易切削鋼是在鋼中加入一定量的硫、磷、鈣、硒、碲等易切削元素,得到切削性能改善的鋼材產品[1],其中最常見的是含硫易切削鋼,占所有易切削鋼總產量的90%以上。含硫易切削鋼中的硫元素通常以硫化物夾雜物的形式存在,硫化物夾雜物的形態(tài)和分布對產品的切削性能具有重要影響[2-3]。因此,對鋼中硫化物夾雜物進行評定可以表征含硫易切削鋼的切削性能。

硫化物夾雜物的尺寸、分布、形態(tài)不同,對含硫易切削鋼切削性能的影響不同。目前,國內通常根據(jù)GB/T 10561—2023《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》來評定易切削鋼中的硫化物夾雜物,但易切削鋼中硫化物夾雜物的數(shù)量較多,單視場內硫化物夾雜物很長,幾乎每個易切削鋼試樣的硫化物夾雜物級別均大于4級,因此無法通過對硫化物夾雜物進行評級來反映夾雜物分布和形態(tài)的差別。圖1為1144易切削鋼中硫化物夾雜物的微觀形貌。為研究其切削性能,對夾雜物形態(tài)進行改變[4-5],在熱軋狀態(tài)下,硫化物夾雜物較細長；熱處理后,硫化物夾雜物變得短粗。熱處理工藝為：將試樣加熱至1 200 ℃,保溫30 min后,緩冷。根據(jù)GB/T 10561—2023,圖1（a）和1（b）中夾雜物級別均大于4級。雖然肉眼可見夾雜物的尺寸、形態(tài)已經發(fā)生變化,但無法反映工藝前后夾雜物級別的差異。

圖 11144易切削鋼不同工藝條件下夾雜物的微觀形貌

GB/T 10561—2023主要用來評價鋼中有害夾雜物的含量,屬于鋼潔凈度評價體系[6],適用于常規(guī)低硫（S元素質量分數(shù)小于0.15%）產品,而易切削鋼中S作為主要合金元素加入,其質量分數(shù)為0.02%~0.35%,因此GB/T 10561—2023不適合對易切削鋼的夾雜物進行評定,無法準確表征硫化物夾雜物,需尋求其他方法,并規(guī)范中高硫產品中硫化物夾雜物的評級。

目前,國外硫化物夾雜物的相關檢測標準有：德國標準SEP 1572—2019《易切削鋼硫化物夾雜物非金屬夾雜物的顯微測定 標準評級圖法》和法國標準NF A04-108《鋼鐵產品 機械加工性能提高的結構鋼中硫化物夾雜物形狀類型的劃分 標準評級圖法》。其中德國標準SEP 1572—2019把硫化物夾雜物的形狀、尺寸和分布作為關鍵因素來衡量產品的切削性能。一些德國企業(yè)在采購易切削鋼時,明確提出產品的硫化物夾雜物評級需依據(jù)標準SEP 1572—2019中的方法,從而確保產品具有良好的切削性能。法國標準NF A04-108主要對硫化物夾雜物的形狀進行了類型劃分。筆者對標準SEP 1572—2019中的評定方法進行了介紹和解析,以期在進行易切削鋼科研和生產時,準確表征含硫易切削鋼中的硫化物夾雜物,為易切削鋼產品質量的提升提供理論支撐。

1. 標準SEP 1572介紹

關于易切削鋼硫化物夾雜物的檢測標準SEP 1572有SEP 1572—1971和SEP 1572—2019兩個版本。標準SEP 1572主要采用比較法和圖像儀法,根據(jù)試樣縱截面視場內硫化物夾雜物的數(shù)量、長度、寬度及長寬比等特征,將夾雜物分成不同的系列。硫化物夾雜物系列圖像中包含不同級別的夾雜物圖像,每張圖像的夾雜物級別以K和Z表示,其中K表示圖中夾雜物的列值,Z表示行值,評定時可根據(jù)需要選擇比較法或圖像儀法,以評定硫化物夾雜物的K級別和Z級別。下面對SEP 1572—1971和SEP 1572—2019兩個版本的標準分別進行詳細介紹。

1.1 標準SEP 1572—1971介紹

標準SEP 1572—1971中的比較法規(guī)定,在顯微鏡放大100倍視場下觀察夾雜物,待觀察的單個測量區(qū)域大小應與對比圖像大小相同（最好直徑為80 mm,對應真實面積為0.502 5 mm2的表面）,根據(jù)標準譜圖,將視場內的夾雜物與標準夾雜物圖譜進行比較,并進行分級。標準SEP 1572—1971中的評級圖譜如圖2所示,包括12張圖像,3列4行。標準SEP 1572—1971中的比較法沒有具體說明每個級別夾雜物的數(shù)量、長度、寬度等參數(shù),需要根據(jù)夾雜物尺寸和分布情況直接進行比對。

圖 2標準SEP 1572—1971中的評級圖譜

標準SEP 1572—1971中的圖像儀法主要是根據(jù)視場內夾雜物的數(shù)量、單個夾雜物的長度和寬度、單個夾雜物的面積、視場內夾雜物占視場面積的比等參數(shù),對長度不小于4 μm的硫化物夾雜物進行定量,未對其級別進行評定。

根據(jù)標準SEP 1572—1971,對各級夾雜物進行統(tǒng)計,結果如表1~3所示。由表1~3可知：隨著Z級別增大,視場內夾雜物的長度增大,夾雜物數(shù)量逐漸變少,視場內夾雜物占視場面積的比逐漸增大；隨著K級別增大,視場內夾雜物長度減小,夾雜物寬度增大,夾雜物數(shù)量逐漸變少,視場內夾雜物占視場面積的比逐漸減小,這種分布和評級圖中夾雜物的分布相近。

1.2 標準SEP 1572—2019介紹

1.2.1 比較法

標準SEP 1572—2019中的比較法規(guī)定,單視場的尺寸為710 μm×710 μm（邊長×邊長）,采用網格模式逐個視場掃描檢測面。對于每個視場,記錄與標準圖譜最接近的圖像。長度大于710 μm的顆粒標注為超大顆粒。比較法無法提供除級別以外的其他硫化物夾雜物參數(shù),如夾雜物的長度、寬度等。試樣評級結果是根據(jù)檢測面內占優(yōu)勢視場的硫化物夾雜物級別決定的。相比標準SEP 1572—1971,標準SEP 1572—2019的評級圖譜有很大改變：新版圖譜以一定算法通過軟件形式生成,硫化物夾雜物均為模擬圖像；圖譜數(shù)量從原來的12張變?yōu)?6張,其K級別和Z級別也相應進行了擴展,K從1~3級增加為0~3級,Z從1~4級增加為0~7級（見圖3）,可評定的夾雜物形貌更豐富。

圖 3標準SEP 1572—2019中的評級圖譜

1.2.2 圖像儀法

標準SEP 1572—2019中的圖像儀法主要是通過公式計算劃分了K和Z。標準SEP 1572—2019中圖像儀法可評定長度不小于3 μm,寬度不小于2 μm的夾雜物。評定方法為：首先測量視場內各夾雜物的長度l、寬度b、長寬比s；將b、s分別代入式（1）~（3）,根據(jù)表4計算g1、g2、g3,依次得出夾雜物的列值K。

Z的計算方法如式（4）~（6）所示,其中C為常數(shù)。

如果夾雜物屬于Z行,則C滿足如下關系：

對于Z=0,修改條件為：

根據(jù)式（4）~（6）,可知當K為0,1,2,3級時,C的取值范圍如表5所示。

視場中各夾雜物的K和Z級別確定后,對單視場中同一級別硫化物夾雜物的面積進行相加,加和面積最大的夾雜物級別就是該視場中硫化物夾雜物的級別。當確定試樣檢測面內全部視場的夾雜物級別后,以占優(yōu)勢視場數(shù)目的夾雜物級別來確定試樣硫化物夾雜物的級別。在不同級別視場數(shù)相等的情況下,如列值相等,根據(jù)最高行值劃分級別；如行值相等,根據(jù)最高列值劃分級別。長度大于710 μm的夾雜物稱為超大夾雜物。

114. 4易切削鋼中硫化物夾雜物評定

1144易切削鋼是一種常用的材料,其具有優(yōu)異的切削性能和加工性能,能滿足各種復雜零件的加工要求,適用于制造各種機械零件、汽車零件和工具等。1144易切削鋼中主要含有碳、錳、硫和磷等元素,其中碳元素質量分數(shù)約為0.41%,錳元素質量分數(shù)為1.35%,硫元素質量分數(shù)為0.26%,磷元素質量分數(shù)為0.04%。對1144易切削鋼進行磨拋,利用光學顯微鏡觀察1144易切削鋼的硫化物夾雜物,結果如圖4所示。根據(jù)標準SEP 1572—2019對其硫化物夾雜物進行評定。

圖 41144易切削鋼中硫化物夾雜物的微觀形貌

采用比較法對硫化物夾雜物級別進行評定,將圖4與標準評級圖進行比較,可評級為2.1級。

采用圖像儀法對硫化物夾雜物級別進行評定。首先對圖4進行閾值分割,分割時選取合適的閾值,盡量使每個夾雜物都能選取上,結果如圖5所示。用金相軟件測量視場內各夾雜物的長度、寬度、面積、長寬比；去除寬度小于2 μm的夾雜物,將測量數(shù)據(jù)代入式（1）~（3）中,得出每個夾雜物的K級別；當K為3級時,將長寬比小于1的夾雜物也排除。

圖 5硫化物夾雜物的閾值分割結果

1144易切削鋼中各硫化物夾雜物的評級結果如表6所示。由表6可知：K分別為0,1,2,3級；Z分別為1,2,3級。按照SEP 1572—2017,單視場內硫化物加和面積最大的級別為該視場硫化物級別,結果為2.1級。

當單視場內每個夾雜物的K和Z級別確定后,可知視場內的夾雜物級別涵蓋多個級別,如：1.0,2.0,2.1,2.2,3.0,3.3級等。由于每個試樣的檢測面上包含很多視場,確定每個視場硫化物夾雜物的K和Z級別后,以視場數(shù)量占優(yōu)原則,確定該試樣夾雜物的級別,其中2.1級的夾雜物數(shù)量最多,為50個。因此確定該試樣夾雜物級別為2.1級,該結果與比較法結果相同。

由于視場中夾雜物數(shù)量較多,對每個夾雜物進行判定比較耗時費力,建議采用軟件進行分析,以避免人工評定的干擾,準確地評定夾雜物的級別。

3. 結語

標準SEP 1572兩個版本均采用了比較法和圖像儀法來評價硫化物夾雜物,其中比較法是對整個視場進行評級,而不對單個硫化物夾雜物顆粒進行評級；圖像儀法是先評定單視場中每個硫化物夾雜物顆粒的級別,然后以占單視場中面積最大原則評定單視場的硫化物級別,最后以占優(yōu)勢視場數(shù)目的夾雜物級別作為試樣硫化物夾雜物的級別。

與標準SEP 1572—1971相比,標準SEP 1572—2019中比較法的標準圖譜是模擬圖,圖譜數(shù)量從原來的12張增加到了26張,且K和Z均有增加。比較法使用起來簡單、方便,能快速評定硫化物夾雜物的級別。標準SEP 1572—2019中圖像儀法是通過公式計算進行夾雜物級別的評定,過程中避免了人為干擾因素,評定結果的準確性較好。

文章來源——材料與測試網