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      彈簧常用金相檢驗標準解讀

      發布時間:2011.11.13 新聞來源:鎮江中虎彈簧有限公司 瀏覽次數:
      1、概述
      隨著科學技術的進步與發展,金相顯微鏡不論在結構上,還是光學系統上都有很大的改進和提高,對彈簧產品材料要求具有良好的淬透性,以保證整個截面的芯部在淬火后、回火前獲得約85%的馬氏體組織,而對于直徑超過15mm的彈簧產品為保證良好的淬透性,尤其重要。為此,金相檢驗在彈簧行業得到快速發展。金相檢驗不僅是借助于金相顯微鏡來研究金屬材料的內部組織,而且還通過肉眼或低倍放大鏡下進行宏觀檢驗。
      以前金相樣品多采用機械拋光法制備,但隨著金相檢驗技術的快速發展,電解拋光法制備金相樣品已突顯出不可比擬的優勢,且國外早已廣泛應用該技術。電解拋光不僅可使材料表面平整明亮,還有其他好處。如表面應力降低,除去表面碳和氧化物,降低摩擦等;有必要修訂GB/T 13298-1991《金屬顯微組織檢驗方法》,納入該技術。
        據了解,新修訂的GB/T 13298-201X《金屬顯微組織檢驗方法》標準將適用于金相樣品的電解拋光。主要技術內容包括:電解拋光的特點及應用;一些常用電解拋光液的工作使用條件、安全防護措施、電解拋光常見問題及改進方法;電解拋光裝置的使用及規定;試驗方法和檢驗規則。
      每一個相對應的彈簧產品的性能、化學成分、金相組織和力學性能之間的關系,一般來說:隨著晶粒尺寸的減小,材料的強度和硬度提高;隨著夾雜物含量的增加,材料的韌性趨于降低;具有各向異性的晶粒的力學性能與晶粒的擇優取向有關。因此,金相組織鑒別、晶粒度和夾雜物評定等常用的金相檢驗手段成了材料工藝控制、質量保證和失效分析的重要工具。下面對彈簧常用金相檢驗標準解讀應用簡述如下。
      2、  鋼材的宏觀檢驗
      鋼在冶煉或熱加工過程中,由于某些因素(例如非金屬夾雜物、氣體以及工藝選擇或操作不當等)造成的影響,致使鋼的內部或表面產生缺陷,從而嚴重地影響材料或產品的質量,有時還將導致材料或產品報廢。鋼材中疏松、氣泡、縮孔殘余、非金屬夾雜物、偏析、白點、裂紋以及各種不正常的斷口缺陷等,均可以通過宏觀檢驗來發現。宏觀檢驗通常有硫印試驗、酸蝕試驗、塔形試驗、斷口檢驗等,在生產檢驗中,可根據檢驗的要求來選擇適當的宏觀檢驗方法。
      2.1酸蝕試驗
      酸蝕試驗是顯示鋼鐵材料低倍組織的試驗方法,試驗方法按國家標準GB/T226-1991《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》進行,這種方法設備簡單,操作方便,能清楚地顯示鋼鐵材料中存在的各種缺陷,例如:裂紋、夾雜、疏松、偏析以及氣泡等。
      酸蝕試驗是利用酸液對鋼鐵材料各部分侵蝕的不同,從而清晰地顯示出彈簧材料的低倍組織及缺陷。根據低倍組織的分布以及缺陷存在的情況,可以知道鋼材的冶金質量,通過推斷缺陷的產生原因,在工藝上采取可行的措施,以達到提高產品品質的目的。
      本標準規定了檢驗鋼的低倍組織及缺陷的熱、冷酸浸蝕法和電腐蝕法。本標準適用于鋼的低倍組織及缺陷的檢驗。仲裁檢驗時,若技術條件無特殊規定,以熱酸浸蝕法為準。該標準已實施20年了,鋼的低倍酸蝕法及酸蝕液都有很大的更新。目前我國正在爭取將電腐蝕法納入到ISO標準中,有必要對GB/T226標準進行修訂,并為修訂ISO 4969:1980提供技術支撐。
      鋼的低倍組織及缺陷評定范圍及評定規則可按GB/T1979-2001《結構鋼低倍組織缺陷評級圖》,該標準適用于碳素結構鋼、合金結構鋼、彈簧鋼鋼材(鍛、軋坯)橫截面試樣的缺陷評定。該評級圖有6套,分別適用于規定不同尺寸鋼材的低倍組織和缺陷。鋼中常見的宏觀缺陷①一般疏松;②中心疏松;③錠型偏析;④中心偏析;⑤皮下氣泡;⑥內部氣泡等等。
      評定各類缺陷時,以標準附錄所列圖片為準,評定時各類缺陷以目測可見為限,為了確定缺陷的類別,允許使用不大于10X的放大鏡。當其輕重程度介于相鄰兩級之間時,可評半級。對于不要求評定級別的缺陷,只判定缺陷類別。
      2.2其他
      斷口檢驗(GB/T1814-1979《鋼材斷口檢驗法》)、硫印試驗(GB/T4236-1984《鋼的硫印檢驗方法》)、塔形試驗(GB/T15711-1995《鋼材塔形發紋酸浸檢驗方法》)等,也是鋼材的宏觀檢驗技術。近年來,由于我國鋼鐵工業的技術進步,鋼材在冶煉或熱加工過程中的控制能力提高,鋼的內部或表面產生缺陷越來越少,為了減少檢驗費用,在彈簧行業多數企業不再進行此3類項目檢查。本文不在贅述。
      3、  鋼的顯微組織評定
      3.1鋼中非金屬夾雜物
      GB/T10561-2005《鋼材中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》規定了利用標準評級圖譜評定,壓縮比大于或等于3倍的軋制或鍛制鋼材中的非金屬夾雜物的顯微評定方法,檢驗方法的選取及結果表示和試驗報告等。一般鋼中非金屬夾雜物采用標準中的ISO評級別圖譜進行測定。標準的附錄A列出了ISO標準評級別圖譜,這些評級圖片相當于100倍下縱向拋光面上的面積為0.5mm2的正方形視場。根據夾雜物的形態,標準圖譜分為A、B、C、D和DS五大類。標準等效采用ISO4967:1998(E)《鋼材中非金屬夾雜物含量測定--標準評級圖顯微檢驗法》。
      非金屬夾雜物的取樣要有代表性,如果取樣不合理,就有可能造成非金屬夾雜物的漏檢。
      為了保證檢驗面的平整,避免試樣邊緣出現圓角,可用夾具或鑲嵌的辦法加以保護。夾雜物試樣應經過砂輪打平、粗磨、細磨(金相砂紙);試樣拋光時,注意防止夾雜物剝落、變形和拋光面被污染,可選用合適的拋光劑和拋光工藝,嚴格執行操作規范。在顯微鏡100X下看到的是一個無劃痕、無污物的鏡面。
      3.2金屬平均晶粒度
          GB/T6394-2002《金屬平均晶粒度測定方法》規定了金屬組織的平均晶粒度表示及評定方法。本方法主要適用于單相晶粒組織,但經具體規定后也適用于多相或多組元的試樣中特定類型的晶粒平均尺寸的測量。
       標準中使用晶粒面積、晶粒直徑、截線長度的單峰分布來測量試樣的平均晶粒度。這些分布近似正態分布。測量方法僅適用于平均晶粒度的測量,不適用于試樣三維晶粒度的測量,即立體晶粒的測量。
      晶粒度是指晶粒大小的量度,通常使用長度、面積或體積來表示不同方法的評定或測量晶粒大小。而使用晶粒度級別數表示的晶粒度與測量方法和計量單位無關。晶粒度的測量方法常用比較法、面積法、截點法。實際測量的放大倍數下晶粒度級別評定的規定按照GB/T6394-2002標準。
      真正影響鋼材使用的是鋼的奧氏體的實際晶粒度,而不是“本質晶粒度”。晶粒度是奧氏體化溫度和時間的函數,評定的不是在某任意規定溫度下的晶粒大小,而是在熱處理中實際執行奧氏體化的條件下晶粒的大小,這就是常規的“奧氏體晶粒度”。通過適當的顯示方法將晶粒顯現出來,視晶粒分布情況與狀態采用相應的測量方法,美國ASTM標準就設有一系列測量方法的標準,F行的GB/T6394-2002《金屬平均晶粒度測定方法》就是參照美國ASTM E112制定的;與即將發行的GB/T××××《測定金相試面上最大晶粒(ALA晶粒度)的試驗方法》和GB/T ××××《表征雙重晶粒度標準試驗方法》(參照ASTM E930和ASTM E1181制定的,也已經國內有關單位制定或轉化為國家標準,并通過審定,有待發布實施),將組成完整晶粒度測量標準系列。
      3.3游離石墨碳的檢驗
      彈簧鋼中含碳量較高,而且有些合金彈簧鋼含硅量也較高,硅是促使石墨化的元素,在多次退火過程中可能發生石墨化現象。鋼中一旦析出石墨碳,就如同非金屬夾雜物一樣,割裂了金屬基體,嚴重破壞了材料的性能,例如抗拉強度、屈服強度、淬火硬度對彈簧的疲勞壽命等均有不利的影響。且疲勞裂紋源又往往產生于游離石墨處,所以石墨化是一種缺陷,鋼的石墨化愈嚴重,其對性能的影響程度越加劇。石墨碳的檢驗按照GB/T13302-1991《鋼材中石墨碳顯微評定方法》標準進行,試樣應在交貨狀態的鋼材上切取,檢測面為垂直鋼材軸線的橫截面。石墨碳有絮狀和條片狀兩類,金相檢驗時,絮狀石墨碳從形態上容易與在制樣過程的拋光凹坑相混淆,應該特別注意。如試樣用4%硝酸酒精溶液輕浸蝕,游離石墨碳周圍是貧碳區,往往是鐵素體組織,這樣可以將石墨碳與制樣凹坑區別開來。
      3.4鋼的脫碳層深度
          國家標準GB/T224-2008《鋼的脫碳層深度測定法》適用于測定原材料及其螺栓成品的脫碳層深度。脫碳層深度測定可分為金相法、硬度法和化學分析法三種。
      3.4.1金相法
      金相法是在光學顯微鏡下觀察試樣從表面到心部隨著碳含量的變化而產生的組織變化。
      ①  試樣的選取與制備
      截取試樣時不能使檢測面受熱而發生變化。試樣邊緣不得倒圓、卷邊,試樣應該鑲嵌或固定在加持器內。用硝酸酒精進行腐蝕,以顯示鋼的組織結構。
      ②  脫碳層的測定
      總脫碳層的測定—-在中碳鋼、高碳鋼中是以鐵素體與珠光體或滲碳體等組織組成的相對量變化來區分的。借助于測微目鏡或直接在顯微鏡毛玻璃屏上測量從表面到其組織和基體組織已無區別的那一點距離。對每一試樣,在最深的均勻脫碳區一個視場內,應隨機進行幾次測量(至少需5次),以這些測量值的平均值作為總脫碳層深度。
      全脫碳層的測定---全脫碳層是指試樣表面脫碳后得到的全鐵素體組織,因此,測量時應從表面測至有滲碳體或有珠光體出現的那一點,或測量產生全鐵素體組織的深度為全脫碳層深度。
      3.4.2硬度法
      硬度法測脫碳層分為顯微硬度法和洛氏硬度法。
      ①  顯微硬度法
       顯微硬度法僅用 300g負荷顯微維氏硬度計,測量應在材料的橫截面邊緣線上,第2點的維氏硬度值應等于或大于第1點硬度值減去30個維氏硬度單位.若低于30個維氏硬度單位,則可計算為脫碳層深度。
      ②  洛氏硬度法
      用洛氏硬度計測定時,直接在試樣的表面上測定。洛氏硬度法根據GB/T230.1-2009測定洛氏硬度值HRC,只用于判定產品是否合格。
      3.4.3測定碳含量法
      ① 化學分析法
      用化學分析法測定逐層剝取的金屬屑的含碳量,以確定脫碳層深度。逐層剝取每一層的深度為0.1mm厚。亦可用光譜分析的方法測定逐層碳含量,直到和心部基體含碳量相同的位置,此位置到表面的垂直距離即為總脫碳層深度。
      ② 光譜分析法  
      將平面試樣逐層磨削,每層間隔0.1mm,在每一層上進行碳的光譜測定。只適用于具有合適尺寸的平面試樣。
      4、彈簧產品的金相檢驗
      普通常用的彈簧材料是碳素彈簧鋼或低合金彈簧鋼,含碳量在0.55%-0.75%范圍,常加入Si、Mn、Cr、V等合金元素,Cr和Mn主要是提高淬透性,Si提高彈性極限,V提高淬透性和細化晶粒。常用的材料有60、70、65Mn、60Si2Mn、50CrVA等等。
      彈簧是利用其彈性變形來吸收和釋放外力,要求成品具有高的彈性極限,較高的屈強比,高的疲勞強度和足夠的塑性及韌性。一般淬火溫度控制在Ac3+(30~50℃)回火溫度控制在400~500℃在實際生產中,奧氏體晶粒的長大通常是由于淬火過熱引起的,雖然正;鼗鹛幚,鋼的強度影響不明顯,但塑性及韌性大大降低,以致影響彈簧的正常使用。因此,金相檢驗時可根據實際情況適當掌握馬氏體組織的合格界限。根據日常生產經驗,硅錳鋼彈簧淬火后馬氏體組織為細馬氏體或較細馬氏體,參考JB/T9211-2008標準1-4級馬氏體合格。其奧氏體晶粒應小于5級,大于5級晶粒度的馬氏體組織為較粗馬氏體或粗大馬氏體。檢驗淬火馬氏體時,用3%硝酸酒精溶液侵蝕,在500X進行觀察及評定。
          標準JB/T9211-2008《中碳鋼與中碳合金結構鋼馬氏體等級》適用于中碳彈簧鋼與中碳合金彈簧鋼整體淬火或淬火后200℃以下回火的馬氏體組織的檢驗方法以及馬氏體金相圖片的比較法。試樣制取及試樣的侵蝕與一般金相樣品相同。該標準規定了馬氏體組織的等級為1-8級,馬氏體照片放大倍數均為500X,在評級過程中只需將樣品放大500X后的馬氏體組織與標準評級圖片進行對比就可知道該樣品的馬氏體級別。
      關于馬氏體組織等級說明見表1。
      表1   馬氏體顯微組織等級說明          
      馬氏體等級顯微組織
      1隱針馬氏體,細針馬氏體,鐵素體不大于5%
      2細針馬氏體,板條馬氏體
      3細針馬氏體,板條馬氏體
      4板條馬氏體,細針馬氏體
      5板條馬氏體,針狀馬氏體
      6板條馬氏體,針狀馬氏體
      7板條馬氏體,粗針馬氏體
      8板條馬氏體,粗針馬氏體

      由于奧氏體化溫度不同,馬氏體形態和大小不一樣。1級屬于奧氏體化溫度偏低,淬火組織是隱針馬氏體,細針馬氏體和不大于5%的鐵素體(體積分數)。而8級則屬于過熱組織,是粗大的板條馬氏體+粗片針馬氏體。正常淬火時控制在2-4級,其組織為細小的板條馬氏體+片狀馬氏體。
      經正常淬火回火后的組織為回火托氏體,出現的非馬氏體組織,未溶鐵素體或上貝氏體組織應不大于10%。
      5、  結束語
          隨著材料科學的高速發展,各種彈簧材料的大量使用,對材料結構強度和抗疲勞強度的要求越來越高,對金相檢測中定量分析的精度要求提出了新的期待。金相分析對檢測彈簧材料組織,保證產品質量是不可獲缺的重要手段。
      金相組織的分析,不僅有組織識別還有評定,既有定性又有定量、半定量的檢測,其依據是相關的國家標準或行業標準。本文所解讀的是目前的常用標準,由于標準有時效性,大家在具體應用時請注意標準的有效性。
       
      參考文獻
      1、GB/T226-1991鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法[S]. 北京:中國標準出版社 ,1991.
      2、GB/T1979-2001結構鋼低倍組織缺陷評級圖[S]. 北京:中國標準出版社 ,2001.
      3、GB/T10561-2005鋼材中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法[S]. 北京:中國標準出版社 ,2005.
      4、GB/T6394-2002金屬平均晶粒度測定方法[S]. 北京:中國標準出版社 ,2002.
      5、GB/T13302-1991鋼材中石墨碳顯微評定方法[S]. 北京:中國標準出版社 ,1991.
      6、GB/T224-2008鋼的脫碳層深度測定法[S]. 北京:中國標準出版社 ,2008.
      7、JB/T9211-2008中碳鋼與中碳合金結構鋼馬氏體等級[S]. 北京:機械工業出版社 ,2008.
      本文共分 1
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