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(chǎn)品[1],其中最常見(jiàn)的是含硫易切削鋼,占所有易切削鋼總產(chǎn)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(duì)產(chǎn)品的切削性能具有重要影響[2-3]。因此,對(duì)鋼中硫化物夾雜物進(jìn)行評(píng)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(duì)含硫易切削鋼切削性能的影響不同。目前,國(guó)內(nèi)通常根據(jù)GB/T 10561—2023《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》來(lái)評(píng)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(chǎng)內(nèi)硫化物夾雜物很長(zhǎng),幾乎每個(gè)易切削鋼試樣的硫化物夾雜物級(jí)別均大于4級(jí),因此無(wú)法通過(guò)對(duì)硫化物夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí)來(lái)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(duì)夾雜物形態(tài)進(jìn)行改變[4-5],在熱軋狀態(tài)下,硫化物夾雜物較細(xì)長(zhǎng)；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(jí)別均大于4級(jí)。雖然肉眼可見(jiàn)夾雜物的尺寸、形態(tài)已經(jīng)發(fā)生變化,但無(wú)法反映工藝前后夾雜物級(jí)別的差異。 

圖  1  1144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(lái)評(píng)價(jià)鋼中有害夾雜物的含量,屬于鋼潔凈度評(píng)價(jià)體系[6],適用于常規(guī)低硫（S元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.15%）產(chǎn)品,而易切削鋼中S作為主要合金元素加入,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%~0.35%,因此GB/T 10561—2023不適合對(duì)易切削鋼的夾雜物進(jìn)行評(píng)定,無(wú)法準(zhǔn)確表征硫化物夾雜物,需尋求其他方法,并規(guī)范中高硫產(chǎn)品中硫化物夾雜物的評(píng)級(jí)。 

目前,國(guó)外硫化物夾雜物的相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)有：德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)SEP 1572—2019《易切削鋼硫化物夾雜物非金屬夾雜物的顯微測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖法》和法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)NF A04-108《鋼鐵產(chǎn)品 機(jī)械加工性能提高的結(jié)構(gòu)鋼中硫化物夾雜物形狀類型的劃分 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖法》。其中德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)SEP 1572—2019把硫化物夾雜物的形狀、尺寸和分布作為關(guān)鍵因素來(lái)衡量產(chǎn)品的切削性能。一些德國(guó)企業(yè)在采購(gòu)易切削鋼時(shí),明確提出產(chǎn)品的硫化物夾雜物評(píng)級(jí)需依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SEP 1572—2019中的方法,從而確保產(chǎn)品具有良好的切削性能。法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)NF A04-108主要對(duì)硫化物夾雜物的形狀進(jìn)行了類型劃分。筆者對(duì)標(biāo)準(zhǔn)SEP 1572—2019中的評(píng)定方法進(jìn)行了介紹和解析,以期在進(jìn)行易切削鋼科研和生產(chǎn)時(shí),準(zhǔn)確表征含硫易切削鋼中的硫化物夾雜物,為易切削鋼產(chǎn)品質(zhì)量的提升提供理論支撐。 

1.   標(biāo)準(zhǔn)SEP 1572介紹

關(guān)于易切削鋼硫化物夾雜物的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)SEP 1572有SEP 1572—1971和SEP 1572—2019兩個(gè)版本。標(biāo)準(zhǔn)SEP 1572主要采用比較法和圖像儀法,根據(jù)試樣縱截面視場(chǎng)內(nèi)硫化物夾雜物的數(shù)量、長(zhǎng)度、寬度及長(zhǎng)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(jí)別的夾雜物圖像,每張圖像的夾雜物級(jí)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(píng)定時(shí)可根據(jù)需要選擇比較法或圖像儀法,以評(píng)定硫化物夾雜物的K級(jí)別和Z級(jí)別。下面對(duì)SEP 1572—1971和SEP 1572—2019兩個(gè)版本的標(biāo)準(zhǔn)分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。 

1.1   標(biāo)準(zhǔn)SEP 1572—1971介紹

標(biāo)準(zhǔn)SEP 1572—1971中的比較法規(guī)定,在顯微鏡放大100倍視場(chǎng)下觀察夾雜物,待觀察的單個(gè)測(cè)量區(qū)域大小應(yīng)與對(duì)比圖像大小相同（最好直徑為80 mm,對(duì)應(yīng)真實(shí)面積為0.502 5 mm2的表面）,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)譜圖,將視場(chǎng)內(nèi)的夾雜物與標(biāo)準(zhǔn)夾雜物圖譜進(jìn)行比較,并進(jìn)行分級(jí)。標(biāo)準(zhǔn)SEP 1572—1971中的評(píng)級(jí)圖譜如圖2所示,包括12張圖像,3列4行。標(biāo)準(zhǔn)SEP 1572—1971中的比較法沒(méi)有具體說(shuō)明每個(gè)級(jí)別夾雜物的數(shù)量、長(zhǎng)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(jìn)行比對(duì)。 

圖  2  標(biāo)準(zhǔn)SEP 1572—1971中的評(píng)級(jí)圖譜

標(biāo)準(zhǔn)SEP 1572—1971中的圖像儀法主要是根據(jù)視場(chǎng)內(nèi)夾雜物的數(shù)量、單個(gè)夾雜物的長(zhǎng)度和寬度、單個(gè)夾雜物的面積、視場(chǎng)內(nèi)夾雜物占視場(chǎng)面積的比等參數(shù),對(duì)長(zhǎng)度不小于4 μm的硫化物夾雜物進(jìn)行定量,未對(duì)其級(jí)別進(jìn)行評(píng)定。 

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SEP 1572—1971,對(duì)各級(jí)夾雜物進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如表1~3所示。由表1~3可知：隨著Z級(jí)別增大,視場(chǎng)內(nèi)夾雜物的長(zhǎng)度增大,夾雜物數(shù)量逐漸變少,視場(chǎng)內(nèi)夾雜物占視場(chǎng)面積的比逐漸增大；隨著K級(jí)別增大,視場(chǎng)內(nèi)夾雜物長(zhǎng)度減小,夾雜物寬度增大,夾雜物數(shù)量逐漸變少,視場(chǎng)內(nèi)夾雜物占視場(chǎng)面積的比逐漸減小,這種分布和評(píng)級(jí)圖中夾雜物的分布相近。 

1.2   標(biāo)準(zhǔn)SEP 1572—2019介紹

1.2.1   比較法

標(biāo)準(zhǔn)SEP 1572—2019中的比較法規(guī)定,單視場(chǎng)的尺寸為710 μm×710 μm（邊長(zhǎng)×邊長(zhǎng)）,采用網(wǎng)格模式逐個(gè)視場(chǎng)掃描檢測(cè)面。對(duì)于每個(gè)視場(chǎng),記錄與標(biāo)準(zhǔn)圖譜最接近的圖像。長(zhǎng)度大于710 μm的顆粒標(biāo)注為超大顆粒。比較法無(wú)法提供除級(jí)別以外的其他硫化物夾雜物參數(shù),如夾雜物的長(zhǎng)度、寬度等。試樣評(píng)級(jí)結(jié)果是根據(jù)檢測(cè)面內(nèi)占優(yōu)勢(shì)視場(chǎng)的硫化物夾雜物級(jí)別決定的。相比標(biāo)準(zhǔn)SEP 1572—1971,標(biāo)準(zhǔn)SEP 1572—2019的評(píng)級(jí)圖譜有很大改變：新版圖譜以一定算法通過(guò)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(lái)的12張變?yōu)?6張,其K級(jí)別和Z級(jí)別也相應(yīng)進(jìn)行了擴(kuò)展,K從1~3級(jí)增加為0~3級(jí),Z從1~4級(jí)增加為0~7級(jí)（見(jiàn)圖3）,可評(píng)定的夾雜物形貌更豐富。 

圖  3  標(biāo)準(zhǔn)SEP 1572—2019中的評(píng)級(jí)圖譜

1.2.2   圖像儀法

標(biāo)準(zhǔn)SEP 1572—2019中的圖像儀法主要是通過(guò)公式計(jì)算劃分了K和Z。標(biāo)準(zhǔn)SEP 1572—2019中圖像儀法可評(píng)定長(zhǎng)度不小于3 μm,寬度不小于2 μm的夾雜物。評(píng)定方法為：首先測(cè)量視場(chǎng)內(nèi)各夾雜物的長(zhǎng)度l、寬度b、長(zhǎng)寬比s；將b、s分別代入式（1）~（3）,根據(jù)表4計(jì)算g1、g2、g3,依次得出夾雜物的列值K。 

Z的計(jì)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(guān)系： 

對(duì)于Z=0,修改條件為： 

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

視場(chǎng)中各夾雜物的K和Z級(jí)別確定后,對(duì)單視場(chǎng)中同一級(jí)別硫化物夾雜物的面積進(jìn)行相加,加和面積最大的夾雜物級(jí)別就是該視場(chǎng)中硫化物夾雜物的級(jí)別。當(dāng)確定試樣檢測(cè)面內(nèi)全部視場(chǎng)的夾雜物級(jí)別后,以占優(yōu)勢(shì)視場(chǎng)數(shù)目的夾雜物級(jí)別來(lái)確定試樣硫化物夾雜物的級(jí)別。在不同級(jí)別視場(chǎng)數(shù)相等的情況下,如列值相等,根據(jù)最高行值劃分級(jí)別；如行值相等,根據(jù)最高列值劃分級(jí)別。長(zhǎng)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(píng)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(fù)雜零件的加工要求,適用于制造各種機(jī)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(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.41%,錳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.35%,硫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.26%,磷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04%。對(duì)1144易切削鋼進(jìn)行磨拋,利用光學(xué)顯微鏡觀察1144易切削鋼的硫化物夾雜物,結(jié)果如圖4所示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SEP 1572—2019對(duì)其硫化物夾雜物進(jìn)行評(píng)定。 

圖  4  1144易切削鋼中硫化物夾雜物的微觀形貌

采用比較法對(duì)硫化物夾雜物級(jí)別進(jìn)行評(píng)定,將圖4與標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖進(jìn)行比較,可評(píng)級(jí)為2.1級(jí)。 

采用圖像儀法對(duì)硫化物夾雜物級(jí)別進(jìn)行評(píng)定。首先對(duì)圖4進(jìn)行閾值分割,分割時(shí)選取合適的閾值,盡量使每個(gè)夾雜物都能選取上,結(jié)果如圖5所示。用金相軟件測(cè)量視場(chǎng)內(nèi)各夾雜物的長(zhǎng)度、寬度、面積、長(zhǎng)寬比；去除寬度小于2 μm的夾雜物,將測(cè)量數(shù)據(jù)代入式（1）~（3）中,得出每個(gè)夾雜物的K級(jí)別；當(dāng)K為3級(jí)時(shí),將長(zhǎng)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(jié)果

1144易切削鋼中各硫化物夾雜物的評(píng)級(jí)結(jié)果如表6所示。由表6可知：K分別為0,1,2,3級(jí)；Z分別為1,2,3級(jí)。按照SEP 1572—2017,單視場(chǎng)內(nèi)硫化物加和面積最大的級(jí)別為該視場(chǎng)硫化物級(jí)別,結(jié)果為2.1級(jí)。 

當(dāng)單視場(chǎng)內(nèi)每個(gè)夾雜物的K和Z級(jí)別確定后,可知視場(chǎng)內(nèi)的夾雜物級(jí)別涵蓋多個(gè)級(jí)別,如：1.0,2.0,2.1,2.2,3.0,3.3級(jí)等。由于每個(gè)試樣的檢測(cè)面上包含很多視場(chǎng),確定每個(gè)視場(chǎng)硫化物夾雜物的K和Z級(jí)別后,以視場(chǎng)數(shù)量占優(yōu)原則,確定該試樣夾雜物的級(jí)別,其中2.1級(jí)的夾雜物數(shù)量最多,為50個(gè)。因此確定該試樣夾雜物級(jí)別為2.1級(jí),該結(jié)果與比較法結(jié)果相同。 

由于視場(chǎng)中夾雜物數(shù)量較多,對(duì)每個(gè)夾雜物進(jìn)行判定比較耗時(shí)費(fèi)力,建議采用軟件進(jìn)行分析,以避免人工評(píng)定的干擾,準(zhǔn)確地評(píng)定夾雜物的級(jí)別。 

3.   結(jié)語(yǔ)

標(biāo)準(zhǔn)SEP 1572兩個(gè)版本均采用了比較法和圖像儀法來(lái)評(píng)價(jià)硫化物夾雜物,其中比較法是對(duì)整個(gè)視場(chǎng)進(jìn)行評(píng)級(jí),而不對(duì)單個(gè)硫化物夾雜物顆粒進(jìn)行評(píng)級(jí)；圖像儀法是先評(píng)定單視場(chǎng)中每個(gè)硫化物夾雜物顆粒的級(jí)別,然后以占單視場(chǎng)中面積最大原則評(píng)定單視場(chǎng)的硫化物級(jí)別,最后以占優(yōu)勢(shì)視場(chǎng)數(shù)目的夾雜物級(jí)別作為試樣硫化物夾雜物的級(jí)別。 

與標(biāo)準(zhǔn)SEP 1572—1971相比,標(biāo)準(zhǔn)SEP 1572—2019中比較法的標(biāo)準(zhǔn)圖譜是模擬圖,圖譜數(shù)量從原來(lái)的12張?jiān)黾拥搅?6張,且K和Z均有增加。比較法使用起來(lái)簡(jiǎn)單、方便,能快速評(píng)定硫化物夾雜物的級(jí)別。標(biāo)準(zhǔn)SEP 1572—2019中圖像儀法是通過(guò)公式計(jì)算進(jìn)行夾雜物級(jí)別的評(píng)定,過(guò)程中避免了人為干擾因素,評(píng)定結(jié)果的準(zhǔn)確性較好。

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