zhì)量不穩(wěn)定時(shí),采用E法應(yīng)當(dāng)慎重。

5、評(píng)級(jí)原則
ISO4967 - 1998 和ASTM E45 - 97 標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)級(jí)原則大體相同,具體對(duì)比見(jiàn)表4 。
ISO4967 和ASTM E45 標(biāo)準(zhǔn)此次修訂,*大的特點(diǎn)是明確了特殊夾雜物(如:變形的硫化物、控制處理或壓縮的氧化物)也可按與其形態(tài)*接近的A、B、C、D(或DS)類夾雜物評(píng)定。同樣,硼化物、碳化物、氮化物或其它形狀相似的夾雜物也可以用本方法評(píng)定,但要求在結(jié)果表示時(shí)予以區(qū)別。

另外,ASTM E45 標(biāo)準(zhǔn)中還介紹了用“比較法”評(píng)定夾雜物的“**度與誤差”,主要意思是:
①A 法、C 法和D 法的**度受鋼中總夾雜物含量的影響。鋼中夾雜物含量愈高,評(píng)級(jí)結(jié)果的**度愈低,*嚴(yán)重級(jí)別的**度約為±2;
②一般來(lái)說(shuō),對(duì)B 類D 類夾雜物評(píng)級(jí)的**度比A 類和C類夾雜物評(píng)級(jí)的**度高,同樣,不論何種類型的夾雜物,細(xì)系評(píng)級(jí)的**度通常高于粗系評(píng)級(jí)的**度;
③能否正確辨別A 類和C 類夾雜物,對(duì)夾雜物評(píng)級(jí)的**度影響很大;
④對(duì)于夾雜物含量非常低(015 級(jí)以下) 的鋼,*好采用自動(dòng)圖像評(píng)級(jí)法(見(jiàn)ASTM E1122 和ASTME1245) 。

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