大型锻件非金属夹杂物评定方法分析

康 继

(中国一重铸锻钢事业部，黑龙江161042)

大型锻件通常指需用10 MN或更大吨位水压机生产的锻件，它们大多数是国民经济与国防建设所需的各种大型关键设备的主要基础零部件，而非金属夹杂物作为独立相存在钢中，破坏了钢基体的连续性，使钢组织的不均匀性增大，对钢性能产生强烈的影响。因此正确评定大型锻件中非金属夹杂物的含量、玷污度以及类型，为满足产品设计要求或改进生产工艺提供可靠依据具有重要的现实意义[1、2]。常用的非金属夹杂物评定的方法可分为宏观评定法和微观评定法。

1 宏观评定法

大型锻件非金属夹杂物的宏观评定法是利用肉眼或借助于10倍以下的放大镜对金属的表面、纵断面、横断面、断口上的非金属夹杂物进行检查的一种方法。大型锻件具有尺寸大、重量大，非金属夹杂物不均匀性严重的特点，而宏观评定法具有试样面积大、视域宽、范围广、检验方法和操作技术以及检验设备简单等特点，能较快、较全面地反映出材料或产品的品质，因此在工厂中得到了广泛的应用。它包括低倍酸蚀检验法、断口检验法、塔形试验法和磁粉检验法等。各种宏观方法在使用上各有侧重面，它们可以单独采用，在许多情况下也可以同时并用，相互补充，以达到准确测试的目的。但宏观评定法不能分辨夹杂物的类型，不适用于检测小球状夹杂物或很小(小于0.40 mm)的被拉长的链状夹杂物。按照锻件类型和性能要求，可将宏观法和显微法结合起来，以更加全面准确地评定锻件中非金属夹杂物的分布情况。

1.1 低倍酸蚀检验法

低倍酸蚀法是利用合适的酸液浸蚀金属的磨光表面，显示夹杂物的外形、大小、分布与数量的评定方法，其特点是只能显示大块氧化物夹杂(硫化物夹杂容易被腐蚀而成为麻点)情况并且非常直观。当酸蚀后的夹杂物显示效果足够清晰时，还可利用网格法测定夹杂物的面积百分数。当检验区域位于工件表面时，该法无需取样即可直接检验评定。

低倍酸蚀法评定大型锻件中非金属夹杂物的国家标准可参见GB/T1979《结构钢低倍组织缺陷评级图》，评定时以目视可见为限，为确定其类别，允许使用不大于10倍的放大镜，根据其轻重程度按照评定原则与评级图进行比较而评级。但该标准对非金属夹杂物(肉眼可见的)只列典型图片1张，只能定性无法定量评定，且评定时要注意有时出现许多空隙或空洞，如目视这些空洞未发现夹杂物或夹渣，应不评为非金属夹杂物或夹渣，而对质量要求较高的钢种(指有高倍非金属夹杂物合格级别规定者)，建议进行高倍补充检验。常用的国际标准则可参见ASTM E45—2005《钢中非金属夹杂物含量测定方法》5.1.1部分，ASTM E381—2001《钢棒、钢坯、钢锭和锻件的宏观试验法》及ASTM A604—2007《自耗电极重熔的钢棒和钢坯宏观浸蚀检验方法》等。

1.2 断口检验法

断口检验法是通过肉眼或放大镜(10倍以下)来检验取自大型锻件规定位置的一定厚度的试片纵向断口上非金属夹杂物长度及分布的方法。该法多用于硬度可达60HRC以及断口晶粒度可达7级或更细的锻件。由于外来非金属夹杂有灰白、浅黄等各种颜色，所以断口上条带的颜色是多样化的。有时，由于夹杂细小，难以分辨，则可将断口在空气中加热至300℃左右，进行蓝化处理。如果条带是金属，则基体和条带同时变蓝，呈蓝色。如果是夹杂，则条带保持颜色不变，仅基底部分变蓝色。该处理对于断续状氧化物夹杂的作用尤为明显。该法与酸蚀检验法可以同时并用，相互补充，使缺陷显现更加清楚，判断更加准确。

关于断口夹杂物评定的常用标准中，GB/T1814—1979《钢材断口检验方法》及ASTM E45—2005《钢中非金属夹杂物含量测定方法》仅定性描述了非金属夹杂(肉眼可见)及夹杂断口的形态特征，而ISO3763—1976《锻钢—非金属夹杂物的宏观评定法》第3部分则为断口中夹杂物的评定提供了一种图示法。实践表明用这种方法可以测出长度仅为0.40 mm的夹杂物。

1.3 塔形试验法

塔形试验法是通常将试样加工制成“塔”的形状(三级阶梯形)，用肉眼或10倍以下放大镜观察各阶层光滑表面上非金属夹杂物分布形态的方法。与断口法一样，本法有利于发现锻件试样内部夹杂物的分布情况。检验时，要注意试件阶层表面上的非金属夹杂物与裂纹、疏松、异金属夹杂物等其它宏观缺陷的区分。当非金属夹杂物太小以致难以观察时，可使用磁粉试验法作进一步检测。该法一般用于评定3 mm及以上非金属夹杂物，具体操作规程可参见ISO3763—1976《锻钢—非金属夹杂物的宏观评定法》第4部分和ASTM E45—2005《钢中非金属夹杂物含量测定方法》等。

1.4 磁粉检测法

磁粉检测是把具有铁磁性的金属放在磁粉探伤仪上，由于非金属夹杂物是顺磁性物质，在检测时夹杂物处的导磁率下降、产生漏磁现象，于是在夹杂物处便出现磁粉的堆集，从磁粉堆集的多少可以定性地鉴别金属表面的夹杂物的含量及分布情况，其操作规程可参考ISO3763—1976《锻钢—非金属夹杂物的宏观评定法》第4部分和ASTM E45—2005《钢中非金属夹杂物含量测定方法》等。该法可显示长度0.40 mm以上的夹杂物，但它与酸浸法的结果往往不能一致，其原因在于：(1)在一定的磁场强度下，只能显示超出一定尺寸的夹杂物，而细小的夹杂物无法发现。(2)磁粉法不仅显示了表面上的夹杂物，同时也把表面下一定深度处的夹杂物显示出来。(3)钢中的抗磁组织会引起假象。由于酸浸的结果，往往存在着使缺陷扩大的缺点，而磁粉检测不存在这个问题。因此这两种方法各有利弊，允许选择或兼用。

2 显微评定法

显微评定法是夹杂物定量分析应用最为广泛的一种简便方法，即利用金相显微镜对锻件中规定取样部位的一定尺寸试样的特定抛光面上的夹杂物的体视学参数(粗细、长短、数量、形态比、面积、色彩等)进行对比或计算以确定钢中夹杂物含量的方法。与宏观测定法相比，显微评定法不仅可以检测夹杂物的尺寸等更多体视学参数，而且可以根据相关参数(而非化学成分)进一步确定夹杂物的类型，但其评定视场及选定试样的尺寸小，试样来源及数量有限，而夹杂物的分布不规律且不均匀(大型锻件表现尤为严重)以致评定结果可能存在偶然性，故具体操作中应严格限定试样的抽样与统计方法，取样的位置、数量及尺寸，制样的方式方法和检验面与锻造方向的夹角等。常用的显微评定法可分为标准图谱法，手工定量法和图像分析仪法等。

2.1 标准评级图法

标准评级图法是将被测试样中的夹杂物多少、分布、大小及形状等情况与标准评级图进行对比评级的方法，该法在目前大锻件非金属夹杂物评定中应用最为广泛。该标准评级图常将夹杂物根据其典型形态特征分类，并按各类夹杂物的粗细、长度、数量等分级，操作者只需将所见是视场中的夹杂物形态直接与标准图相比较而得出评定级别。大型锻件标准图评级法按评定数据处理方式通常又分两种，分别是仅报出各类别夹杂物最恶劣视场级别的最严重级别评定法和所有视场中各类夹杂物级别数统计平均处理的平均级别评定法，前者常应用于实际生产检验中，后者则倾向于相关研究领域。由于标准图谱并不能全面反映出各种夹杂物的类型和形态，因而在使用标准评级图时，某些类型夹杂物的评定会存在一定的局限性。同时也要注意到，虽然夹杂物的某些类别的名称由于一些历史数据来源等原因而包含了化学成分，但夹杂物类别的划分是严格按照其形态划分的。大型锻件非金属夹杂物的标准图评级法常用标准包括GB/T10561—2005/ISO4967：1998(E)《钢中非金属夹杂物含量的测定—标准评级图显微检验法》、GB/T18254—2002《高碳铬轴承钢》、ASTM E45—2005《钢中非金属夹杂物含量测定方法》中的A、C、D和E法、JIS G0555—2003 《钢中非金属夹杂物含量显微测定方法》中的A法和DIN50602—1985《特殊钢中非金属夹杂物含量的测定—标准评级图显微检验法》等。

2.2 手工定量法

手工定量法采用人工目测进行，主要包括几何计数和统计计数两种测量法，即用一定长度的线条或一定面积的网格套在被测物上，然后进行计数和统计计算，从而得到定量的结果。该法种类繁多，常用的方法有直线横切法和网格法。但由于手工定量法依靠人工计数和统计，因此分析速度慢、重现性较差、检测工作量大，实际应用较为有限。大型锻件夹杂物手工定量评定方法常用的标准有ASTM E45—2005《钢中非金属夹杂物含量测定方法》中的B法和JIS G0555—2003 《钢中非金属夹杂物含量显微测定方法》中的B法等。

2.3 图像仪评定法

图像分析仪是目前定量金相中最为现代化的仪器之一，它克服了手工定量法的种种缺点，具有分析速度快、重现性好、精度高和功能全等优点。图像分析仪在夹杂物定量分析中可测定如下数据：(1)根据夹杂物的不同灰度或形状可以测定夹杂物在钢中所占面积百分数和体积百分数；(2)钢中夹杂物的统计分布，即某一区域内每个夹杂物的面积、周长等，并得到平均值、最大值、最小值及标准偏差等统计参数或直方图；(3)夹杂物的形状因子，如夹杂物的长宽比、球形系数等。大型锻件非金属夹杂物图像仪评定方法可参考ASTM E1122—96(2002)《应用自动图像分析测定JK夹杂物级别的标准试验方法》、ASTM E1245—03(2008)《应用自动图像分析测定金属中夹杂物或第二相组织含量的标准试验方法》、GB/T18876—2002《应用自动图像分析测定钢和其它金属中金相组织、夹杂物含量和级别的的标准试验方法》等标准执行。

3 大型锻件非金属夹杂物评定中应注意的事项

由于现行非金属夹杂物评定方法与标准多起源于轧材，也大都应用于钢铁企业轧材的相关检验，对大型锻件方面顾及不够，造成了大型锻件非金属夹杂物评定的方法与标准执行难度较大，过程中出现的问题也相对较多。大型锻件夹杂物评定中应注意以下几点。

3.1 夹杂物数量相对较多，成分类型更复杂

与轧材不同，大型锻件形大体重(直接由缺陷较多的大型钢锭锻造而成)、产品品种范围广(生产技术准备和生产计划管理较困难)、生产工序多(有废钢冶炼及铸锭等工序)、制造的自动化及标准化率相对较低(人员与设备等影响因素较多)、基本是单件小批量(缺乏足够数量的成功经验累计)，故其非金属夹杂物含量一般较轧材多，成分类型更复杂。实际夹杂物的检验评定中，大型锻件对制样要求更高，检测工作量更大，夹杂物类型判定及测量上遇见的问题也更多。

3.2 夹杂物形态较复杂，实际类型判定难度更大

由于上述种种原因，大型锻件非金属夹杂物的相对数量较多、成分类型较为繁杂，锻造变形方式也较复杂(自由锻造包括拔长、镦粗、冲孔、马杠扩孔、芯棒拔长、中间镦粗等众多工序)，其非金属夹杂物的形态和分布与轧材相比存在较大差异。具体表现在相关标准中列出的典型图谱与大型锻件中所见夹杂物形态差异较大，使得夹杂物类型的判定常缺乏足够的标准支持。

3.3 检测试样数量较多，取样方法及工序较复杂，检验面位置保证难度较大

由于大型锻件多为大型关键设备的主要基础零部件，普遍要求质量高，技术条件苛刻，检测标准及要求严格。在试料制取上常常表现为取样位置多、数量大、试样加工方法及工序繁杂(包括气割、套料、排钻、车、铣、刨、磨、电火花加工等)，故在非金属夹杂物检验面的位置及角度等检验要求的保证上难度较大。如ASTM E45—2005《钢中非金属夹杂物含量测定方法》中提及：“研究结果表明，当抛光面与热加工的纵向间夹角超过6°

时，夹杂物长度的测量结果将受到很大影响。”，实际操作中执行较为困难。

3.4 相关标准的适用性表述不够全面

常用标准GB/T10561—2005/ISO4967 :1998(E)《钢中非金属夹杂物含量的测定—标准评级图显微检验法》及JIS G0555—2003 《钢中非金属夹杂物含量显微测定方法》中明确规定“本标准规定了用标准图谱评定压缩比大于或等于3的轧制后锻制钢材中的非金属夹杂物的显微评定方法”。ASTM E45—2005《钢中非金属夹杂物含量测定方法》及DIN50602—1985《特殊钢中非金属夹杂物含量的测定—标准评级图显微检验法》中虽未明确规定最小压缩比，但明确提出了变形比对夹杂物判定的影响应当在检验时考虑到，而一般大型锻件自由锻造变形复杂，其锻比在2～6范围内[16]，且存在同一工件不同部分锻比不一样的情况，故相关标准在适用性上未能充分考虑到大型锻件的生产实际。

3.5 显微检测中夹杂物超宽现象较多

本文提及的国内及国际标准中，显微评定非金属夹杂物含量时，要求单独记录所发现的超宽夹杂物。由于大型锻件夹杂物的数量相对较多，自由锻造变形复杂，按相关标准图谱评定时，夹杂物超宽现象较常见，这就造成了实际检测工作量较大。

也正因为如此，实际相关检验技术协议中，供需双方可以考虑增补部分更切合大型锻件生产实际的条款，以完善大型锻件非金属夹杂物的评定方法。

[1] 上海机械制造工艺研究室.金相分析技术[M].上海：上海科学技术文献出版社，1987：184—204.

[2] 中国机械工程学会热处理专业分会《热处理手册》编委会.热处理手册：典型零件热处理 [M].3版。北京：机械工业出版社，2006，2：252.

[3] ASTM E45—2005《钢中非金属夹杂物含量测定方法》[S].

[4] GB/T1979《结构钢低倍组织缺陷评级图》[S].

[5] ASTM E381—2001《钢棒、钢坯、钢锭和锻件的宏观试验法》[S].

[6] ASTM A604—2007《自耗电极重熔的钢棒和钢坯宏观浸蚀检验方法》[S].

[7] GB/T1814—1979《钢材断口检验方法》[S].

[8] ISO 3763—1976《锻钢—非金属夹杂物的宏观评定法》[S].

[9] GB/T10561—2005/ISO 4967:1998(E)《钢中非金属夹杂物含量的测定—标准评级图显微检验法》[S].

[10] DIN50602—1985《特殊钢中非金属夹杂物含量的测定—标准评级图显微检验法》[S].

[11] JIS G0555—2003《钢中非金属夹杂物含量显微测定方法》[S].

[12] GB/T18254—2002《高碳铬轴承钢》[S].

[13] ASTM E1122—96(2002)《应用自动图像分析测定JK夹杂物级别的标准试验方法》[S].

[14] ASTM E1245—03(2008)《应用自动图像分析测定金属中夹杂物或第二相组织含量的标准试验方法》[S].

[15] GB/T18876—2002《应用自动图像分析测定钢和其它金属中金相组织、夹杂物含量和级别的标准试验方法》[S].

[16] 刘助柏，等. 大锻件形变新理论新工艺[M].北京：机械工业出版社，2009：19.