钢铁中夹杂物、脱碳层厚度、钢中金相组织检测方案(金相显微镜)

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金相显微镜在钢铁行业的应用 朱占涛1，张国滨 (1.河北钢铁集团宣钢公司技术中心 河北·宣化 075100) (2.北京普瑞赛司仪器有限公司) 摘 要： 本文概要介绍了金相显微镜的适用领域及使用范围，着重介绍了其在我企业的一些具体应用。 关键词： 金相显微镜，钢铁行业，应用 一.前言 金相显微镜在钢铁体行业有着重要的应用，是钢铁材料分析的一种重要手段和工具，是钢铁行业、军工、航天、机械制造、科研院所、院校科技人员开展科研的好帮手。目前我们单位所使用的金相显微镜为德国产莱卡倒立式光学显微镜，其系统放大倍率范围是 50~1000倍，该套系统包括显微镜和计算机两部分。它不仅可以观察金相试样，还可以对试样进行感兴趣区域的拍照，照片可存储、传输(转移)，使用非常方便。文中的图片大部分属于作者本人工作中保存下来的，通过整理应用于文中，并借此机会和同行的科技工作者、专家进行交流与探讨。 二.金相显微镜的应用概述 金相显微镜针对钢铁物件可以完成多种工作：①.试样的夹杂物检验；②.试样表面的渗层组织、厚度的检测；③.试样表面脱碳层的检测；④.试样层次分布的检定；⑤.钢铁金相组织检定，包括铁素体，渗碳体，珠光体(粗珠光体、索氏体、屈氏体)，贝氏体(上贝氏体、下贝氏体、粒状贝氏体、无碳贝氏体、柱状贝氏体、反常贝氏体等)，马氏体，回火马氏体，回火索氏体，回火屈氏体，石墨，莱氏体等的检定；⑥.钢铁设备零部件的失效分析；⑦.钢铁表面细微缺陷的检测，如微裂纹、小折叠等；⑧.钢材金相组织中各组成相相对百分比的评定，最典型也是最常用的如低碳钢金相组织中，铁素体、珠光体、贝氏体、魏氏组织百分含量的评定；高碳钢金相组织中，索氏体百分比、心部马氏体岛级别、心部网状渗碳体级别的评定；⑨.铁素体平均晶粒度的评定。下面就金相检验中常用的几个项目简要加以说明。 1.夹杂物的检验 无论是钢材，或是失效的设备零部件，一般情况下都要检测非金属夹杂物，这其中包括种类和级别。目前中华人民共和国国家标准，钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法， GB/T 10561-2005/ISO4967：1998(E)中分为五类即：硫化物类非金属夹杂物(A类)；氧化铝类非金属夹杂物(B类)；硅酸盐类非金属夹杂物(C类)；球状氧化物类非金属夹杂物(D类)；单颗粒球状类(DS类)。每一类里又包括粗系和细系，而级别则指夹杂物数量及尺寸大小。钢中非金属夹杂物的存在，对钢材各项性能产生着不同程度的影响，它的存在既有有利的一面，又有不利的一面。如易切削钢通过增加硫元素含量形成硫化锰，使钢材在机加工的切削过程中易于切削不粘刀，这利用了非金属夹杂物有利的一面。但非金属夹杂物在钢中的存在更多表现为负面作用，它的存在破坏了金属基体的连续性，使夹杂物周围金属出现变形不一致；更由于夹杂物的存在，使该处容易产生应力集中，进而产生微裂纹，并可能进一步发展为裂纹。现代材料领域出现的新一代洁净钢、超级洁净钢，就是要求钢中夹杂物含量不仅更少，而且形态是可控的，从而使钢材表现出更加优异的性能。夹杂物检测的几个实例图片如下： 图1 硫化物类非金属夹杂物(A类) 图2 氧化铝类(B类)、球状氧化物类(D类)非金属夹杂物 图3 硫化物类(A类)、硅酸盐类(C类)、球状氧化物类非金属夹杂物(D类) 2.脱碳层厚度的检测 该项目也是多数钢材应检项目，一般情况下检测的是总脱碳层厚度，包括全脱碳层和部分脱碳层之和，所谓全脱碳层是指全为铁素体的金属层，所谓部分脱碳层是指含有铁素体和珠光体混合组织的金属层，单位是毫米(mm)。对于中高碳钢、轴承钢等钢种，脱碳层厚度是必检项目。因为钢材表面失碳就会造成中高碳钢淬火时表面硬度达不到技术要求，也就是通常所说的淬不上火，这实质上是钢材表面脱碳使生成的马氏体碳含量低所致，因为钢中马氏体的硬度是由碳含量决定的。对于轴承钢来讲表面失碳就会大大降低轴承的疲劳性能，缩短轴承的使用寿命，从而使轴承过早的发生疲劳失效。 图4 总脱碳层平均厚度 0.53mm 100X 图5 全脱碳层平均厚度 0.24mm 100X 3.钢中金相组织的检定 金相组织的检测与判定可以说是金相检验中最重要，也是经常进行，而且进行得最多的检测项目。通过对金相组织的检定，对新产品开发来讲，可以判明钢材是否达到新产品开发的目 的、要求、还存在何差距，从而确定下一步的主攻方向；对炼轧钢工艺的优化改进来讲，也可以达到和新产品开发同样的效果；对于当钢材出现质量问题时的情况，如钢材出现冷弯断、脆断、伸长率不合格，就要检测一下钢材中是否存在异常组织，如马氏体、屈氏体、_上贝氏体、魏氏组织、钢中组织是否异常粗大等；再如当钢材出现拉拔断时，就要检测一下钢中是否有空洞、网状组织、马氏体岛等；又如当钢材出现强度指标过低或过高时，就要检测一下钢中组织晶粒是否太细小或太粗大。下面是部分检测项目的一些金相组织图片，通过金相组织的检测，使我们发现了钢材产生问题的原因，优化改进炼轧钢工艺，改进钢材产品质量。通过对公司购进钢材进行质量把关，及时发现问题，减少公司经济损失。通过对二级厂失效零部件的金相检测，及时发现问题，减少二级厂理赔损失都发挥了重要作用。 图6 钢材心部马氏体组织 图7 钢材心部马氏体岛 图8 钢材心部环形缩孔 图9 钢材心部网状渗碳体 图10 钢材心部空洞 图11 钢材正常金相组织： F+P 图122钢材异常金相组织： F+P+W 图13 产生于炼钢工序裂纹的金相形貌特征 (裂纹内有氧化铁皮，并伴有脱碳存在) 图14 产生于高温锻造裂纹的金相形貌特征 (裂纹内有氧化铁皮，并伴有脱碳存在，有魏氏组织) 图16 高碳钢线材脆断金相组织：M+T 图17 铬镍钼无限冷硬球墨铸铁轧辊金相组织： P+Ld'+G 图18 中铬镍钼轧辊中的石墨浸蚀前形貌 图19中铬镍钼轧辊中浸蚀后的石墨及金相组织形貌 三.总结与回顾 通过金相显微镜在钢材分析中的应用，深感随着科学技术的进步，各种检测设备技术的升级、功能的日臻完善，操作人员操作技术水平的不断提高，将信这种手段必将对企业的发展发挥越来越大的作用。对检测设备的应用与技术的掌握，最终体现在科技的进步上，这才是人类赖以进步和发展的强劲动力。 参考文献：图7选自新钢马氏体级别标标。 作者：朱占涛，河北钢铁集团宣钢公司技术中心轧钢专业高级工程师，现从事钢材金相分析工作。 联系电话：13403335397 通迅地址：河北宣化解放南路雅致苑小区14号楼1单元301 邮编：075100 E-mail： zzt1966@sohu.com 金相显微镜在钢铁体行业有着重要的应用，是钢铁材料分析的一种重要手段和工具，是钢铁行业、军工、航天、机械制造、科研院所、院校科技人员开展科研的好帮手。目前我们单位所使用的金相显微镜为德国产莱卡倒立式光学显微镜，其系统放大倍率范围是50~1000倍，该套系统包括显微镜和计算机两部分。它不仅可以观察金相试样，还可以对试样进行感兴趣区域的拍照，照片可存储、传输（转移），使用非常方便。文中的图片大部分属于作者本人工作中保存下来的，通过整理应用于文中，并借此机会和同行的科技工作者、专家进行交流与探讨。