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    钢及钢管中的非金属夹杂物

    2018-12-04   来源:   点击数:26次 选择视力保护色: 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色)   合适字体大小:
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       中国钢管信息港当地报道:热处理是指材料在固态下,通过加热、保温和冷却的手段,以获得预期组织和性能的一种金属热加工工艺。
      
      金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同,每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺。同一种金属采用不同的热处理工艺,可获得不同的组织,从而具有不同的性能。
      
      整体热处理是对工件整体加热,然后以适当的速度冷却,获得需要的金相组织,以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。
      
      退火→将工件加热到适当温度,根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间,然后进行缓慢冷却,目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态,获得良好的工艺性能和使用性能,或者为进一步淬火作组织准备。
      
      正火→将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却,正火的效果同退火相似,只是得到的组织更细,常用于改善材料的切削性能,也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。
      
      淬火→将工件加热保温后,在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬火介质中快速冷却。淬火后钢件变硬,但同时变脆,为了及时消除脆性,一般需要及时回火。
      
      回火→将淬火后的钢件在高于室温而低于650℃的某一适当温度进行长时间的保温,再进行冷却。目的是降低钢件的脆性。
      
      中国钢管信息港当地报道:退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”,其中的淬火与回火关系密切,常常配合使用,缺一不可。例如,为了获得一定的强度和韧性,把淬火和高温回火结合起来的工艺,称为调质。某些合金淬火形成过饱和固溶体后,将其置于室温或稍高的适当温度下保持较长时间,以提高合金的硬度、强度或电性磁性等。这样的热处理工艺称为时效处理。
      
      工 艺 名 称
      
      作   用
      
      应用范围
      
      退火
      
      均匀化退火
      
      成分均匀化
      
      铸钢件及有成分偏析的锻轧件
      
      完全退火
      
      细化组织和降低硬度
      
      亚共析钢锻、焊、轧件
      
      等温退火
      
      细化组织,降低硬度,防止白点
      
      碳钢、合金钢以及高合金钢的锻件、冲压件等。较完全退火的组织和性能更均匀,且缩短工艺周期
      
      球化退火
      
      碳化物球状化,降低硬度,提高塑性
      
      共析钢或过共析钢(如工模具、轴承钢)
      
      不完全退火
      
      (亚临界退火)
      
      细化组织,降低硬度
      
      中、高碳钢及低合金钢的锻、轧件,组织细化程度低于完全退火
      
      再结晶退火
      
      (低温退火)
      
      消除加工硬化,使冷变形晶粒再结晶为细小等轴晶
      
      冷变形钢材和零件
      
      去应力退火
      
      消除内应力,使之达到稳定状态
      
      铸件、焊接件、锻轧件及机加工件
      
      正    火
      
      提高硬度,改善加工性能,防止机加工“粘刀”,降低表面粗糙度
      
      低碳钢
      
      细化晶粒,均匀组织,为淬火做好组织准备
      
      中碳钢、合金钢
      
      消除网状碳化物,为球化退火作准备
      
      高碳钢、高合金钢
      
      消除渗层中的网状碳化物
      
      渗碳钢
      
      消除不正常组织(如粗晶等)
      
      铸件、锻件
      
      最终热处理
      
      要求不高的碳钢
      
      淬火
      
      单介质淬火
      
      中国钢管信息港当地报道:在单一冷却介质(如油、水、空气等)中淬火,达到硬度、强度等要求
      
      最常用方法
      
      双介质淬火
      
      在两种淬火介质(水—油,水—空气,油—空气等)中淬火,保证足够淬硬层,避免淬裂,减少变形
      
      中、高碳钢零件
      
      合金钢大型零件
      
      分级淬火
      
      先淬入浴槽中,使零件内外温度都达到浴槽介质温度,然后淬入另一种冷却较缓慢的介质,减少变形和开裂
      
      形状复杂、变形要求严格的零件,包括尺寸小的合金钢、碳钢零件,尺寸较大零件或淬透性差的钢种
      
      贝氏体等温淬火
      
      先淬入浴槽中完成淬火,然后再空冷,获得良好综合性能,减少变形和开裂
      
      合金钢及ω(C)>0.6%碳钢零件
      
      高碳工模具钢零件
      
      固溶处理
      
      将其它相充分溶解到固溶体中
      
      沉淀硬化不锈钢、马氏体时效钢
      
      工 艺  名 称
      
      作    用
      
      应用范围
      
      回火
      
      低温回火
      
      150~250℃回火,获得回火马氏体组织。目的是在保持高硬度条件下,提高塑性和韧性
      
      超高强度钢、工模具钢、量具、刃具、轴承及渗碳件
      
      中温回火
      
      350~500℃回火,获得托氏体组织。目的是获得高弹性和足够的硬度,保持一定韧性
      
      中温超高强度钢、弹簧、热锻模具
      
      高温回火
      
      500~650℃回火,获得索氏体组织。目的是达到较高强度与韧性良好配合
      
      结构钢零件、渗氮件预备热处理
      
      多次回火
      
      淬火后进行二次以上回火,进一步促使残留奥氏体转变,消除内应力,使尺寸稳定
      
      超高强度钢、工模具钢、高速钢
      
      时效
      
      从过饱和固溶体中析出金属间化合物,提高强度、硬度
      
      渗碳(含碳氮共渗)
      
      增加表层碳含量,提高表面硬度、耐磨性及抗疲劳性能
      
      碳氮共渗与渗碳相似,但渗入温度略低,渗层较浅,变形较小
      
      用于心部有一定强度和良好韧性而表面要求高硬度(58~64HRC)的场合,还用于提高耐磨性或疲劳性能的场合。主要用于齿轮、销类和轴类零件
      
      渗氮(含氮碳共渗)
      
      中国钢管信息港当地报道:增加表层氮含量,提高表面硬度、耐磨性、疲劳性能,以及热硬性(≤500℃)和抗胶合性
      
      氮碳共渗与渗氮相似,但渗入温度略高,表面硬化稍低
      
      与渗碳相比,渗氮的渗层较浅,硬度高,不能承受大接触应力和冲击负荷,生产周期长
      
      用于心部保持良好韧性而表面要求高硬度(65~72HRC)场合,还用于提高耐磨性,疲劳性能,耐蚀性或热硬性场合
      
      渗金属及非金属
      
      使另一种或多种金属,如Al、Cr、Si、B、V、W、Mo、Zn、Re等渗入表层,提高耐蚀性,抗氧化性、耐磨性等
      
      渗铝或铝与其他元素共渗,主要用于高温防护,提高高温抗氧化和热蚀性
      
      Fe-Fe3C相图对于钢的热处理工艺的制订有极为重要的意义,各种热处理工艺的加热温度都是以相图上的临界点A1 、A3 、Acm为依据的。
      
      共析钢在加热或冷却过程中经过PSK线(A1)时,发生P与A之间的相互转变;亚共析钢经过GS线(A3)时,发生先共析铁素体完全溶入奥氏体或先共析铁素体开始从奥氏体中析出的转变;过共析钢经过ES线(Acm)时,发生先共析渗碳体完全溶入奥氏体或先共析渗碳体开始从奥氏体中析出的转变。
      
      碳钢经热处理后的组织大都是不平衡组织,因此,在研究热处理后的组织时,不但要使用铁碳相图,而且要用钢的过冷奥氏体转变曲线(TTT或CCT曲线)来分析。
      
      非金属夹杂物的性质、形态、分布、尺寸及含量不同,对钢性能的影响也不同。所以提高金属材料的质量,生产出洁净钢,或控制非金属夹杂物性质和要求的形态,是冶炼和铸锭过程中的一个艰巨任务。而对于金相分析工作者来说,如何正确判断和鉴定非金属夹杂笺也因此变得十分重要。
      
      1  钢中非金属夹杂物的来源分类
      
      1.1 内生夹杂物
      
      钢在冶炼过程中,脱氧反应会产生氧化物和硅酸盐等产物,若在钢液凝固前未浮出,将留在钢中。溶解在钢液中的氧、硫、氮等杂质元素在降温和凝固时,由于溶解度的降低,与其他元素结合以化合物形式从液相或固溶体中析出,最后留在钢锭中,它是金属在熔炼过程中,各种物理化学瓜形成的夹杂物。内生夹杂物分布比较均匀,颗粒也较小,正确的操作和合理的工艺措施可以减少其数量和改变其成分、大小和分布情况,但一般来说是不可避免的。
      
      1.2 外来夹杂物
      
      钢在冶炼和浇注过程中悬浮在钢液表面的炉渣、或由炼钢炉、出钢槽和钢包等内壁肃落的耐火材料或其他夹杂物在钢液凝固前未及时清除而留于钢中。它是金属在熔炼过程中与外界物质接触发生作用产生的夹杂物。如炉料表面的砂土和炉衬等与金属液作用,形成熔渣而滞留在金属中,其中也包括加入的熔剂。这类夹杂物一般的牲是外形不规则,尺寸比较大,颁也没有规律,又称为粗夹杂。这类夹杂物通过正确的操作是可以避免的。
      
      2.1 氧化物系夹杂
      
      简单氧化物有FeO,Fe2O3,MnO,SiO2,Al2O3,MgO和Cu2O等。在铸钢中,当用硅铁或铝进行脱氧时,夹杂比较常见。在钢中常常以球形聚集呈颗粒状成串分布。复杂氧化物,包括尖晶石类夹杂物和各种钙的铝酸盐等,以及钙的铝酸盐(图2b)。硅酸盐夹杂也属于复杂氧化物夹杂,这类夹杂物有2FeOSiO2(铁硅酸盐)、2MnO.SiO2(锰硅酸盐)和CaO.SiO2(钙硅盐)等(图3a)这类夹杂物在钢的凝固过程中,由于冷却速度较快,某些液态的硅酸盐来不及结晶,其全部或部分以玻璃太的形式保存于钢中。
      
      2.2 硫化物系夹杂
      
      主要是FeS, MnS和CaS等。由于低熔点的FeS易形成热脆,所以一般均要求钢中要含有一定量的锰,使硫与锰形成熔点较高的MnS而消除FeS的危害。因此钢中硫化物夹杂主要是  MnS(图3b).
      
      铸态钢中硫化物夹杂的形态通常分为三类:①形态为球形,这种夹杂物通常出现在用硅铁脱氧不完全的钢中;②在光学显微镜下观察呈链状的极细的针状夹杂;③呈块状,外形不规则,在过量铝脱氧时出现。
      
      2.3 氮化物夹杂
      
      当钢中加入与氮亲和力较大的元素时形成A1N,TiN,ZrN和VN等氮化物。在出钢和浇铸过程中钢液与空气接触,氮化物的数量显着增加。
      
      3 按夹杂物的塑性变形能力分类
      
      (1) 脆性夹物  热加工时该类夹杂物形状和尺寸都不变化,但可能沿加工方向成串排列或呈点链状,属于这类夹杂物的有Al2O3和Cr2O3。
      
      (2) 塑性夹杂物 热变形时该类夹杂物具有良好范性,沿变形方向延伸成条带状。属于这类的有硫化物及   含量较低(40%~60%)的铁锰硅酸盐。
      
      (3) 球状不变性夹杂  铸态呈球状,热加工后保持球状不变,如SiO2及含SiO2较高(>70%)的硅酸盐。
      
      (4) 半塑性夹杂物  指各种复相的铝硅酸盐夹杂。基体铝硅酸盐有塑性,热加工时将产生塑性变形,但是其中包含着的析出相如氧化铝等是脆性的,加工时仍保持原状或只是拉开距离。
      
      4  夹杂物的鉴定
      
      早期的工作者主要用光学显微镜配合X射线结构分析和化学成分分析,积累了宝贵的经验和丰富的资料。近年来,采用电子探针对夹杂物进行微区成分分析日益增多。目前鉴定夹杂物的大致方法有以下两种。
      
      4.1 金相法与微区域成分分析相结合
      
      在金相观察中选出待定夹杂物后,用电子探险针(EPMA)进行微区成分分析或者应用扫描电镜(SEM)自带能谱分析你(EDS)进行成分分析。通常可以测定尺寸大于1um的夹杂物的组成元素和大致成分,如果采用个别元素的面扫描还可以得到更为直观的结果。图4是使用扫描电镜对Q460钢中的一颗夹杂物进行的面分析图谱,依次进行硫、锰、硅和铁四种元素的面扫描,从扫描结果可以推断出,明场观察中夹杂物为MnS, SiO2,和FeS,通过能谱仪(EDS)对其进行成分分析,还可直接得到各元素的质量分数。
      
      4.2 光学金相法
      
      在光学显微镜下利用明视场观察夹杂物的颜色、形态、大小和分布;在暗场下观察夹杂物的固有色彩和透明度;在正交偏振光下观察夹杂物的各种光学性质,从而判断夹杂物类型。根据夹杂物的分布情况及数量评定相应的级别,评判其对钢材性能的影响。目前检验和研究钢中非金属夹杂物的方法很多,有化学法、岩相法、金相法、电子探针和电子扫描法等。
      
      有金相法鉴定夹杂物是根据夹杂物的形貌、分布及其在明场、暗场和偏光下的光学特征(表1),与已知的夹杂物特征对照以确定其类型。必要时可以测定夹杂物的显微硬度或经受化学试剂腐蚀的能力。非金属夹杂物的金相法鉴定步骤见表2。
      
      5 非金属夹杂物的定量评级
      
      5.1 国标评级
      
      定量测定是优质钢以及高级优质钢的常规检测项目之一。 夹杂物类型已知的条件下,采用标准等级比较法,以判定钢材质量的优劣或是否合格。夹杂物的评级可以根据GB/T10561-2005标准进行。试样经过仔细抛光,夹杂物应保存完好,不经侵蚀在放大100倍显微镜下观察。把试样上夹杂物最严重的视场与标准级别图片比较来评定其等级。GB/T10561-2005标准列出三类夹杂物的级别图。氧化物为一类,硫化物又按照夹杂物最严重的粗细分为两个系列,每一个系列分5级,级别越高,表示夹杂物含量越多。评级时若不能评成整数,可以采用半级。作为重要零件用的合金结构钢或工具钢,应根据零件的要求定出非金属夹杂物的合格级别,对于合金结构钢,一般最高级别不得超过氧化物及硫化物各3级,两者之和为5.5级。中国钢管信息港当地报道
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