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    鋼及鋼管中的非金屬夾雜物

    2018-12-04   來源:   點擊數:26次 選擇視力保護色: 杏仁黃 秋葉褐 胭脂紅 芥末綠 天藍 雪青 灰 銀河白(默認色)   合適字體大小:
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       中國鋼管信息港當地報道:熱處理是指材料在固態下,通過加熱、保溫和冷卻的手段,以獲得預期組織和性能的一種金屬熱加工工藝。
      
      金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理、表面熱處理和化學熱處理三大類。根據加熱介質、加熱溫度和冷卻方法的不同,每一大類又可區分為若干不同的熱處理工藝。同一種金屬采用不同的熱處理工藝,可獲得不同的組織,從而具有不同的性能。
      
      整體熱處理是對工件整體加熱,然后以適當的速度冷卻,獲得需要的金相組織,以改變其整體力學性能的金屬熱處理工藝。鋼鐵整體熱處理大致有退火、正火、淬火和回火四種基本工藝。
      
      退火→將工件加熱到適當溫度,根據材料和工件尺寸采用不同的保溫時間,然后進行緩慢冷卻,目的是使金屬內部組織達到或接近平衡狀態,獲得良好的工藝性能和使用性能,或者為進一步淬火作組織準備。
      
      正火→將工件加熱到適宜的溫度后在空氣中冷卻,正火的效果同退火相似,只是得到的組織更細,常用于改善材料的切削性能,也有時用于對一些要求不高的零件作為最終熱處理。
      
      淬火→將工件加熱保溫后,在水、油或其它無機鹽、有機水溶液等淬火介質中快速冷卻。淬火后鋼件變硬,但同時變脆,為了及時消除脆性,一般需要及時回火。
      
      回火→將淬火后的鋼件在高于室溫而低于650℃的某一適當溫度進行長時間的保溫,再進行冷卻。目的是降低鋼件的脆性。
      
      中國鋼管信息港當地報道:退火、正火、淬火、回火是整體熱處理中的“四把火”,其中的淬火與回火關系密切,常常配合使用,缺一不可。例如,為了獲得一定的強度和韌性,把淬火和高溫回火結合起來的工藝,稱為調質。某些合金淬火形成過飽和固溶體后,將其置于室溫或稍高的適當溫度下保持較長時間,以提高合金的硬度、強度或電性磁性等。這樣的熱處理工藝稱為時效處理。
      
      工 藝 名 稱
      
      作   用
      
      應用范圍
      
      退火
      
      均勻化退火
      
      成分均勻化
      
      鑄鋼件及有成分偏析的鍛軋件
      
      完全退火
      
      細化組織和降低硬度
      
      亞共析鋼鍛、焊、軋件
      
      等溫退火
      
      細化組織,降低硬度,防止白點
      
      碳鋼、合金鋼以及高合金鋼的鍛件、沖壓件等。較完全退火的組織和性能更均勻,且縮短工藝周期
      
      球化退火
      
      碳化物球狀化,降低硬度,提高塑性
      
      共析鋼或過共析鋼(如工模具、軸承鋼)
      
      不完全退火
      
      (亞臨界退火)
      
      細化組織,降低硬度
      
      中、高碳鋼及低合金鋼的鍛、軋件,組織細化程度低于完全退火
      
      再結晶退火
      
      (低溫退火)
      
      消除加工硬化,使冷變形晶粒再結晶為細小等軸晶
      
      冷變形鋼材和零件
      
      去應力退火
      
      消除內應力,使之達到穩定狀態
      
      鑄件、焊接件、鍛軋件及機加工件
      
      正    火
      
      提高硬度,改善加工性能,防止機加工“粘刀”,降低表面粗糙度
      
      低碳鋼
      
      細化晶粒,均勻組織,為淬火做好組織準備
      
      中碳鋼、合金鋼
      
      消除網狀碳化物,為球化退火作準備
      
      高碳鋼、高合金鋼
      
      消除滲層中的網狀碳化物
      
      滲碳鋼
      
      消除不正常組織(如粗晶等)
      
      鑄件、鍛件
      
      最終熱處理
      
      要求不高的碳鋼
      
      淬火
      
      單介質淬火
      
      中國鋼管信息港當地報道:在單一冷卻介質(如油、水、空氣等)中淬火,達到硬度、強度等要求
      
      最常用方法
      
      雙介質淬火
      
      在兩種淬火介質(水—油,水—空氣,油—空氣等)中淬火,保證足夠淬硬層,避免淬裂,減少變形
      
      中、高碳鋼零件
      
      合金鋼大型零件
      
      分級淬火
      
      先淬入浴槽中,使零件內外溫度都達到浴槽介質溫度,然后淬入另一種冷卻較緩慢的介質,減少變形和開裂
      
      形狀復雜、變形要求嚴格的零件,包括尺寸小的合金鋼、碳鋼零件,尺寸較大零件或淬透性差的鋼種
      
      貝氏體等溫淬火
      
      先淬入浴槽中完成淬火,然后再空冷,獲得良好綜合性能,減少變形和開裂
      
      合金鋼及ω(C)>0.6%碳鋼零件
      
      高碳工模具鋼零件
      
      固溶處理
      
      將其它相充分溶解到固溶體中
      
      沉淀硬化不銹鋼、馬氏體時效鋼
      
      工 藝  名 稱
      
      作    用
      
      應用范圍
      
      回火
      
      低溫回火
      
      150~250℃回火,獲得回火馬氏體組織。目的是在保持高硬度條件下,提高塑性和韌性
      
      超高強度鋼、工模具鋼、量具、刃具、軸承及滲碳件
      
      中溫回火
      
      350~500℃回火,獲得托氏體組織。目的是獲得高彈性和足夠的硬度,保持一定韌性
      
      中溫超高強度鋼、彈簧、熱鍛模具
      
      高溫回火
      
      500~650℃回火,獲得索氏體組織。目的是達到較高強度與韌性良好配合
      
      結構鋼零件、滲氮件預備熱處理
      
      多次回火
      
      淬火后進行二次以上回火,進一步促使殘留奧氏體轉變,消除內應力,使尺寸穩定
      
      超高強度鋼、工模具鋼、高速鋼
      
      時效
      
      從過飽和固溶體中析出金屬間化合物,提高強度、硬度
      
      滲碳(含碳氮共滲)
      
      增加表層碳含量,提高表面硬度、耐磨性及抗疲勞性能
      
      碳氮共滲與滲碳相似,但滲入溫度略低,滲層較淺,變形較小
      
      用于心部有一定強度和良好韌性而表面要求高硬度(58~64HRC)的場合,還用于提高耐磨性或疲勞性能的場合。主要用于齒輪、銷類和軸類零件
      
      滲氮(含氮碳共滲)
      
      中國鋼管信息港當地報道:增加表層氮含量,提高表面硬度、耐磨性、疲勞性能,以及熱硬性(≤500℃)和抗膠合性
      
      氮碳共滲與滲氮相似,但滲入溫度略高,表面硬化稍低
      
      與滲碳相比,滲氮的滲層較淺,硬度高,不能承受大接觸應力和沖擊負荷,生產周期長
      
      用于心部保持良好韌性而表面要求高硬度(65~72HRC)場合,還用于提高耐磨性,疲勞性能,耐蝕性或熱硬性場合
      
      滲金屬及非金屬
      
      使另一種或多種金屬,如Al、Cr、Si、B、V、W、Mo、Zn、Re等滲入表層,提高耐蝕性,抗氧化性、耐磨性等
      
      滲鋁或鋁與其他元素共滲,主要用于高溫防護,提高高溫抗氧化和熱蝕性
      
      Fe-Fe3C相圖對于鋼的熱處理工藝的制訂有極為重要的意義,各種熱處理工藝的加熱溫度都是以相圖上的臨界點A1 、A3 、Acm為依據的。
      
      共析鋼在加熱或冷卻過程中經過PSK線(A1)時,發生P與A之間的相互轉變;亞共析鋼經過GS線(A3)時,發生先共析鐵素體完全溶入奧氏體或先共析鐵素體開始從奧氏體中析出的轉變;過共析鋼經過ES線(Acm)時,發生先共析滲碳體完全溶入奧氏體或先共析滲碳體開始從奧氏體中析出的轉變。
      
      碳鋼經熱處理后的組織大都是不平衡組織,因此,在研究熱處理后的組織時,不但要使用鐵碳相圖,而且要用鋼的過冷奧氏體轉變曲線(TTT或CCT曲線)來分析。
      
      非金屬夾雜物的性質、形態、分布、尺寸及含量不同,對鋼性能的影響也不同。所以提高金屬材料的質量,生產出潔凈鋼,或控制非金屬夾雜物性質和要求的形態,是冶煉和鑄錠過程中的一個艱巨任務。而對于金相分析工作者來說,如何正確判斷和鑒定非金屬夾雜箋也因此變得十分重要。
      
      1  鋼中非金屬夾雜物的來源分類
      
      1.1 內生夾雜物
      
      鋼在冶煉過程中,脫氧反應會產生氧化物和硅酸鹽等產物,若在鋼液凝固前未浮出,將留在鋼中。溶解在鋼液中的氧、硫、氮等雜質元素在降溫和凝固時,由于溶解度的降低,與其他元素結合以化合物形式從液相或固溶體中析出,最后留在鋼錠中,它是金屬在熔煉過程中,各種物理化學瓜形成的夾雜物。內生夾雜物分布比較均勻,顆粒也較小,正確的操作和合理的工藝措施可以減少其數量和改變其成分、大小和分布情況,但一般來說是不可避免的。
      
      1.2 外來夾雜物
      
      鋼在冶煉和澆注過程中懸浮在鋼液表面的爐渣、或由煉鋼爐、出鋼槽和鋼包等內壁肅落的耐火材料或其他夾雜物在鋼液凝固前未及時清除而留于鋼中。它是金屬在熔煉過程中與外界物質接觸發生作用產生的夾雜物。如爐料表面的砂土和爐襯等與金屬液作用,形成熔渣而滯留在金屬中,其中也包括加入的熔劑。這類夾雜物一般的牲是外形不規則,尺寸比較大,頒也沒有規律,又稱為粗夾雜。這類夾雜物通過正確的操作是可以避免的。
      
      2.1 氧化物系夾雜
      
      簡單氧化物有FeO,Fe2O3,MnO,SiO2,Al2O3,MgO和Cu2O等。在鑄鋼中,當用硅鐵或鋁進行脫氧時,夾雜比較常見。在鋼中常常以球形聚集呈顆粒狀成串分布。復雜氧化物,包括尖晶石類夾雜物和各種鈣的鋁酸鹽等,以及鈣的鋁酸鹽(圖2b)。硅酸鹽夾雜也屬于復雜氧化物夾雜,這類夾雜物有2FeOSiO2(鐵硅酸鹽)、2MnO.SiO2(錳硅酸鹽)和CaO.SiO2(鈣硅鹽)等(圖3a)這類夾雜物在鋼的凝固過程中,由于冷卻速度較快,某些液態的硅酸鹽來不及結晶,其全部或部分以玻璃太的形式保存于鋼中。
      
      2.2 硫化物系夾雜
      
      主要是FeS, MnS和CaS等。由于低熔點的FeS易形成熱脆,所以一般均要求鋼中要含有一定量的錳,使硫與錳形成熔點較高的MnS而消除FeS的危害。因此鋼中硫化物夾雜主要是  MnS(圖3b).
      
      鑄態鋼中硫化物夾雜的形態通常分為三類:①形態為球形,這種夾雜物通常出現在用硅鐵脫氧不完全的鋼中;②在光學顯微鏡下觀察呈鏈狀的極細的針狀夾雜;③呈塊狀,外形不規則,在過量鋁脫氧時出現。
      
      2.3 氮化物夾雜
      
      當鋼中加入與氮親和力較大的元素時形成A1N,TiN,ZrN和VN等氮化物。在出鋼和澆鑄過程中鋼液與空氣接觸,氮化物的數量顯著增加。
      
      3 按夾雜物的塑性變形能力分類
      
      (1) 脆性夾物  熱加工時該類夾雜物形狀和尺寸都不變化,但可能沿加工方向成串排列或呈點鏈狀,屬于這類夾雜物的有Al2O3和Cr2O3。
      
      (2) 塑性夾雜物 熱變形時該類夾雜物具有良好范性,沿變形方向延伸成條帶狀。屬于這類的有硫化物及   含量較低(40%~60%)的鐵錳硅酸鹽。
      
      (3) 球狀不變性夾雜  鑄態呈球狀,熱加工后保持球狀不變,如SiO2及含SiO2較高(>70%)的硅酸鹽。
      
      (4) 半塑性夾雜物  指各種復相的鋁硅酸鹽夾雜。基體鋁硅酸鹽有塑性,熱加工時將產生塑性變形,但是其中包含著的析出相如氧化鋁等是脆性的,加工時仍保持原狀或只是拉開距離。
      
      4  夾雜物的鑒定
      
      早期的工作者主要用光學顯微鏡配合X射線結構分析和化學成分分析,積累了寶貴的經驗和豐富的資料。近年來,采用電子探針對夾雜物進行微區成分分析日益增多。目前鑒定夾雜物的大致方法有以下兩種。
      
      4.1 金相法與微區域成分分析相結合
      
      在金相觀察中選出待定夾雜物后,用電子探險針(EPMA)進行微區成分分析或者應用掃描電鏡(SEM)自帶能譜分析你(EDS)進行成分分析。通常可以測定尺寸大于1um的夾雜物的組成元素和大致成分,如果采用個別元素的面掃描還可以得到更為直觀的結果。圖4是使用掃描電鏡對Q460鋼中的一顆夾雜物進行的面分析圖譜,依次進行硫、錳、硅和鐵四種元素的面掃描,從掃描結果可以推斷出,明場觀察中夾雜物為MnS, SiO2,和FeS,通過能譜儀(EDS)對其進行成分分析,還可直接得到各元素的質量分數。
      
      4.2 光學金相法
      
      在光學顯微鏡下利用明視場觀察夾雜物的顏色、形態、大小和分布;在暗場下觀察夾雜物的固有色彩和透明度;在正交偏振光下觀察夾雜物的各種光學性質,從而判斷夾雜物類型。根據夾雜物的分布情況及數量評定相應的級別,評判其對鋼材性能的影響。目前檢驗和研究鋼中非金屬夾雜物的方法很多,有化學法、巖相法、金相法、電子探針和電子掃描法等。
      
      有金相法鑒定夾雜物是根據夾雜物的形貌、分布及其在明場、暗場和偏光下的光學特征(表1),與已知的夾雜物特征對照以確定其類型。必要時可以測定夾雜物的顯微硬度或經受化學試劑腐蝕的能力。非金屬夾雜物的金相法鑒定步驟見表2。
      
      5 非金屬夾雜物的定量評級
      
      5.1 國標評級
      
      定量測定是優質鋼以及高級優質鋼的常規檢測項目之一。 夾雜物類型已知的條件下,采用標準等級比較法,以判定鋼材質量的優劣或是否合格。夾雜物的評級可以根據GB/T10561-2005標準進行。試樣經過仔細拋光,夾雜物應保存完好,不經侵蝕在放大100倍顯微鏡下觀察。把試樣上夾雜物最嚴重的視場與標準級別圖片比較來評定其等級。GB/T10561-2005標準列出三類夾雜物的級別圖。氧化物為一類,硫化物又按照夾雜物最嚴重的粗細分為兩個系列,每一個系列分5級,級別越高,表示夾雜物含量越多。評級時若不能評成整數,可以采用半級。作為重要零件用的合金結構鋼或工具鋼,應根據零件的要求定出非金屬夾雜物的合格級別,對于合金結構鋼,一般最高級別不得超過氧化物及硫化物各3級,兩者之和為5.5級。中國鋼管信息港當地報道
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