蔡 煜,張 偉,戴敏明,葛 強
(江蘇常寶普萊森鋼管有限公司,常州 ２１３２００)
摘 要:在鍋爐廠的產品驗收工作中,鍋爐和過熱器用 SA２１０C 無縫中碳鋼管帶狀組織的評定比較重要.但 GB/T１３２９９－１９９１中對帶狀組織評級的描述比較模糊,實際應用存在困難,試驗結果為界限值時易出現爭議.而 ASTM E１２６８－０１(２０１６)的方法盡管計算復雜,但能夠定量評定材料的帶狀程度,在遇到爭議時使用該方法可有效減少誤判.SA２１０C為 ASME(美國機械工程師學會)鋼種,在實際工作中選用 ASTM E１２６８－０１(２０１６)作為檢驗標準更為準確.但考慮到推廣困難,可在日常工作中采用先依據 GB/T１３２９９－１９９１ 對帶狀組織進行評級,遇到爭議時再依據ASMEE１２６８－０１(２０１６)進行驗證的方法.
關鍵詞:SA２１０C鋼管;帶狀組織;評定方法;GB/T１３２９９－１９９１;ASTM E１２６８－０１(２０１６)
中圖分類號:TG１１５．２ 文獻標志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０５Ｇ０３２２Ｇ０３
EvaluationMethodsforBandingStructureofSA２１０CSeamless
MediumCarbonSteelTubes
CAIYu,ZHANG Wei,DAIMinming,GEQiang
(JiangsuChangbaoPrecisionSteelTubeCo．,Ltd．,Changzhou２１３２００,China)
Abstract:Intheproductacceptanceworkofboilerfactories,theevaluationofbandingstructureofSA２１０C
seamlessmedium carbonsteeltubesusedforboilersandsuperheaters wasrelativelyimportant．Butin GB/T
１３２９９－１９９１,thedescription ofbandingevaluation wasambiguous,and difficultiesexistedinthe practical
application．Thecontroversywaspronetooccurwhenthetestresultswereboundaryvalues．ButinASTM E１２６８－
０１(２０１６),althoughthecalculation wascomplex,the methodcouldevaluatethebandingdegreeof materials
quantitatively．Itcouldreducethe misjudgmentinthefaceofcontroversy．SA２１０C wasonetypeof ASME
(AmericanSocietyof MechanicalEngineers)steels,thusselecting ASTM E１２６８－０１(２０１６)asaninspection
standardwasmoreaccurateintheactualwork．Butinconsiderationofdifficultiesinpopularization,GB/T１３２９９－
１９９１couldbeusedtoevaluatethebandingstructureindailywork,andASMEE１２６８－０１(２０１６)couldbeusedto
verifytheresultsinfaceofcontroversy．
Keywords:SA２１０Csteeltube;bandingstructure;evaluationmethod;GB/T１３２９９－１９９１;ASTME１２６８－
０１(２０１６)
用與標準圖片比對的方法進行評級,但這種方法受人員主觀影響較大,重復性與再現性大于１級,容易出現爭議,尤其是當評定結果在界限值的時候.ASTM E１２６８－０１(２０１６)Standard Practicefor Assessing the Degree of Banding or
Orientationof Microstructures[２](以下 簡 稱 美 標)也對帶狀組織的評級方法進行了規定,該標準運用類似晶粒度評定中的截點法及數理統計的方法,來實現鋼中帶狀組織級別的定量評級.筆者依據該標準對SA２１０C熱軋無縫中碳鋼管中的帶狀組織級別進行了評定,并與使用國標評定的結果進行了對比,以此給鍋爐廠的驗收工作提供參考.
１ 美標評定帶狀組織級別
１．１ 視場及網格線的選擇
在實際檢驗中發現,SA２１０C 鋼管內壁的帶狀組織比較嚴重,因此在視場選擇過程中可以在內壁選擇５~６個視場.以 SA２１０C 鋼管內壁的其中一個視場進行分析,如圖１所示,可以看出鐵素體(白亮區)與珠光體兩相呈明顯的帶狀分布.圖１中的網格是利用ZEISSImager．A２M 型金相顯微鏡的晶粒度評級軟件功能得到的,平行線與垂直 線 的 間 距 一 致,長 度 均 為 ７８０ μm ×１３＝１０１４０μm,即實際測試線的總長度為 ２０．２８ mm.顯微形貌 放 大 倍 數 為 １００ 倍,即 測 試 線 的 長 度 為２０２８mm,滿 足 標 準 中 網 格 線 總 長 度 不 小 于５００mm的要求.可根據試樣的實際情況改變放大倍數,對于較細的晶粒建議可在放大２００倍下進行分析,但不建議使用更高的放大倍數,會導致測量線穿過的晶粒或塊狀物數量偏少,而加大測量誤差.
１．２ 計數規則
ASTM E１２６８－０１(２０１６)中使用測試線截取顯微組織的特征物數(N,即網格線所截取的獨立顆粒、晶粒或碎片的個數)和特征物交點數(P,即網格線所截取的異相邊界和連續邊界的交點數)的示意圖如圖２所示,圖２(a)代表垂直于變形方向,圖２(b)代表平行于變形方向.T 代表網格線與特征物相切,E代表網格線結束于網格內.由于實際應用中計算交點數的工作量很大,失誤也會很多,因此該分析以計數 N 為例.N 的計數規則有以下４點:①如果測試網格線穿過兩個或多個連續的顆粒、晶粒或相(穿過的顆粒間無任何其他的相或組分),則將它們計為一個特征物(N＝１);②當測試線與顆粒、晶粒相切時,N 計為０．５;③當測試線末端在特征物內時,N 計為０．５;④當測試線完全在特征物內時(此情況經常發生在嚴重帶狀材料中),N 計為０．５.
１．３ 計算結果
根據上述規則對圖１中的特征物珠光體進行計數,選擇珠光體為特征物的主要原因是珠光體比鐵素體少,計數方便.垂直線截取特征物(珠光體)的截段數總和 N⊥ ＝５０６個,平行線截取特征物(珠光體)的截段數總和 N∥ ＝１６０個,計算垂直和平行方向 單 位 長 度 上 的 特 征 物 數 量 NL⊥ 及 NL∥ ,即NL⊥ ＝N⊥/Lt＝５０６/１０．１４＝４９．９０個/mm,NL∥ ＝N∥/Lt＝１６０/１０．１４＝１５．７８個/mm,Lt 為實際測試線長度１０．１４mm,從而計算出各向異性指數(帶狀
級別)AI＝NL⊥/NL∥ ＝４９．９０/１５．７８＝３．１６.其余視場(共選擇５個視場進行測量)計算同上,相應參數如表 １ 所 示,其 中 S 為n 次 測 量 的 標 準 偏 差,９５％CI 為９５％置信區間,RA 為相對精度,SB⊥ 為帶狀或趨向性相的平均帶寬,計算方法見式(１)~(３).相對精度RA 是對受視場影響的數值每次測量誤差的評價,RA ≤３０％為適當值,否則需要增加測量次數來降低RA.
２ 美標與國標評定結果的對比
對于圖１,選取最嚴重的視場與國標中的標準圖譜進行比對,如圖３所示.從圖３可以看出,貫穿視場的鐵素體 珠光體條帶較多,但鐵素體并沒有變形,說明該樣品的帶狀級別小于４級,其珠光體為連續析出.在鋼管軋制過程中鐵素體沿變形方向呈方向性排列,按照國標根據變形鐵素體的含量以及貫穿視場的程度來評級,沒有變形鐵素體則可以評為３級.但如果與標準圖譜比對,可直觀看出該視場的帶狀組織比３級標準圖譜中的嚴重,也可判定為３．５級.如果某采購規程要求帶狀≤３．０級,則０．５級的差別就會引起爭議,造成產品不合格,不能及時流轉.從上述分析可看出,國標是對帶狀組織進行定
性分析,主要考慮帶狀貫穿視場的程度,３級的描述為等軸晶粒組成幾條連續的、貫穿視場的鐵素體 珠光體交替帶.在標準圖片的闡述方面比較含糊,并且實際試樣的鐵素體與珠光體含量與圖譜的并不完全相同,會導致視覺誤差,從而影響判斷.引入美標可進行輔助判定,是一種定量判斷.美標經過數理統計分析,降低了國標中人為評定引入的誤差,得到的結果較國標的要精確,具有較高的科學性,尤其對于評定處于界限值的帶狀組織很有幫助.但該方法的計算量較大,比較耗時.上述案例根據美標進行評定,該試樣其中一個視場的帶狀級別為３．２,且最終５個視場的平均級別為 ３．１６ 級,由于結果大于３．０級,最終按照采購規程可判定該批產品不合格.
３ 美標評定結果的準確性
為了驗證美標評定結果的準確性,選取國標中的４級標準圖譜按照上述方法進行評定,結果如表３所示,可見使用美標計算帶狀級別的準確性較高.
３．２ 皮下夾雜的危害
皮下夾雜對軸承鋼的危害主要體現在使軸承滾動體出現接觸疲勞繼而失效.接觸疲勞的破壞過程為疲勞裂紋的萌生、擴展直至剝落[３].鋼材內部存在皮下夾雜,處于表層下的最大動態切應力處,就會成為疲勞裂紋的起源而形成裂紋,繼而擴展至表面,形成剝落.疲勞裂紋的擴展一般可分為３個階段:第一階段,從裂紋的萌生到形成可以自由擴展的裂紋尺寸;第二階段,裂紋擴展到可以形成剝落源;第三階段,裂紋迅速擴展,第一個剝落產生.而皮下夾雜缺陷在應力作用下,已形成裂紋源,在滾動體工作時受到切應力的作用將會出現裂紋擴展,后續形成剝落失效.因而皮下夾雜缺陷直接影響著軸承的使用壽命,存在該缺陷的軸承滾動體,使用壽命將會大幅降低.
３．３ 皮下夾雜的控制
從化學成分已判定出該模鑄軸承鋼的皮下夾雜缺陷是由模鑄保護渣引起的.保護渣在澆鑄過程中與鋼液直接接觸,通常由于保護渣的質量較輕,應浮在鋼液的表面上.而皮下夾雜缺陷是由于保護渣被卷入至鋼液中,未能有效排出引起,因此需控制保護渣與鋼液的接觸過程,以避免卷渣.在鋼錠模底部進行鋪渣操作,在鋼液與保護渣接觸的初期,由于澆鑄過程流場非常不穩,噴射、飛濺現象嚴重[４],易造成保護渣卷入鋼液中.因而應改用吊渣操作代替鋪渣操作,以防止澆鑄初期由于流場不穩定使保護渣卷入鋼液中.此外,該爐鋼生產時為雨季,保護渣容易吸收空氣中的水分形成局部塊狀,在鋼液與保護渣接觸后,塊狀保護渣被卷入鋼液中,而未能有效排出.基于上述分析,制作具有自動攪拌功能的保護渣烘烤裝置,該裝置使用后,可有效保證保護渣中的水分含量滿足使用要求,同時消除保護渣因水分超標形成塊狀的可能,使用的保護渣生產時均為粉面狀.由此解決了模鑄軸承鋼的皮下夾雜問題,使模鑄軸承鋼的質量穩定性提高,滿足了重載、高速軸承滾動體的質量穩定性要求.
４ 結論及建議
在水浸自動超聲波檢測某模鑄軸承鋼時,出現了連續橫波報警,經綜合分析確認為皮下夾雜缺陷.該軸承鋼中的皮下夾雜是以硅、鋁、鈣的氧化物為主,并含有少量的鈉、鉀等氧化物,經過對煉鋼過程及原輔材料分析,確認皮下夾雜是由模鑄保護渣引起的.通過吊渣代替鋪渣操作及自動攪拌式保護渣烘烤裝置的應用,可消除皮下夾雜缺陷,使軸承鋼的質量更加穩定.
5. 結論
(１)國標中評定帶狀組織的方法雖然方便快捷,但少了定量分析作為支撐,在實際檢驗遇到界限值時容易產生爭議,而美標中的方法雖然操作復雜,但可以進行定量分析,在解決爭議問題時起到關鍵作用.
(２)SA２１０C 鋼管為 ASME(美國機械工程師學會)鋼種,在實際工作中選用美標作為檢驗標準更為準確.但該標準方法相對比較復雜,在實際工作中推廣存在困難,因此可以采用先依據國標對帶狀組織進行評級,遇到爭議時再依據美標進行驗證的方法.