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,對夾雜物形態進行改變[4-5],在熱軋狀態下,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、形態已經發生變化,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],適用于常規低硫（S元素質量分數小于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,根據試樣縱截面視場內硫化物夾雜物的數量、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量、長度、寬度等參數,需要根據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視場內夾雜物的數量、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,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。

根據標準SEP 1572—1971,對各級夾雜物進行統計,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,如夾雜物的長度、寬度等。試樣評級結果是根據檢測面內占優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；圖譜數量從原來的12張變為26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。

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,以占優勢視場數目的夾雜物級別來確定試樣硫化物夾雜物的級別。在不同級別視場數相等的情況下,如列值相等,根據最高行值劃分級別；如行值相等,根據最高列值劃分級別。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約為0.41%,錳元素質量分數為1.35%,硫元素質量分數為0.26%,磷元素質量分數為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,將測量數據代入式（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,以視場數量占優原則,確定該試樣夾雜物的級別,其中2.1級的夾雜物數量最多,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,最后以占優勢視場數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