分享：SEP 1572—2019对易切削钢中硫化物夹杂物的评定方法

易切削钢是在钢中加入一定量的硫、磷、钙、硒、碲等易切削元素,得到切削性能改善的钢材产品[1],其中最常见的是含硫易切削钢,占所有易切削钢总产量的90%以上。含硫易切削钢中的硫元素通常以硫化物夹杂物的形式存在,硫化物夹杂物的形态和分布对产品的切削性能具有重要影响[2-3]。因此,对钢中硫化物夹杂物进行评定可以表征含硫易切削钢的切削性能。 

硫化物夹杂物的尺寸、分布、形态不同,对含硫易切削钢切削性能的影响不同。目前,国内通常根据GB/T 10561—2023《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》来评定易切削钢中的硫化物夹杂物,但易切削钢中硫化物夹杂物的数量较多,单视场内硫化物夹杂物很长,几乎每个易切削钢试样的硫化物夹杂物级别均大于4级,因此无法通过对硫化物夹杂物进行评级来反映夹杂物分布和形态的差别。图1为1144易切削钢中硫化物夹杂物的微观形貌。为研究其切削性能,对夹杂物形态进行改变[4-5],在热轧状态下,硫化物夹杂物较细长；热处理后,硫化物夹杂物变得短粗。热处理工艺为：将试样加热至1 200 ℃,保温30 min后,缓冷。根据GB/T 10561—2023,图1（a）和1（b）中夹杂物级别均大于4级。虽然肉眼可见夹杂物的尺寸、形态已经发生变化,但无法反映工艺前后夹杂物级别的差异。 

图  1  1144易切削钢不同工艺条件下夹杂物的微观形貌

GB/T 10561—2023主要用来评价钢中有害夹杂物的含量,属于钢洁净度评价体系[6],适用于常规低硫（S元素质量分数小于0.15%）产品,而易切削钢中S作为主要合金元素加入,其质量分数为0.02%~0.35%,因此GB/T 10561—2023不适合对易切削钢的夹杂物进行评定,无法准确表征硫化物夹杂物,需寻求其他方法,并规范中高硫产品中硫化物夹杂物的评级。 

目前,国外硫化物夹杂物的相关检测标准有：德国标准SEP 1572—2019《易切削钢硫化物夹杂物非金属夹杂物的显微测定 标准评级图法》和法国标准NF A04-108《钢铁产品 机械加工性能提高的结构钢中硫化物夹杂物形状类型的划分 标准评级图法》。其中德国标准SEP 1572—2019把硫化物夹杂物的形状、尺寸和分布作为关键因素来衡量产品的切削性能。一些德国企业在采购易切削钢时,明确提出产品的硫化物夹杂物评级需依据标准SEP 1572—2019中的方法,从而确保产品具有良好的切削性能。法国标准NF A04-108主要对硫化物夹杂物的形状进行了类型划分。笔者对标准SEP 1572—2019中的评定方法进行了介绍和解析,以期在进行易切削钢科研和生产时,准确表征含硫易切削钢中的硫化物夹杂物,为易切削钢产品质量的提升提供理论支撑。 

1.   标准SEP 1572介绍

关于易切削钢硫化物夹杂物的检测标准SEP 1572有SEP 1572—1971和SEP 1572—2019两个版本。标准SEP 1572主要采用比较法和图像仪法,根据试样纵截面视场内硫化物夹杂物的数量、长度、宽度及长宽比等特征,将夹杂物分成不同的系列。硫化物夹杂物系列图像中包含不同级别的夹杂物图像,每张图像的夹杂物级别以K和Z表示,其中K表示图中夹杂物的列值,Z表示行值,评定时可根据需要选择比较法或图像仪法,以评定硫化物夹杂物的K级别和Z级别。下面对SEP 1572—1971和SEP 1572—2019两个版本的标准分别进行详细介绍。 

1.1   标准SEP 1572—1971介绍

标准SEP 1572—1971中的比较法规定,在显微镜放大100倍视场下观察夹杂物,待观察的单个测量区域大小应与对比图像大小相同（最好直径为80 mm,对应真实面积为0.502 5 mm2的表面）,根据标准谱图,将视场内的夹杂物与标准夹杂物图谱进行比较,并进行分级。标准SEP 1572—1971中的评级图谱如图2所示,包括12张图像,3列4行。标准SEP 1572—1971中的比较法没有具体说明每个级别夹杂物的数量、长度、宽度等参数,需要根据夹杂物尺寸和分布情况直接进行比对。 

图  2  标准SEP 1572—1971中的评级图谱

标准SEP 1572—1971中的图像仪法主要是根据视场内夹杂物的数量、单个夹杂物的长度和宽度、单个夹杂物的面积、视场内夹杂物占视场面积的比等参数,对长度不小于4 μm的硫化物夹杂物进行定量,未对其级别进行评定。 

根据标准SEP 1572—1971,对各级夹杂物进行统计,结果如表1~3所示。由表1~3可知：随着Z级别增大,视场内夹杂物的长度增大,夹杂物数量逐渐变少,视场内夹杂物占视场面积的比逐渐增大；随着K级别增大,视场内夹杂物长度减小,夹杂物宽度增大,夹杂物数量逐渐变少,视场内夹杂物占视场面积的比逐渐减小,这种分布和评级图中夹杂物的分布相近。 

1.2   标准SEP 1572—2019介绍

1.2.1   比较法

标准SEP 1572—2019中的比较法规定,单视场的尺寸为710 μm×710 μm（边长×边长）,采用网格模式逐个视场扫描检测面。对于每个视场,记录与标准图谱最接近的图像。长度大于710 μm的颗粒标注为超大颗粒。比较法无法提供除级别以外的其他硫化物夹杂物参数,如夹杂物的长度、宽度等。试样评级结果是根据检测面内占优势视场的硫化物夹杂物级别决定的。相比标准SEP 1572—1971,标准SEP 1572—2019的评级图谱有很大改变：新版图谱以一定算法通过软件形式生成,硫化物夹杂物均为模拟图像；图谱数量从原来的12张变为26张,其K级别和Z级别也相应进行了扩展,K从1~3级增加为0~3级,Z从1~4级增加为0~7级（见图3）,可评定的夹杂物形貌更丰富。 

图  3  标准SEP 1572—2019中的评级图谱

1.2.2   图像仪法

标准SEP 1572—2019中的图像仪法主要是通过公式计算划分了K和Z。标准SEP 1572—2019中图像仪法可评定长度不小于3 μm,宽度不小于2 μm的夹杂物。评定方法为：首先测量视场内各夹杂物的长度l、宽度b、长宽比s；将b、s分别代入式（1）~（3）,根据表4计算g1、g2、g3,依次得出夹杂物的列值K。 

Z的计算方法如式（4）~（6）所示,其中C为常数。 

如果夹杂物属于Z行,则C满足如下关系： 

对于Z=0,修改条件为： 

根据式（4）~（6）,可知当K为0,1,2,3级时,C的取值范围如表5所示。 

视场中各夹杂物的K和Z级别确定后,对单视场中同一级别硫化物夹杂物的面积进行相加,加和面积最大的夹杂物级别就是该视场中硫化物夹杂物的级别。当确定试样检测面内全部视场的夹杂物级别后,以占优势视场数目的夹杂物级别来确定试样硫化物夹杂物的级别。在不同级别视场数相等的情况下,如列值相等,根据最高行值划分级别；如行值相等,根据最高列值划分级别。长度大于710 μm的夹杂物称为超大夹杂物。 

114.   4易切削钢中硫化物夹杂物评定

1144易切削钢是一种常用的材料,其具有优异的切削性能和加工性能,能满足各种复杂零件的加工要求,适用于制造各种机械零件、汽车零件和工具等。1144易切削钢中主要含有碳、锰、硫和磷等元素,其中碳元素质量分数约为0.41%,锰元素质量分数为1.35%,硫元素质量分数为0.26%,磷元素质量分数为0.04%。对1144易切削钢进行磨抛,利用光学显微镜观察1144易切削钢的硫化物夹杂物,结果如图4所示。根据标准SEP 1572—2019对其硫化物夹杂物进行评定。 

图  4  1144易切削钢中硫化物夹杂物的微观形貌

采用比较法对硫化物夹杂物级别进行评定,将图4与标准评级图进行比较,可评级为2.1级。 

采用图像仪法对硫化物夹杂物级别进行评定。首先对图4进行阈值分割,分割时选取合适的阈值,尽量使每个夹杂物都能选取上,结果如图5所示。用金相软件测量视场内各夹杂物的长度、宽度、面积、长宽比；去除宽度小于2 μm的夹杂物,将测量数据代入式（1）~（3）中,得出每个夹杂物的K级别；当K为3级时,将长宽比小于1的夹杂物也排除。 

图  5  硫化物夹杂物的阈值分割结果

1144易切削钢中各硫化物夹杂物的评级结果如表6所示。由表6可知：K分别为0,1,2,3级；Z分别为1,2,3级。按照SEP 1572—2017,单视场内硫化物加和面积最大的级别为该视场硫化物级别,结果为2.1级。 

当单视场内每个夹杂物的K和Z级别确定后,可知视场内的夹杂物级别涵盖多个级别,如：1.0,2.0,2.1,2.2,3.0,3.3级等。由于每个试样的检测面上包含很多视场,确定每个视场硫化物夹杂物的K和Z级别后,以视场数量占优原则,确定该试样夹杂物的级别,其中2.1级的夹杂物数量最多,为50个。因此确定该试样夹杂物级别为2.1级,该结果与比较法结果相同。 

由于视场中夹杂物数量较多,对每个夹杂物进行判定比较耗时费力,建议采用软件进行分析,以避免人工评定的干扰,准确地评定夹杂物的级别。 

3.   结语

标准SEP 1572两个版本均采用了比较法和图像仪法来评价硫化物夹杂物,其中比较法是对整个视场进行评级,而不对单个硫化物夹杂物颗粒进行评级；图像仪法是先评定单视场中每个硫化物夹杂物颗粒的级别,然后以占单视场中面积最大原则评定单视场的硫化物级别,最后以占优势视场数目的夹杂物级别作为试样硫化物夹杂物的级别。 

与标准SEP 1572—1971相比,标准SEP 1572—2019中比较法的标准图谱是模拟图,图谱数量从原来的12张增加到了26张,且K和Z均有增加。比较法使用起来简单、方便,能快速评定硫化物夹杂物的级别。标准SEP 1572—2019中图像仪法是通过公式计算进行夹杂物级别的评定,过程中避免了人为干扰因素,评定结果的准确性较好。

文章来源——材料与测试网