Количественная оценка загрязненности стали неметаллическими включениями

Включения в стали могут иметь размеры от дисперсных, неразличимых при обычно применяемых увеличениях микроскопа, до крупных, видимых невооруженным глазом и имеющих иногда протяженность в несколько десятков миллиметров. Поэтому следует различать макровключения (размером более 1 мм) и микровключения (размером менее 1 мм).

Методы определения загрязненности металла макро- и микровключениями различны.

Методы определения загрязненности металла макро- и микровключениями различны. Для определения степени загрязненности металла макровключениями пользуются ГОСТ 3763, который предусматривает применение методов испытания на синий излом, ступенчатого машинного и магнитной дефектоскопии. Параметрами, характеризующими неметаллические включения по этому стандарту, считают общее количество и длину или ширину включений. По типу включения не различают.

Сущность метода испытания на синий излом состоит в определении общего количества и распределения неметаллических включений, видимых на поверхности продольного излома, нагретого до температуры, вызывающей синий цвет побежалости. включения имеют вид белых строчек. Образец толщиной 10 мм отрезают от изделия в холодном или горячем состоянии ацетиленовой горелкой, причем излом должен находиться вне зоны термического влияния. Образец для испытания может иметь надрез в середине одной из сторон перпендикулярно продольной оси изделия. Форма и глубина надреза не являются регламентируемыми характеристиками (наличие надреза упрощает излом образца для испытания).

После нормализации Образец нагревают на воздухе так, чтобы в начале испытания металл имел температуру синеломкости (300—350 °С). излом на одной из двух разрушенных частей образца осматривают невооруженным глазом или с помощью увеличительного стекла с увеличением 10. Неметаллические включения контролируются путем сравнения с серией из 10 эталонов, имеющихся в стандарте, либо подсчета включений с использованием параметра длины и (или) толщины включений.

Способ оценки полученных результатов выбирают по договоренности между заинтересованными сторонами. Недостатком этого метода является то, что ферритные полосы и карбидные строчечные включения могут быть приняты за неметаллические включения.

Сущность ступенчатого машинного метода заключается в определении общего количества и распределения неметаллических включений, обнаруживаемых в процессе машинной обработки и видимых на продольных поверхностях цилиндрического образца. Количество образцов и их расположение в прутках и болванках стандартом не регламентируются. Образец для испытания обычно содержит три уступа такой длины и диаметра, чтобы площадь поверхности всех уступов была одинаковой. Образец для испытания должен быть точно центрирован; его поворачивают так, чтобы глубина последнего среза была меньше 0,2 мм. Подвергнутая машинной обработке поверхность должна быть ровной и чистой, без резко выраженного рельефа.

Образец осматривают невооруженным глазом или с помощью увеличительного стекла с максимальным увеличением 10. Подсчитанное количество включений очерчивают, чтобы исключить возможность повторного подсчета. Для каждого уступа определяют количество включений и их длину.

Применение этого метода обладает тем недостатком, что машинная обработка помимо неметаллических включений может выявить трещины, расслои от усадочной раковины и другие макроскопические дефекты.

Сущность метода магнитной дефектоскопии заключается в осмотре обработанной на станке поверхности образца для испытания, которую покрывают жидкостью, содержащей суспензию ферромагнитного порошка, и подвергают воздействию магнитного поля. Неметаллические включения вызывают искажение индуцированного магнитного поля, которое притягивает и удерживает ферромагнитный порошок, давая визуальную индикацию. Метод может применяться только для ферромагнитных сталей. Отбор, количество и расположение образцов стандартом не оговаривается.

Контролируемая поверхность должна являться продольной плоскостью изделия. Подготавливают ее чистым шлифованием в направлении, перпендикулярном направлению прокатки, чтобы различить все метки, нанесенные при механической обработке, и избежать «вырывания» включений. Магнитная жидкость, которая наносится на образец, состоит из 5—10 г магнитного порошка (окиси железа с размером частиц 0,5—1 мкм) на 1 л жидкости. В качестве жидкости может применяться вода (с антикоррозионными добавками), керосин или прозрачное светлое минеральное масло.

Метод намагничивания предполагает прямое пропускание через Образец тока интенсивностью 200 А/см² с обработкой поверхности жидкостью. После этого Образец тщательно просушивают струей воздуха. Магнитное изображение рассматривают под белым флуоресцентным светом. Вместо непосредственного изучения поверхности можно исследовать ее отпечаток. Для этого на поверхности помещают кусок липкой ленты из прозрачной целлюлозы, клейкой стороной к образцу. Ленту прижимают к образцу таким образом, чтобы к ней прилип магнитный порошок. Эту операцию следует выполнять под током, чтобы избежать изменения магнитного изображения.

Количество строчечных включений, а также их распределение по размерам можно получить, используя классификацию для ступенчатого метода испытания.

Макровключения, кроме указанных способов контроля, для исследовательских целей могут оцениваться другими способами. При этом наиболее удобными критериями загрязненности макровключениями являются среднее количество этих включений на определенной площади и средняя суммарная протяженность включений на определенной площади.

Существующие методы оценки загрязненности металла микровключениями разделяются на методы сравнения загрязненности шлифа включениями с эталонными шкалами и методы подсчета включений на нетравленном шлифе с определением объемного или массового количества включений. Оценивают загрязненность конструкционных сталей и сплавов шкалами ГОСТ 1778—70 (метод Ш), подшипниковой — ГОСТ 801—78. Неметаллические включения определяют только на деформированном металле диаметром или толщиной не менее 6 мм на шлифах с продольным направлением волокон. Загрязненность деформированного металла диаметром или толщиной менее 6 мм определяют в промежуточном профилеилизаготовке.

Классификация включений подшипниковой стали по природе, а также по критериям оценки загрязненности является как бы частным случаем более общей классификации. Однако имеются и существенные различия при определении загрязненности по этим стандартам. Так, шкалы неметаллических включений по ГОСТ 1778—70 пятибалльные, а по ГОСТ 801—78 —четырехбалльные. По ГОСТ 1778—70 предусматривается возможность оценки загрязненности при увеличениях 90—100 и 170—210, причем для каждого увеличения оговаривается по два диаметра поля зрения. Так, для увеличения 90—НО предусмотрены диаметры поля зрения 0,75—0,85 и 1,1— 1,3 мм, а для увеличения 170—210 — 0,38—0,48 мм и 0,60—0,80 мм. При определении загрязненности по ГОСТ 801—78 регламентируется только одно увеличение 90—110 и один диаметр поля зрения 1,1—1,3 мм.

Недостатком существующих шкал является объединение в одной шкале двух показателей, в основном определяющих влияние включений данного типа на качество стали: общая загрязненность стали, характеризуемая процентом включений по объему, и дисперсность включений, оцениваемая их размерами. При общей низкой загрязненности стали включения данного типа могут быть очень крупными и наоборот, в то время как шкалы построены так, что этот фактор в них совершенно не учтен. Кроме того, оценка чистоты стали по эталонам в значительной степени является субъективной, так как Форма и распределение неметаллических включений на шлифе очень разнообразны и не всегда соответствуют схемам шкал.

В общем случае определение загрязненности по шкале стандарта носит полуколичественный характер и не всегда позволяет ответить на вопрос о действительной степени загрязненности той или иной плавки неметаллическими включениями. Именно поэтому в ГОСТ 1778—70 приведены три количественных метода оценки загрязненности: К— для испытания деформированного и литого металла; П — для подсчета объемного процента включений деформированного и литого металла; Л — для линейного подсчета включений литого металла.

Метод К рекомендован для контроля шарико- и роликоподшипниковых сталей, коррозионностойких сталей, прецизионных сплавов, а также конструкционных и инструментальных сталей, предназначенных для изготовления изделий высокого класса точности и чистоты поверхности.

Для подсчета степени загрязненности деформированного металла по методу К применяют шлифы с продольным направлением волокна. Всю площадь шлифа просматривают при увеличении 170— 180, причем включения по природе делят на кислородные, сульфидные и нитридные. По размерам включения делятся на группы с возрастанием размера на 1 деление окулярной шкалы (например, 1-я группа — 1—2 деления окулярной шкалы, а 5-я — свыше 5—6). Количество групп зависит от максимальных размеров включений.

Критерием оценки загрязненности плавки неметаллическими включениями по этому методу служит количество включений каждой группы на площади 24 см² (эта площадь приведена из расчета 6 шлифов на плавку, причем площадь каждого шлифа 4 см²). Иногда в качестве критерия применяют не количество включений каждой группы, а количество включений групп с большим размером, например, 2—5-й групп.

Метод П предусматривает определение загрязненности деформированного металла на шлифах с поперечным направлением волокон. Шлиф просматривают при увеличениях от 300 до 600 в зависимости от степени дисперсности включений. Разделение включений по природе стандартом не регламентируется — исследователь выбирает те виды включений, которые необходимы для решения поставленной перед ним задачи.

Размер включений на шлифах определяют с помощью окулярной шкалы по группам. Группы построены по принципу возрастания площади включений в геометрической прогрессии со знаменателем 2. Перед просмотром Шлиф расчерчивают от края до центра на пять равных зон . В каждой зоне шлифа поля зрения выбирают по прямым линиям, перпендикулярным к оси слитка или проката. Для подсчета площади, занятой включениями на шлифе, количество включений каждой группы умножают на

среднее значение площади включений данной группы и полученные произведения но всем группам суммируют.

Критерием оценки загрязненности плавки неметаллическими включениями по этому методу является среднее арифметическое значение процента по объему для каждого шлифа и количество включений определенных групп на площади 100 см².

Содержание включений в объемных процентах V вычисляют по формулеV = fcpK,

где fс_Р— средняя площадь включений в одном поле зрения, определяется как частное от деления общей площади включений на количество полей зрения;

K — коэффициент, равный 100/F;

F= πD²/4— площадь поля зрения, выраженная в делениях окулярной шкалы в квадрате;

D— диаметр поля зрения в делениях окулярной шкалы, определяемый делением диаметра поля зрения, мм, на цену деления окулярной шкалы.

Величины F,Dи Кявляются постоянными для данного микроскопа и увеличения.

Метод П рекомендуется стандартом как исследовательский для сталей и сплавов всех марок.

По методу Л определяют загрязненность литой стали при увеличении 300 или 500. Предварительно Шлиф расчерчивают параллельными линиями в произвольном направлении таким образом, чтобы выбранная для подсчета длина была не менее 3 см и охватывала все зоны литых проб. Шлиф передвигают с помощью микрометрических винтов предметного столика микроскопа в одном направлении вдоль отмеченных линий, замеряют максимальные размеры включений, попадающих в перекрестие нитей окуляра, и фиксируют их в соответствии с группами, указанными в табл. 18. Вид включений, подлежащих оценке, зависит от цели исследования.

Критерием оценки загрязненности плавки неметаллическими включениями по методу Л является загрязненность включениями на общей длине 10 см.

Метод Л рекомендуется стандартом как исследовательский для оценки литья из углеродистой и легированной конструкционной стали.

Так как рекомендованные стандартом счетные методы отличаются исключительно высокой трудоемкостью (особенно Метод П), в исследовательских целях для решения определенных задач применяются и другие методы подсчета загрязненности стали неметаллическими включениями, например, линейно-поперечный (аналогичен методу Л по ГОСТ 1778—70).

Для оценки загрязненности стали крупными строчечными неметаллическими включениями на каждом шлифе определяют максимальную длину строчки и суммарную длину строчек, приходящуюся на 1 см²поверхности шлифа. Загрязненность плавки оценивается средними величинами этих характеристик и максимальной длиной строчки из группы анализируемых шлифов.

Широкое распространение для подсчета неметаллических включений получили телевизионные устройства типа «Квантимет». В микроскопах такого типа имеется система памяти, что позволяет устранить повторный подсчет одних и тех же неметаллических включений, а также ограничитель, позволяющий учитывать неметаллические включения только определенного размера. Различные по природе неметаллические включения дифференцируются по разнице в их отражательной способности. Этот анализ требует исключительно качественного приготовления шлифов. Кроме того, возникают трудности при оттенении включений разного типа.

Источник:

М.И. Виноград. Включения в стали и ее свойства. Металлургиздат 1963 г.
Кислинг р., Ланге Н. Неметаллические включения в стали. Металлургия 1968 г.