大型鍛件非金屬夾雜物評定方法分析

康 繼

(中國一重鑄鍛鋼事業(yè)部，黑龍江161042)

大型鍛件通常指需用10 MN或更大噸位水壓機(jī)生產(chǎn)的鍛件，它們大多數(shù)是國民經(jīng)濟(jì)與國防建設(shè)所需的各種大型關(guān)鍵設(shè)備的主要基礎(chǔ)零部件，而非金屬夾雜物作為獨(dú)立相存在鋼中，破壞了鋼基體的連續(xù)性，使鋼組織的不均勻性增大，對鋼性能產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。因此正確評定大型鍛件中非金屬夾雜物的含量、玷污度以及類型，為滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求或改進(jìn)生產(chǎn)工藝提供可靠依據(jù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1、2]。常用的非金屬夾雜物評定的方法可分為宏觀評定法和微觀評定法。

1 宏觀評定法

大型鍛件非金屬夾雜物的宏觀評定法是利用肉眼或借助于10倍以下的放大鏡對金屬的表面、縱斷面、橫斷面、斷口上的非金屬夾雜物進(jìn)行檢查的一種方法。大型鍛件具有尺寸大、重量大，非金屬夾雜物不均勻性嚴(yán)重的特點(diǎn)，而宏觀評定法具有試樣面積大、視域?qū)挕⒎秶鷱V、檢驗(yàn)方法和操作技術(shù)以及檢驗(yàn)設(shè)備簡單等特點(diǎn)，能較快、較全面地反映出材料或產(chǎn)品的品質(zhì)，因此在工廠中得到了廣泛的應(yīng)用。它包括低倍酸蝕檢驗(yàn)法、斷口檢驗(yàn)法、塔形試驗(yàn)法和磁粉檢驗(yàn)法等。各種宏觀方法在使用上各有側(cè)重面，它們可以單獨(dú)采用，在許多情況下也可以同時(shí)并用，相互補(bǔ)充，以達(dá)到準(zhǔn)確測試的目的。但宏觀評定法不能分辨夾雜物的類型，不適用于檢測小球狀夾雜物或很小(小于0.40 mm)的被拉長的鏈狀夾雜物。按照鍛件類型和性能要求，可將宏觀法和顯微法結(jié)合起來，以更加全面準(zhǔn)確地評定鍛件中非金屬夾雜物的分布情況。

1.1 低倍酸蝕檢驗(yàn)法

低倍酸蝕法是利用合適的酸液浸蝕金屬的磨光表面，顯示夾雜物的外形、大小、分布與數(shù)量的評定方法，其特點(diǎn)是只能顯示大塊氧化物夾雜(硫化物夾雜容易被腐蝕而成為麻點(diǎn))情況并且非常直觀。當(dāng)酸蝕后的夾雜物顯示效果足夠清晰時(shí)，還可利用網(wǎng)格法測定夾雜物的面積百分?jǐn)?shù)。當(dāng)檢驗(yàn)區(qū)域位于工件表面時(shí)，該法無需取樣即可直接檢驗(yàn)評定。

低倍酸蝕法評定大型鍛件中非金屬夾雜物的國家標(biāo)準(zhǔn)可參見GB/T1979《結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評級圖》，評定時(shí)以目視可見為限，為確定其類別，允許使用不大于10倍的放大鏡，根據(jù)其輕重程度按照評定原則與評級圖進(jìn)行比較而評級。但該標(biāo)準(zhǔn)對非金屬夾雜物(肉眼可見的)只列典型圖片1張，只能定性無法定量評定，且評定時(shí)要注意有時(shí)出現(xiàn)許多空隙或空洞，如目視這些空洞未發(fā)現(xiàn)夾雜物或夾渣，應(yīng)不評為非金屬夾雜物或夾渣，而對質(zhì)量要求較高的鋼種(指有高倍非金屬夾雜物合格級別規(guī)定者)，建議進(jìn)行高倍補(bǔ)充檢驗(yàn)。常用的國際標(biāo)準(zhǔn)則可參見ASTM E45—2005《鋼中非金屬夾雜物含量測定方法》5.1.1部分，ASTM E381—2001《鋼棒、鋼坯、鋼錠和鍛件的宏觀試驗(yàn)法》及ASTM A604—2007《自耗電極重熔的鋼棒和鋼坯宏觀浸蝕檢驗(yàn)方法》等。

1.2 斷口檢驗(yàn)法

斷口檢驗(yàn)法是通過肉眼或放大鏡(10倍以下)來檢驗(yàn)取自大型鍛件規(guī)定位置的一定厚度的試片縱向斷口上非金屬夾雜物長度及分布的方法。該法多用于硬度可達(dá)60HRC以及斷口晶粒度可達(dá)7級或更細(xì)的鍛件。由于外來非金屬夾雜有灰白、淺黃等各種顏色，所以斷口上條帶的顏色是多樣化的。有時(shí)，由于夾雜細(xì)小，難以分辨，則可將斷口在空氣中加熱至300℃左右，進(jìn)行藍(lán)化處理。如果條帶是金屬，則基體和條帶同時(shí)變藍(lán)，呈藍(lán)色。如果是夾雜，則條帶保持顏色不變，僅基底部分變藍(lán)色。該處理對于斷續(xù)狀氧化物夾雜的作用尤為明顯。該法與酸蝕檢驗(yàn)法可以同時(shí)并用，相互補(bǔ)充，使缺陷顯現(xiàn)更加清楚，判斷更加準(zhǔn)確。

關(guān)于斷口夾雜物評定的常用標(biāo)準(zhǔn)中，GB/T1814—1979《鋼材斷口檢驗(yàn)方法》及ASTM E45—2005《鋼中非金屬夾雜物含量測定方法》僅定性描述了非金屬夾雜(肉眼可見)及夾雜斷口的形態(tài)特征，而ISO3763—1976《鍛鋼—非金屬夾雜物的宏觀評定法》第3部分則為斷口中夾雜物的評定提供了一種圖示法。實(shí)踐表明用這種方法可以測出長度僅為0.40 mm的夾雜物。

1.3 塔形試驗(yàn)法

塔形試驗(yàn)法是通常將試樣加工制成“塔”的形狀(三級階梯形)，用肉眼或10倍以下放大鏡觀察各階層光滑表面上非金屬夾雜物分布形態(tài)的方法。與斷口法一樣，本法有利于發(fā)現(xiàn)鍛件試樣內(nèi)部夾雜物的分布情況。檢驗(yàn)時(shí)，要注意試件階層表面上的非金屬夾雜物與裂紋、疏松、異金屬夾雜物等其它宏觀缺陷的區(qū)分。當(dāng)非金屬夾雜物太小以致難以觀察時(shí)，可使用磁粉試驗(yàn)法作進(jìn)一步檢測。該法一般用于評定3 mm及以上非金屬夾雜物，具體操作規(guī)程可參見ISO3763—1976《鍛鋼—非金屬夾雜物的宏觀評定法》第4部分和ASTM E45—2005《鋼中非金屬夾雜物含量測定方法》等。

1.4 磁粉檢測法

磁粉檢測是把具有鐵磁性的金屬放在磁粉探傷儀上，由于非金屬夾雜物是順磁性物質(zhì)，在檢測時(shí)夾雜物處的導(dǎo)磁率下降、產(chǎn)生漏磁現(xiàn)象，于是在夾雜物處便出現(xiàn)磁粉的堆集，從磁粉堆集的多少可以定性地鑒別金屬表面的夾雜物的含量及分布情況，其操作規(guī)程可參考ISO3763—1976《鍛鋼—非金屬夾雜物的宏觀評定法》第4部分和ASTM E45—2005《鋼中非金屬夾雜物含量測定方法》等。該法可顯示長度0.40 mm以上的夾雜物，但它與酸浸法的結(jié)果往往不能一致，其原因在于：(1)在一定的磁場強(qiáng)度下，只能顯示超出一定尺寸的夾雜物，而細(xì)小的夾雜物無法發(fā)現(xiàn)。(2)磁粉法不僅顯示了表面上的夾雜物，同時(shí)也把表面下一定深度處的夾雜物顯示出來。(3)鋼中的抗磁組織會引起假象。由于酸浸的結(jié)果，往往存在著使缺陷擴(kuò)大的缺點(diǎn)，而磁粉檢測不存在這個問題。因此這兩種方法各有利弊，允許選擇或兼用。

2 顯微評定法

顯微評定法是夾雜物定量分析應(yīng)用最為廣泛的一種簡便方法，即利用金相顯微鏡對鍛件中規(guī)定取樣部位的一定尺寸試樣的特定拋光面上的夾雜物的體視學(xué)參數(shù)(粗細(xì)、長短、數(shù)量、形態(tài)比、面積、色彩等)進(jìn)行對比或計(jì)算以確定鋼中夾雜物含量的方法。與宏觀測定法相比，顯微評定法不僅可以檢測夾雜物的尺寸等更多體視學(xué)參數(shù)，而且可以根據(jù)相關(guān)參數(shù)(而非化學(xué)成分)進(jìn)一步確定夾雜物的類型，但其評定視場及選定試樣的尺寸小，試樣來源及數(shù)量有限，而夾雜物的分布不規(guī)律且不均勻(大型鍛件表現(xiàn)尤為嚴(yán)重)以致評定結(jié)果可能存在偶然性，故具體操作中應(yīng)嚴(yán)格限定試樣的抽樣與統(tǒng)計(jì)方法，取樣的位置、數(shù)量及尺寸，制樣的方式方法和檢驗(yàn)面與鍛造方向的夾角等。常用的顯微評定法可分為標(biāo)準(zhǔn)圖譜法，手工定量法和圖像分析儀法等。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)評級圖法

標(biāo)準(zhǔn)評級圖法是將被測試樣中的夾雜物多少、分布、大小及形狀等情況與標(biāo)準(zhǔn)評級圖進(jìn)行對比評級的方法，該法在目前大鍛件非金屬夾雜物評定中應(yīng)用最為廣泛。該標(biāo)準(zhǔn)評級圖常將夾雜物根據(jù)其典型形態(tài)特征分類，并按各類夾雜物的粗細(xì)、長度、數(shù)量等分級，操作者只需將所見是視場中的夾雜物形態(tài)直接與標(biāo)準(zhǔn)圖相比較而得出評定級別。大型鍛件標(biāo)準(zhǔn)圖評級法按評定數(shù)據(jù)處理方式通常又分兩種，分別是僅報(bào)出各類別夾雜物最惡劣視場級別的最嚴(yán)重級別評定法和所有視場中各類夾雜物級別數(shù)統(tǒng)計(jì)平均處理的平均級別評定法，前者常應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)中，后者則傾向于相關(guān)研究領(lǐng)域。由于標(biāo)準(zhǔn)圖譜并不能全面反映出各種夾雜物的類型和形態(tài)，因而在使用標(biāo)準(zhǔn)評級圖時(shí)，某些類型夾雜物的評定會存在一定的局限性。同時(shí)也要注意到，雖然夾雜物的某些類別的名稱由于一些歷史數(shù)據(jù)來源等原因而包含了化學(xué)成分，但夾雜物類別的劃分是嚴(yán)格按照其形態(tài)劃分的。大型鍛件非金屬夾雜物的標(biāo)準(zhǔn)圖評級法常用標(biāo)準(zhǔn)包括GB/T10561—2005/ISO4967：1998(E)《鋼中非金屬夾雜物含量的測定—標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》、GB/T18254—2002《高碳鉻軸承鋼》、ASTM E45—2005《鋼中非金屬夾雜物含量測定方法》中的A、C、D和E法、JIS G0555—2003 《鋼中非金屬夾雜物含量顯微測定方法》中的A法和DIN50602—1985《特殊鋼中非金屬夾雜物含量的測定—標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》等。

2.2 手工定量法

手工定量法采用人工目測進(jìn)行，主要包括幾何計(jì)數(shù)和統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)兩種測量法，即用一定長度的線條或一定面積的網(wǎng)格套在被測物上，然后進(jìn)行計(jì)數(shù)和統(tǒng)計(jì)計(jì)算，從而得到定量的結(jié)果。該法種類繁多，常用的方法有直線橫切法和網(wǎng)格法。但由于手工定量法依靠人工計(jì)數(shù)和統(tǒng)計(jì)，因此分析速度慢、重現(xiàn)性較差、檢測工作量大，實(shí)際應(yīng)用較為有限。大型鍛件夾雜物手工定量評定方法常用的標(biāo)準(zhǔn)有ASTM E45—2005《鋼中非金屬夾雜物含量測定方法》中的B法和JIS G0555—2003 《鋼中非金屬夾雜物含量顯微測定方法》中的B法等。

2.3 圖像儀評定法

圖像分析儀是目前定量金相中最為現(xiàn)代化的儀器之一，它克服了手工定量法的種種缺點(diǎn)，具有分析速度快、重現(xiàn)性好、精度高和功能全等優(yōu)點(diǎn)。圖像分析儀在夾雜物定量分析中可測定如下數(shù)據(jù)：(1)根據(jù)夾雜物的不同灰度或形狀可以測定夾雜物在鋼中所占面積百分?jǐn)?shù)和體積百分?jǐn)?shù)；(2)鋼中夾雜物的統(tǒng)計(jì)分布，即某一區(qū)域內(nèi)每個夾雜物的面積、周長等，并得到平均值、最大值、最小值及標(biāo)準(zhǔn)偏差等統(tǒng)計(jì)參數(shù)或直方圖；(3)夾雜物的形狀因子，如夾雜物的長寬比、球形系數(shù)等。大型鍛件非金屬夾雜物圖像儀評定方法可參考ASTM E1122—96(2002)《應(yīng)用自動圖像分析測定JK夾雜物級別的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》、ASTM E1245—03(2008)《應(yīng)用自動圖像分析測定金屬中夾雜物或第二相組織含量的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》、GB/T18876—2002《應(yīng)用自動圖像分析測定鋼和其它金屬中金相組織、夾雜物含量和級別的的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》等標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

3 大型鍛件非金屬夾雜物評定中應(yīng)注意的事項(xiàng)

由于現(xiàn)行非金屬夾雜物評定方法與標(biāo)準(zhǔn)多起源于軋材，也大都應(yīng)用于鋼鐵企業(yè)軋材的相關(guān)檢驗(yàn)，對大型鍛件方面顧及不夠，造成了大型鍛件非金屬夾雜物評定的方法與標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行難度較大，過程中出現(xiàn)的問題也相對較多。大型鍛件夾雜物評定中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

3.1 夾雜物數(shù)量相對較多，成分類型更復(fù)雜

與軋材不同，大型鍛件形大體重(直接由缺陷較多的大型鋼錠鍛造而成)、產(chǎn)品品種范圍廣(生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備和生產(chǎn)計(jì)劃管理較困難)、生產(chǎn)工序多(有廢鋼冶煉及鑄錠等工序)、制造的自動化及標(biāo)準(zhǔn)化率相對較低(人員與設(shè)備等影響因素較多)、基本是單件小批量(缺乏足夠數(shù)量的成功經(jīng)驗(yàn)累計(jì))，故其非金屬夾雜物含量一般較軋材多，成分類型更復(fù)雜。實(shí)際夾雜物的檢驗(yàn)評定中，大型鍛件對制樣要求更高，檢測工作量更大，夾雜物類型判定及測量上遇見的問題也更多。

3.2 夾雜物形態(tài)較復(fù)雜，實(shí)際類型判定難度更大

由于上述種種原因，大型鍛件非金屬夾雜物的相對數(shù)量較多、成分類型較為繁雜，鍛造變形方式也較復(fù)雜(自由鍛造包括拔長、鐓粗、沖孔、馬杠擴(kuò)孔、芯棒拔長、中間鐓粗等眾多工序)，其非金屬夾雜物的形態(tài)和分布與軋材相比存在較大差異。具體表現(xiàn)在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中列出的典型圖譜與大型鍛件中所見夾雜物形態(tài)差異較大，使得夾雜物類型的判定常缺乏足夠的標(biāo)準(zhǔn)支持。

3.3 檢測試樣數(shù)量較多，取樣方法及工序較復(fù)雜，檢驗(yàn)面位置保證難度較大

由于大型鍛件多為大型關(guān)鍵設(shè)備的主要基礎(chǔ)零部件，普遍要求質(zhì)量高，技術(shù)條件苛刻，檢測標(biāo)準(zhǔn)及要求嚴(yán)格。在試料制取上常常表現(xiàn)為取樣位置多、數(shù)量大、試樣加工方法及工序繁雜(包括氣割、套料、排鉆、車、銑、刨、磨、電火花加工等)，故在非金屬夾雜物檢驗(yàn)面的位置及角度等檢驗(yàn)要求的保證上難度較大。如ASTM E45—2005《鋼中非金屬夾雜物含量測定方法》中提及：“研究結(jié)果表明，當(dāng)拋光面與熱加工的縱向間夾角超過6°

時(shí)，夾雜物長度的測量結(jié)果將受到很大影響?！保瑢?shí)際操作中執(zhí)行較為困難。

3.4 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的適用性表述不夠全面

常用標(biāo)準(zhǔn)GB/T10561—2005/ISO4967 :1998(E)《鋼中非金屬夾雜物含量的測定—標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》及JIS G0555—2003 《鋼中非金屬夾雜物含量顯微測定方法》中明確規(guī)定“本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用標(biāo)準(zhǔn)圖譜評定壓縮比大于或等于3的軋制后鍛制鋼材中的非金屬夾雜物的顯微評定方法”。ASTM E45—2005《鋼中非金屬夾雜物含量測定方法》及DIN50602—1985《特殊鋼中非金屬夾雜物含量的測定—標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》中雖未明確規(guī)定最小壓縮比，但明確提出了變形比對夾雜物判定的影響應(yīng)當(dāng)在檢驗(yàn)時(shí)考慮到，而一般大型鍛件自由鍛造變形復(fù)雜，其鍛比在2～6范圍內(nèi)[16]，且存在同一工件不同部分鍛比不一樣的情況，故相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在適用性上未能充分考慮到大型鍛件的生產(chǎn)實(shí)際。

3.5 顯微檢測中夾雜物超寬現(xiàn)象較多

本文提及的國內(nèi)及國際標(biāo)準(zhǔn)中，顯微評定非金屬夾雜物含量時(shí)，要求單獨(dú)記錄所發(fā)現(xiàn)的超寬夾雜物。由于大型鍛件夾雜物的數(shù)量相對較多，自由鍛造變形復(fù)雜，按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)圖譜評定時(shí)，夾雜物超寬現(xiàn)象較常見，這就造成了實(shí)際檢測工作量較大。

也正因?yàn)槿绱耍瑢?shí)際相關(guān)檢驗(yàn)技術(shù)協(xié)議中，供需雙方可以考慮增補(bǔ)部分更切合大型鍛件生產(chǎn)實(shí)際的條款，以完善大型鍛件非金屬夾雜物的評定方法。

[1] 上海機(jī)械制造工藝研究室.金相分析技術(shù)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1987：184—204.

[2] 中國機(jī)械工程學(xué)會熱處理專業(yè)分會《熱處理手冊》編委會.熱處理手冊：典型零件熱處理 [M].3版。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006，2：252.

[3] ASTM E45—2005《鋼中非金屬夾雜物含量測定方法》[S].

[4] GB/T1979《結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評級圖》[S].

[5] ASTM E381—2001《鋼棒、鋼坯、鋼錠和鍛件的宏觀試驗(yàn)法》[S].

[6] ASTM A604—2007《自耗電極重熔的鋼棒和鋼坯宏觀浸蝕檢驗(yàn)方法》[S].

[7] GB/T1814—1979《鋼材斷口檢驗(yàn)方法》[S].

[8] ISO 3763—1976《鍛鋼—非金屬夾雜物的宏觀評定法》[S].

[9] GB/T10561—2005/ISO 4967:1998(E)《鋼中非金屬夾雜物含量的測定—標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》[S].

[10] DIN50602—1985《特殊鋼中非金屬夾雜物含量的測定—標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》[S].

[11] JIS G0555—2003《鋼中非金屬夾雜物含量顯微測定方法》[S].

[12] GB/T18254—2002《高碳鉻軸承鋼》[S].

[13] ASTM E1122—96(2002)《應(yīng)用自動圖像分析測定JK夾雜物級別的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》[S].

[14] ASTM E1245—03(2008)《應(yīng)用自動圖像分析測定金屬中夾雜物或第二相組織含量的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》[S].

[15] GB/T18876—2002《應(yīng)用自動圖像分析測定鋼和其它金屬中金相組織、夾雜物含量和級別的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》[S].

[16] 劉助柏，等. 大鍛件形變新理論新工藝[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：19.