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高品质钢材钢坯低倍组织检测方法与分析

发布时间:2021-04-28 03:26:20|浏览次数:
高品质钢材钢坯低倍组织检测方法与分析
李鸿娟1,熊宇1, 谭峰亮1, 陈智江2, 丁志敏3
(1. 湖南人文科技学院材料工程系,湖南省娄底市  417000;2. 中车株洲电力机车有限公司,湖南省株洲市  412001;3. 大连交通大学材料科学与工程学院, 辽宁省大连市 116028) 

 
      摘要:随着制造业的发展及科学技术的提升,高品质钢材需要越来越紧迫。高品质钢材需求的提升促进了钢坯低倍组织的检测,反之低倍组织检测是保证高品质钢材的必备环节。本文结合实例从试样制备、实验过程及检测结果等方面分析了钢企常用的冷酸腐蚀法、热浸腐蚀法和电解腐蚀法三种低倍组织检测方法,以期为钢企及相关制造业结合自身实际情况选择适合的低倍组织检测方法提供理论依据,也为开发更准确、稳定和环保的低倍组织检测提供技术支持。
      关键词:高品质钢材;钢坯;低倍组织;检测方法
中图分类号:TG115        文献标识码:A
     Low magnification inspection methods and analysis for steel billet 
of high-quality steel
      LI Hong-juan1, XIONH Yu1, TAN Feng-liang1, CHEN Zhi-jiang2,, DING Zhi-min3
(1. Department of Materials Engineering, Hunan University of Humanities, Science and Technology, Loudi 417000, China; 2. CRRC Zhuzhou Locomotive Co., Ltd., Zhuzhou 412002, China; 3. School of Materials Science and Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China) 
      Abstract: With the development of manufacturing industry and the improvement of the science and technology, the need for high-quality steel is more and more urgent. The demand for high quality steel has promoted the inspection methods of low magnification for steel billet. However, the inspection methods of low magnification is an essential part to ensure high quality steel. The cold acid corrosion, heat immersion corrosion and electrochemical corrosion method which are commonly used in steel industry are analyzed from the aspects such as sample preparation, testing process and testing results combined with the practical examples in this paper, in order to not only provides the theory basis for steel industry to choose suitable low magnification inspection methods combined with their own actual situation, but also provide technical support for the development of more accurate, stable and environmental low magnification inspection methods. 
      Key words: high-quality steel; steel billet; low magnification; inspection methods
   
  引言
      在中国制造2025、工业4.0等大趋势下,对我国钢铁企业提出了越来越高要求,高质量要求必然带动我国钢企在制造业转型升级对高品质钢材需求的增加。目前,我国装备制造业在核心部件上的材料需求,尤其是飞机起落架、高速列车车轴、轴承等抗疲劳高强钢,核电站用耐高温、抗辐射不锈耐热钢管,燃气轮机、涡扇发动机的高温合金叶片等材料,目前尚且不能实现国产化。因此,我国在国家推动行业技术高端化发展的进程中,企业将逐渐优化生产流程,实现技术革新,推动产品的高端化发展,可以预见,在企业产品逐渐高端化的趋势下,高品质钢铁产品将成为钢企的主战场。
众所周知,钢坯的质量直接影响到高品质钢材的质量。钢坯的生产过程中,钢液经过浇注结晶成固态钢坯整个过程中可能会出现内裂、缩孔、疏松、夹杂、气泡等内部缺陷,而这些内部缺陷不像钢坯外部缺陷一样肉眼观察相对容易发现。所以在实际生产中,为了避免由于钢坯内部缺陷引起的不能制备高品质钢材的问题,要对钢坯进行低倍组织的检测,保证钢坯的质量对于后面获得高品质钢材具有重要影响作用[1-5]。合理选择低倍组织检测方法可准确有效的保证高品质钢材的质量源头,具有重要的实际生产意义。
       
       1、高品质钢材钢坯低倍组织检测方法及优缺点

随着科学技术的发展,钢坯低倍组织检测已经成为钢材生产的必备环节,通过检测发现钢坯的内部缺陷,确保原材料的质量。目前钢坯低倍组织检测方法主要有冷酸腐蚀法、热浸腐蚀法及电解腐蚀法[6]
       1.1 冷酸腐蚀法
       冷酸腐蚀法顾名思义即将试样浸泡在冷酸中或直接擦拭在试样表面,实验腐蚀时间根据实际情况来定,约为15~30 min。采用清水冲洗,用毛刷刷洗表面,冲洗干净;然后采用60-70℃热水浸泡一下,取出,吹干,观察拍照。用于碳素结构钢和合金钢的主要冷酸腐蚀液的成分见表1所示。
表1 碳素结构钢和合金钢的主要冷酸腐蚀液的成分
       Table1 Composition of the main cold acid etchant of carbon structural steel and alloy steel

编号 冷酸腐蚀液成分 适用范围
1
2
3
10%~20%(NH4)2S2O8水溶液
10%~40%(容积比) HNO3水溶液
FeCl3饱和水溶液和HNO3按照50:1的比例
碳素结构钢和    合金钢
4
5
HNO3和HCL按照1:3的比例
H2SO4,HCL和H2O按照1:1:1的比例
合金钢
 
 
       冷酸腐蚀法是检验宏观低倍组织的简易方法,对于不便于热浸腐蚀法的钢材或大型试件用。冷酸腐蚀法特点是酸浸试样粗糙度要求较高,试样表面粗糙度不大于Ra0.8μm;人工涂刷时容易造成腐蚀液损耗,且有刺激性气味和人工操作的不确定性;低倍组织解析试样保存时间较短。一般用于连铸坯或者低倍组织粗大的钢坯。
       1.2 热浸腐蚀法
       热浸腐蚀法即采用特殊装置将腐蚀液加热到一定的温度下,然后在该温度下恒温将试样浸泡到腐蚀液中。根据实际情况腐蚀时间约为5~40 min。采用清水冲洗,用毛刷刷洗表面,冲洗干净,取出,吹干,观察拍照。常用碳素结构钢、合金钢等钢种的热浸腐蚀液成分、腐蚀时间及腐蚀液温度见表2所示。
       表2 常用不同钢种的热浸腐蚀液成分、腐蚀时间及腐蚀液温度
       Table 2 Composition, etching time and etching temperature of hot dip etchant of different steels

编号 热酸腐蚀液成分 适用范围 腐蚀液温度 腐蚀时间
1
2
3
1:1(容积比)工业HCL 碳素工具钢、硅锰弹簧钢等 60~80 5~l0
合金结构钢、合金工具钢、
轴承钢
5~20
易切削钢 20~40
4 HNO3,HCL和H2O(容积比)按照10:1:10比例 奥氏体型不锈钢、耐热钢 60~70 5~25
5 H2SO4,HCL和H2O按照1:4:5的比例 碳素结构钢、合金钢、
高速工具钢
60~80 15~25
 
 
       热浸腐蚀法的特点是酸浸试样粗糙度要求较低,试样表面粗糙度不大于Ra1.6μm即可;试样尺寸受腐蚀液槽子尺寸的限制;腐蚀液需要加热,产生酸烟,腐蚀液刺激性气味较大,需要配有排风系统;适合批量检测,成本较高;具有腐蚀时间短,缩短工作周期;相比冷酸腐蚀法,低倍组织解析试样保存时间略长等优点。
       1.3 电解腐蚀法
       电解腐蚀法其原理不同于冷酸腐蚀法和热浸腐蚀法,它主要是由于外加电源使得电极电位高的氧化性离子在阴极放电还原,而阳极区电极电位低的较活泼金属失电子被氧化,成为阳离子脱离材料表面,形成阳极的腐蚀。待检测钢坯作为阳极,平行于电极板放置,多个试样之间保留间隙,电解介质为稀释的冷酸腐蚀液,通电发生电解。根据实际情况腐蚀时间约为10~20 min,采用清水冲洗,用毛刷刷洗表面,冲洗干净;然后采用60-70℃热水浸泡一下,取出,吹干,观察拍照。电解腐蚀法的腐蚀原理如图1所示。
 
图1 电解腐蚀法的腐蚀原理图
Fig.1 Schematic of electrolytic corrosion
 
 
       电解腐蚀法其特点是利用电解反应原理,需要定期更换电极板且耗费电能;电解介质腐蚀液可循环使用,且浓度低易中和,刺激性气味较轻;酸浸试样粗糙度要求较低,试样表面粗糙度不大于Ra1.6μm即可;整个过程中通过电压、电流准确控制腐蚀,且腐蚀过程中几乎无酸烟产生;可进行单件腐蚀,也可进行批量腐蚀;同时具有腐蚀时间短;相比前面两种腐蚀法,低倍组织解析试样保存时间更长等优点。
       
       2 三种低倍组织检测方法的实验对比分析

       本文将同种钢材进行半精磨和精磨处理,磨削后采用表面粗糙度测量仪进行测试,测试的试样表面粗糙度值见图2所示。从图中可以看出,精磨和半精磨的试样表面粗糙度不同,粗糙度值分别为Ra0.043μm和Ra0.918μm。将表面粗糙度低于Ra0.8μm的试样采用冷酸腐蚀法进行低倍组织检测;将表面粗糙度低于Ra1.6μm的试样分别采用热浸腐蚀法和电解腐蚀法进行低倍组织检测。
  
 
 
 
      图3为不同方法检测后的低倍组织。从图3(a)中可以看出,冷酸腐蚀法的低倍组织整体均匀,钢坯内部缺陷较少,钢坯缺陷表现为级别为0.5级的一般疏松,微小缺陷未显现;图3(b)为热浸腐蚀法的低倍组织,钢坯缺陷表现为级别1.5级的一般疏松;图3(c)为电解腐蚀法的低倍组织,钢坯缺陷表现为级别为1级的中心疏松和2级的一般偏析[7]。光从最终的低倍组织解析面的成像效果来看,热浸腐蚀法和电解腐蚀法的效果要优于冷酸腐蚀法。
 
 

 
 
           
  
       3 结论

       综上所述可知,从试样制备、实验过程到实验结果三种低倍组织检测方法各具特点。通过本文研究得出以下主要结论:
     (1)冷酸腐蚀法试样制备要求较高、实验过程中人工腐蚀,很难保证操作的稳定性且存在较大的酸液刺激性气味、实验结果受人工操作影响性较大且试样可保存时间短。
     (2)热浸腐蚀法试样制备要求不高、实验过程中需要加热保证腐蚀液在某一恒定温度(60~80℃)下进行且会存在酸烟、实验结果效果较好,更适用于批量集中检测。
     (3)电解腐蚀法试样制备要求不高、实验过程受电流控制,稳定性高、实验结果效果较好且试样可存时间相对较长。
     (4)无论哪种腐蚀方法均为人工肉眼对比评审,易存在随机性和误差性。如果试样腐蚀过深,必需将试样重新进行加工,加工量约1mm,方能再次进行酸浸腐蚀试验。
 
参考文献

[1] 王洪亮, 周立民, 周立富, 等. 钢坯低倍检测技术的现状、发展与愿景[J]. 物理测试, 2016, 34(5):1-7.
[2] 郭长升, 周立民, 刘国栋,等. 大型钢坯低倍试样加工与缺陷检测的新装备、新技术[J]. 连铸, 2016,41(2):43-47.
[3] 彭勃, 李春阳. 全自动电解腐蚀技术在连铸坯低倍检验中的应用[J]. 理化检验:物理分册, 2015,51(12):858-862.
[4] 贾建平. 降低连铸坯内部缺陷技术的研究与应用[J]. 冶金设备,2015,221 (4):69-73.
[5] 王明辉, 雷 娜, 赵乃胜. 低倍检验在铸坯质量控制中的应用[J]. 物理测试, 2016,36 (4):22-24.
[6] GB/T 226—2015 钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法[S]. 北京:中国标准出版社,2015.
[7] GB/T 1979-2001结构钢低倍组织缺陷评级图[S]. 北京:中国标准出版社,2001.

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