解讀《鋼的脫碳層深度測(cè)試方法》的新標(biāo)準(zhǔn)

脫碳是鋼鐵材料常見的一種熱處理缺陷。 在熱處理過程中，倘若加熱溫度過高，亦或者在高溫下停留時(shí)間較長(zhǎng)，鋼鐵材料表面往往會(huì)發(fā)生脫碳。鋼鐵材料表面脫碳程度可以用脫碳層深度進(jìn)行表征。2019年5月，國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局與中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)共同發(fā)布了GB/T 224- 2019 《鋼的脫碳層深度測(cè)定方法》，代替了GB/T 224-2008《鋼的脫碳層深度測(cè)定方法》。新標(biāo)準(zhǔn)在舊標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上增加了多種脫碳層深度測(cè)定方法，為了引導(dǎo)企業(yè)技術(shù)人員能夠更好理解新標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)內(nèi)容，并對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)中的多種脫碳層深度測(cè)定方法有個(gè)全面的認(rèn)知,筆者對(duì)《鋼的脫碳層深度測(cè)定方法》最新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了解讀。

1、新、 舊標(biāo)準(zhǔn)差異

新標(biāo)準(zhǔn)與舊標(biāo)準(zhǔn)之間的主要差異: 刪除內(nèi)容3項(xiàng)，修改內(nèi)容1項(xiàng)，增加內(nèi)容5項(xiàng)[1-2]。

1.1、刪除內(nèi)容

GB/T 224- 2019 中刪除了舊標(biāo)準(zhǔn)中的術(shù)語一“鐵素體脫碳層深度”及其定義，刪除了舊標(biāo)準(zhǔn)中的“洛氏硬度測(cè)量法”及“硬度值換算”。

1.2、修改內(nèi)容

CB/T 224- 2019中將 “取樣”單獨(dú)列為一個(gè)章節(jié)。將舊標(biāo)準(zhǔn)中的“測(cè)定方法”的“總則”中與“取樣”有關(guān)的內(nèi)容及“金相法”中與“取樣”有關(guān)的內(nèi)容、“化學(xué)分析法”中與“取樣”有關(guān)的內(nèi)容、“光譜分析法”中與“取樣”有關(guān)的內(nèi)容均列入到新標(biāo)準(zhǔn)中“取樣”這一章節(jié)。“取樣”內(nèi)容的合并，便于讀者直觀理解不同脫碳層深度測(cè)定方法對(duì)取樣要求的差異。

1.3、增加項(xiàng)目

GB/T 224- 2019 新增加內(nèi)容5項(xiàng)，具體內(nèi)容見表1。新增加的內(nèi)容大部分為脫碳層深度的測(cè)定方法，結(jié)合未刪減的測(cè)定方法，目前脫碳層深度測(cè)定方法有3大類，共計(jì)7種方法，具體見表2。其中金相法、顯微硬度法屬于間接測(cè)定法;碳含量測(cè)定法為直接測(cè)定法。

2、金相法

2.1、金相法 原理

金相法也可稱為顯微鏡組織法。該方法利用光學(xué)顯微鏡觀察試樣從表面到基體隨碳含量的變化而產(chǎn)生的組織變化。通常情況下，觀測(cè)到的組織的差別，在亞共析鋼中是以鐵素體與其他組織組成物的相對(duì)量的變化來區(qū)別的;在過共析鋼中是以碳化物含量相對(duì)基體的減少來區(qū)分的。對(duì)于硬化組織或者淬火回火組織，當(dāng)碳含量變化引起組織顯著變化時(shí)，同樣可用該方法進(jìn)行測(cè)量。

2.2、金相法適用范圍

金相法適用于具有退火或正火(鐵素體-珠光體)組織的鋼鐵材料,也可有條件的用于那些硬化、回火、軋制或鍛造狀態(tài)的鋼鐵制品。

2.3、金相法試樣制備及要求

截取尺寸合適的試樣;必要時(shí)，需進(jìn)行鑲嵌，或者直接依次進(jìn)行研磨、拋光;最后用1.5% ~ 4%的硝酸酒精溶液對(duì)試樣進(jìn)行侵蝕，以便顯示鋼材的金相組織間。在制樣的過程中，試樣邊緣不許存在倒圓，卷邊。

2.4、金相法測(cè)定步驟

金相法脫碳層深度測(cè)定即借助光學(xué)顯微鏡目鏡，或者利用金相圖像分析系統(tǒng)觀察和定量測(cè)量從試樣表面到其組織與基體組織已無明顯區(qū)別的那一點(diǎn)的距離。脫碳層具體的測(cè)量方法有最嚴(yán)重視場(chǎng)法和平均法。最嚴(yán)重視場(chǎng)法是對(duì)每- - 個(gè)試樣，在最深的均勻脫碳區(qū)的一個(gè)顯微鏡視場(chǎng)內(nèi),隨機(jī)進(jìn)行幾次測(cè)量(至少五次)，以這些測(cè)量值的平均值作為脫碳層深度。平均法是首先在最深均勻脫碳區(qū)測(cè)量第一點(diǎn)，然后從這點(diǎn)開始表面被等分成若干部分，如無特殊規(guī)定，至少四等份，在每一部分的結(jié)束位置測(cè)量最深處的脫碳層深度，以這些測(cè)量值(至少四個(gè))的平均值作為試樣的脫碳層深度。其中，軸承鋼、工具鋼、彈簧鋼等對(duì)脫碳要求較高的鋼種適用最嚴(yán)重視場(chǎng)法進(jìn)行測(cè)定，不適用平均法進(jìn)行測(cè)定。觀察組織時(shí)，通常采用的放大倍數(shù)為100倍。

2.5、金相法特點(diǎn)

金相法具有適用范圍廣泛、設(shè)備投資小、制樣簡(jiǎn)單、操作流程簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn)。但該方法對(duì)操作人員的專業(yè)素質(zhì)要求較高，專業(yè)水平不高的操作人員作出的測(cè)定結(jié)果往往與真實(shí)結(jié)果之間會(huì)存在較大的差異。

3、顯微硬度法

3.1、顯微硬度法原理

本方法利用硬度計(jì)測(cè)量在試樣橫截面上沿垂直于表面方向上的顯微硬度值的分布梯度，根據(jù)硬度的壓頭的種類，可選擇維氏硬度法或者努氏硬度法。

3.2、顯微硬度法適用范圍

顯微硬度法適用于脫碳層相當(dāng)深，經(jīng)過硬化處理、回火處理或熱處理的亞共析鋼。同時(shí)也可用于脫碳層完全在硬化區(qū)內(nèi)的情況，避免淬火不完全引起的硬度波動(dòng)。但本方法不適用于低碳鋼。

3.3、顯微硬度法試樣制備及要求

截取尺寸合適的試樣;必要時(shí)，需先進(jìn)行鑲嵌，否則直接依次進(jìn)行研磨、拋光。試樣是否需要腐蝕視具體情況而定，但在制樣的過程中，需防止試樣過熱，以免影響硬度的真實(shí)測(cè)量結(jié)果。

3.4、顯微硬度法測(cè)定 步驟

當(dāng)使用維氏硬度測(cè)量法時(shí)，具體操作步驟可以依據(jù)GB/T 4340.1- -2009 《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)第1部分:試驗(yàn)方法》4進(jìn)行。當(dāng)使用努氏硬度測(cè)量法時(shí)，具體操作步驟可依據(jù)GB/T 18449.1-2009《金屬材料努氏硬度試驗(yàn)第1部分:試驗(yàn)方法》(5] 進(jìn)行。在實(shí)際操作過程中可以通過直線法(垂直于表面方向上)或者斜線法(傾斜于表面方向上)去測(cè)量試樣橫截面上的顯微硬度值的分布梯度。其中，直線法適合測(cè)量大或者中等厚度的脫碳層，斜線法適合測(cè)量中等或者小厚度的脫碳層。脫碳層深度規(guī)定為從表面到已到達(dá)所要求硬度值的那一-點(diǎn)的距離。通常情況下，至少要在相互距離盡量遠(yuǎn)的位置進(jìn)行四組測(cè)定,其測(cè)定值的平均值作為脫碳層深度。為減少測(cè)量數(shù)據(jù)的分散性，需盡可能使用大載荷，通常采用0.49 ~ 4.9N(50 ~ 200gf) 載荷。各壓痕中心之間的距離應(yīng)不超過0.1 mm，同時(shí)至少應(yīng)為對(duì)角線長(zhǎng)度的2.5倍。

3.5、顯微硬度法特點(diǎn)

顯微硬度法具有設(shè)備投資小、制樣簡(jiǎn)單、操作流程簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn)。但該方法卻存在適用范圍比較小的缺點(diǎn)，主要應(yīng)用在亞共析鋼。

4、碳含量測(cè)定法

4.1、碳含量測(cè)定法原理

本方法利用儀器設(shè)備測(cè)定含量在垂直于試樣表面方向上的分布梯度。具體測(cè)量方法有化學(xué)分析法、直讀光譜分析法、電子探針分析法、輝光光譜分析法。

4.2、碳含量測(cè)定法適用 范圍

化學(xué)分析法適用于具有恰當(dāng)?shù)膸缀涡螤畹脑嚇?，但不適用于部分脫碳情況的測(cè)量。直讀光譜分析法只適用于具有滿足直讀光譜儀要求的平面試樣。電子探針分析法適用于含有單一組織的淬回火鋼和球化退火鋼。輝光光譜法適用于脫碳層深度不超過10 μm，直徑在20 ~ 100 mm的圓形試樣或者邊長(zhǎng)在20 ~ 100 mm的方形試樣，且試樣的平面尺寸需滿足輝光光譜儀的要求。

4.3、碳含量測(cè)定法試樣制備及要求

化學(xué)分析法與直讀光譜分析法均要求使用機(jī)械加工的方法，平行于試樣表面逐層剝?nèi)∶繉訛?.1mm的樣削，但在制樣前，需清除表面氧化膜。電子探針分析法的試樣制備與金相法的試樣制備相同，但無需腐蝕。輝光光譜分析法制樣需去除試樣表面的油漬或者其他殘留物。

4.4、碳含量測(cè)定法測(cè)定 步驟

碳含量測(cè)定法主要是測(cè)定從試樣表面一-直到基體穩(wěn)定處的碳含量的深度曲線。當(dāng)采用化學(xué)分析法測(cè)定脫碳層的深度時(shí)，可按照GB/T20126-2006《非合金鋼低碳含量的測(cè)定第2部分:感應(yīng)爐( 經(jīng)預(yù)加熱)內(nèi)燃燒后紅外吸收法》(間進(jìn)行。當(dāng)采用直讀光譜分析法測(cè)定脫碳層的深度時(shí)，可按照GB/T4336--2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測(cè)定火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》7]進(jìn)行。當(dāng)采用電子探針分析法測(cè)定脫碳層的深度時(shí)，可按照GB/T 15247- -2008 《微束分析電子探針顯微分析測(cè)定鋼中碳含量的校正曲線法》(81進(jìn)行。當(dāng)采用輝光光譜分析法測(cè)定脫碳層的深度時(shí)，可按照GB/T 22368- -2008 《低合金鋼多元素含量的測(cè)定輝光放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》網(wǎng)進(jìn)行。

4.5、碳含量測(cè)定法特點(diǎn)

由于碳含量測(cè)定法包括化分析法、直讀光譜分析法、電子探針分析法、輝光光譜分析法等多種測(cè)量方法，因此具有適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。但該方法的缺點(diǎn)比較多，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:首先，設(shè)備投資較大，其中單針對(duì)電子探針設(shè)備可能就得花費(fèi)幾百萬;第二，制樣要求較高，例如化分析法、直讀光譜分析法中需在樣品表面逐層剝?nèi)?.1 mm樣削。

5、結(jié)束語

以GB/T 224- -2019< 鋼的脫碳層深度測(cè)定方法》中的主要技術(shù)內(nèi)容為基礎(chǔ)，通過新舊標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比解讀，以及從多個(gè)角度對(duì)比分析多種脫碳層深度測(cè)定法異同點(diǎn)，希望可為鋼材制造企業(yè)提供參考及借鑒。