Вкладышная шкала: Основной дефект в контроле качества и испытании стали

Определение и Основные понятия

Внутренняя масштабировка относится к дефекту поверхности, наблюдаемому на стальных изделиях, характеризующемуся захватом оксидной масштабировки, шлака или других поверхностных примесей внутри металла во время горячей или холодной прокатки. Он проявляется в виде локальных пятен или полос оксидированного материала, встроенного в поверхность стали, часто видимых невооруженным глазом или под микроскопом.

Этот дефект важен в контроле качества стали, поскольку он напрямую влияет на качество поверхности, стойкость к коррозии и эстетический вид, что критично для применений, требующих высокой поверхности, таких как автопанели, бытовая техника и конструкционные элементы.

В рамках более широкой системы обеспечения качества стали, Внутренняя масштабировка считается дефектом поверхности, который может нарушить целостность и эксплуатационные характеристики конечного продукта. Обычно он оценивается при осмотре поверхности и проверках, чтобы обеспечить соответствие стандартам отрасли и требованиям заказчика.

Физическая природа и металлургические основы

Физическое проявление

На макроскопическом уровне Внутренняя масштабировка выглядит как неправильные, часто темные или окрашенные пятна или полосы на поверхности стали. Эти пятна могут варьировать по размеру от микроскопических точек до больших участков нескольких миллиметров, в зависимости от степени дефекта.

В микроскопическом плане дефект состоит из оксидных включений, шлаковых частиц или других поверхностных примесей, механически внедрившихся в поверхность стали во время прокатки. Такие включения обычно хрупкие, пористые и могут быть слабо прикреплены или частично интегрированы в матрицу стали.

Характерные признаки включают неровную текстуру поверхности, локальную шероховатость и иногда отслоение или отслаивание верхнего слоя. Этот дефект можно отличить от коррозии поверхности по его происхождению и микроструктуре, что часто подтверждается металлографическим анализом.

Механизм металлургической формировки

Образование Внутренней масштабировки обусловлено взаимодействием высокотемпературной окисления, прилипанием шлака и механической деформацией во время прокатки. Во время горячей прокатки поверхность стали подвергается воздействию окисляющих атмосфер, что приводит к образованию оксидных масштабов, таких как магнетит, гематит или уистит.

Если оксидный слой не удаляется или не контролируется должным образом, его фрагменты могут захватываться внутри поверхности стали при последующих деформациях. Частицы шлака с печи или из среды прокатки также могут прилипать к поверхности и внедряться под давлением.

Микроструктурно дефект включает оксидные включения или шлаковые частицы, которые физически застревают внутри деформированного слоя поверхности стали. Такие включения могут служить концентраторами напряжений, уменьшая ресурс усталости и коррозионную стойкость.

Состав стали влияет на склонность к образованию масштабов; например, повышение содержания серы или фосфора способствует образованию оксидов и их прилипанию. Условия обработки, такие как температура, контроль атмосферы и скорость прокатки, значительно влияют на вероятность развития Внутренней масштабировки.

Классификационная система

Стандартизированная классификация Внутренней масштабировки часто включает уровни степени тяжести на основе размера, распределения и влияния на качество поверхности:

• Класс 1 (Незначительный): Малые, изолированные пятна или полосы, легко снимаемые при обработке поверхности.
• Класс 2 (Умеренный): Больше пятен или полос, которые могут потребовать дополнительной очистки или шлифовки.
• Класс 3 (Тяжелый): Обширное загрязнение поверхности с внедренными оксидами или шлаком, значительно влияющее на внешний вид и характеристики.

Критерии классификации включают процент пораженной площади, глубину включений и степень их удаления. Например, ASTM A480 устанавливает требования к отделке поверхности и допускаемые дефекты, косвенно связанные с тяжестью Внутренней масштабировки.

На практике классификация служит руководством по принятию, с более строгими стандартами для изделий с высокой точностью или требующих эстетики.

Методы выявления и измерения

Основные методы обнаружения

Визуальный осмотр остается основным методом первоначального выявления Внутренней масштабировки, особенно для крупных пятен или полос. Инспекторы осматривают поверхность стали при хорошем освещении, часто с помощью увеличительных приборов, таких как лупы или световые микроскопы.

Для более точного определения используют металлографическое исследование — подготовку отполированного поперечного сечения поверхности стали и его анализ под оптическим или электронным микроскопом. Это позволяет подробно наблюдать встроенные включения, их морфологию и микроструктурные особенности.

Измерение шероховатости поверхности с помощью профилометров также косвенно может указывать на наличие поверхностных включений или неровностей, связанных с Внутренней масштабировкой.

Стандарты и процедуры тестирования

Соответствующие международные стандарты включают ASTM A480, ISO 13705 и EN 10051, которые определяют требования к качеству поверхности и процедурам оценки дефектов.

Типичная процедура тестирования включает:

• Очистку образца от пыли и масла.
• Проведение визуального осмотра при стандартизированном освещении.
• Использование увеличительных приборов для выявления и классификации пятен.
• При необходимости подготовку металлографических образцов — резку, монтаж, полировку и травление.
• Анализ микроструктуры для подтверждения наличия оксидных включений или шлаковых частиц.

Ключевые параметры контроля включают интенсивность освещения, уровень увеличения и чистоту поверхности. Соблюдение этих параметров обеспечивает надежное выявление и классификацию.

Требования к образцам

Образцы должны быть репрезентативными для всей партии, с подготовкой поверхности, включая очистку и полировку, чтобы устранить загрязнения, мешающие обнаружению дефектов.

Обработка поверхности включает обезжиривание и легкую шлифовку при необходимости, чтобы выявить скрытые включения. Правильный выбор образцов важен; их берут с разных участков для учёта вариаций производства.

Образцы должны быть достаточно большими для всестороннего осмотра, обычно несколько сантиметров в каждом измерении, и подготовлены по стандартным металлургическим методикам для микроскопического анализа.

Точность измерений

Визуальный осмотр по сути субъективен, но может быть стандартизирован с помощью протоколов инспекции и обученного персонала. Металлографический анализ обеспечивает высокую повторяемость и воспроизводимость при контролируемых условиях.

Источники ошибок включают непоследовательное освещение, загрязнение поверхности или неправильную подготовку образцов. Для обеспечения качества измерений рекомендуется калибровка оборудования, стандартизированные процедуры и межлабораторное сравнение.

Повторные проверки и перекрестная оценка несколькими инспекторами помогают снизить неопределенность и повысить доверие к результатам оценки дефектов.

Квантификация и анализ данных

Единицы измерения и шкалы

Объём измерений Внутренней масштабировки обычно выражается в процентах пораженной поверхности от общей инспектируемой площади — в % покрытия поверхности.

В качестве альтернативы может измеряться размер отдельного пятна или включения в миллиметрах или микрометрах, с записью максимального размера.

Математически процент покрытия поверхности рассчитывается как:

$$\text{Процент покрытия (%) }= \left( \frac{\text{Площадь пятен}}{\text{Общая площадь}} \right) \times 100 $$

Коэффициенты преобразования просты: 1 мм² равен (10^6) мкм², что облегчает микроstructурный анализ.

Толкование данных

Результаты тестирования интерпретируются на основе установленных пороговых значений:

• Допустимо: покрытие поверхности менее 1%, пятна размером менее 0,5 мм.
• Требуется повторная обработка: покрытие в диапазоне 1-5%, пятна до 1 мм.
• Отбраковка: покрытие свыше 5%, пятна размером более 1 мм или разнородные включения.

Эти пороги зависят от характеристик изделия и требований применения. Например, конструкционная сталь может допускать больше поверхностных включений, чем прецизионная сталь для электроники.

Результаты коррелируют с эксплуатационными характеристиками материала; более высокая тяжесть дефекта обычно связана с повышенным риском коррозии, усталости или эстетических дефектов.

Статистический анализ

Многократные измерения на разных образцах позволяют статистически оценить распространенность дефектов. Расчет среднего, стандартного отклонения и доверительных интервалов дает представление о стабильности процесса.

Планы выборки должны соответствовать стандартам, таким как ASTM E177 или ISO 2859, обеспечивая достаточные данные для надежной оценки качества. Статистические контрольные карты позволяют отслеживать уровни дефектов со временем, что способствует раннему выявлению отклонений в процессе.

Влияние на свойства и эксплуатационные характеристики материала

Влияющий параметр	Степень воздействия	Риск отказа	Критический порог
Стойкость к коррозии	Умеренная до высокая	Повышенная	Покрытие более 2%
Стойкость к усталости	Умеренная	Увеличена	Встроенные включения более 0,5 мм
Эстетический вид	Высокий	Значительный	Видимые пятна более 1 мм
Качество отделки поверхности	Высокое	Критическое	Шероховатость поверхности более 3 мкм

Наличие Внутренней масштабировки значительно ухудшает коррозионную стойкость, выступая в роли пунктов инициирования ржавчины. Встроенные оксидные включения acting as stress concentrators, снижая ресурс усталости. Визуальные дефекты могут привести к отказу изделий, обращенных к потребителю, а шероховатость поверхности увеличивает трение и износ.

Механистически включения ослабляют поверхностный слой, способствуют локальной коррозии и служат точками начала трещин при циклических нагрузках. Степень дефекта коррелирует с уровнем ухудшения свойств, что подчеркивает необходимость контроля этого дефекта в производственном процессе.

Причины и факторы влияния

Причины, связанные с процессом

Ключевые производственные процессы, влияющие на Внутреннюю масштабировку, включают:

• Контроль атмосферы в печи: Избыточное окисление из-за высокого уровня кислорода способствует образованию оксидных масштабов.
• Условия нагрева в печи: Высокие температуры и неравномерный нагрев могут увеличить прилипание оксидных слоев.
• Управление шлаком и флюсами: Плохое удаление шлака или загрязнение влияет на прилипание и захват шлака.
• Параметры прокатки: Высокие скорости прокатки, недостаточное смазка или неправильная настройка зазора между роликами могут способствовать внедрению поверхностных примесей.

Ключевые контрольные точки включают поддержание оптимальных условий атмосферы (редуцирующие или инертные газы), эффективное удаление шлака и контроль температуры и давления при прокатке.

Факторы состава материала

Химический состав стали влияет на образование оксидных слоев:

• Высокое содержание серы или фосфора: Способствует прилипанию и образованию оксидных масштабов.
• Элементы легирования: Такие как хром, никель и молибден могут формировать стабильные оксидные слои, менее склонные к захвату.
• Чистота: Низкий уровень включений снижает вероятность захвата шлака или окислов.

Сплавы, предназначенные для высокой коррозионной стойкости, часто содержат элементы, модифицирующие поведение оксидов и уменьшающие риск возникновения Внутренней масштабировки.

Факторы окружающей среды

Обстоятельства обработки включают:

• Атмосферный состав: Атмосферы, богатые кислородом, способствуют образованию оксидных слоев.
• Влажность и влажность воздуха: Повышенная влажность стимулирует окисление и загрязнение поверхности.
• Время обработки: Более длительный контакт при высокой температуре увеличивает рост и прилипание оксидов.
• Условия после обработки: Быстрое охлаждение или неправильная очистка поверхности могут запечатать окислы внутри поверхности.

Во время эксплуатации коррозионные среды, такие как морская или промышленная атмосфера, могут усиливать эффект остаточных оксидных включений.

Влияние металлургической истории

Предыдущие этапы обработки влияют на микроструктуру и состояние поверхности:

• История горячей обработки: Многократная деформация может приводить к микротрещинам или шероховатости поверхности, захватывающей примеси.
• Термическая обработка: Недостаточная отжиг или неправильное охлаждение могут способствовать образованию оксидов и их прилипанию.
• Подготовка поверхности: Недостаточная очистка перед прокаткой оставляет загрязнения, которые могут внедряться.
• Микроструктурные особенности: Размер зерна, распределение фаз и содержание включений из предыдущих этапов влияют на прилипание и захват оксидов.

Понимание совокупного влияния истории обработки помогает разработать стратегии минимизации Внутренней масштабировки.

Профилактика и стратегии снижения

Меры контроля процесса

Меры профилактики включают:

• Контроль атмосферы: Использование инертных или восстанавливающих газов во время нагрева и прокатки для ограничения окисления.
• Обслуживание печи: Регулярная очистка и удаление шлака для предотвращения переноса шлака.
• Очистка поверхности: Применение кислотной травки, дробеструйной обработки или других методов очистки перед прокаткой.
• Оптимизация параметров прокатки: Регулирование температуры, скорости и смазки для минимизации внедрения поверхностных примесей.

Использование методов мониторинга, таких как термопары, датчики кислорода и системы управления процессом, помогает поддерживать оптимальные условия.

Подходы к дизайну материалов

Стратегии проектирования включают:

• Регулирование легирования: Включение элементов, таких как хром или кремний, для формирования защитных оксидных слоев, менее склонных к захвату.
• Микроструктурная инженерия: Контроль размера зерна и содержания включений посредством рафинирования и дегазации.
• Оптимизация термической обработки: Проведение подходящих отжигов или нормализации для снижения микротрещин и структурной неоднородности поверхности.

Эти подходы повышают устойчивость поверхности и снижают риск образования Внутренней масштабировки.

Методы устранения

Если Внутренняя масштабировка обнаружена после производства:

• Шлифовка или полировка поверхности: Механическое удаление пятен для восстановления качества поверхности.
• Химическая очистка: Кислотная травка для растворения оксидных включений и остатков шлака.
• Покрытие или гальваника: Нанесение защитных покрытий для запечатывания остатков включений и повышения коррозионной стойкости.
• Критерии приемки: Изделия с обширной или тяжелой масштабировкой могут отклоняться или перерабатываться в соответствии со спецификациями.

Ранняя диагностика и исправление помогают предотвратить дальнейшее ухудшение и обеспечить соответствие стандартам качества.

Системы обеспечения качества

Внедрение эффективных систем качества включает:

• Регулярный осмотр: Плановые визуальные и микроcкопические проверки во время производства.
• Мониторинг процесса: Постоянное измерение атмосферы печи, температуры и параметров прокатки.
• Документирование: Ведение детальной документации условий процесса, результатов осмотров и корректирующих действий.
• Обучение персонала: Обеспечение обучения персонала выявлению дефектов и контролю процесса.
• Управление качеством поставщиков: Контроль качества исходных материалов для снижения проблем с примесями.

Соблюдение стандартов, таких как ISO 9001 и отраслевые спецификации, обеспечивает стабильное качество продукции.

Промышленное значение и примеры из практики

Экономический эффект

Внутренняя масштабировка может привести к увеличению издержек на производство из-за дополнительных операций по отделке, повторной обработки или списания дефектных изделий. Это может вызвать задержки в производственном графике и повысить уровень брака.

В дорогостоящих применениях дефекты поверхности могут привести к претензиям по гарантии, ответственности и потере доверия клиентов. Экономические последствия подчеркивают необходимость профилактических мер и контроля качества.

Наиболее пострадавшие отрасли

Такие ниши, как автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность, прецизионное машиностроение и декоративные стальные изделия, особенно чувствительны к проблемам качества поверхности. В этих областях высокое качество поверхности важно для эстетики, функциональности и стойкости к коррозии.

Конструкционная сталь и трубопроводная промышленность также затронуты, особенно если встроенные включения нарушают механические свойства или свариваемость.

Примеры из практики

Стальной завод по производству автомобильных кузовных панелей сталкивался с частыми дефектами поверхности, вызываемыми захватом оксидной масштабировки. Анализ выявил недостаточный контроль атмосферы печи и слабую подготовку поверхности. Исправительные меры включали обновление систем контроля атмосферы и строгие протоколы подготовки поверхности. После этого показатели Внутренней масштабировки значительно снизились, что повысило качество продукции и удовлетворенность клиентов.

Извлеченные уроки

Исторические случаи показывают важность объединенного контроля процесса, тщательной проверки поверхности и чистоты материалов. Передовые методы включают управление атмосферой, очистку поверхности и мониторинг в реальном времени.

Опыт отрасли подчеркивает, что раннее выявление и профилактика более экономически выгодны, чем исправление после производства. Постоянное совершенствование процесса и обучение персонала важны для минимизации этого дефекта.

Связанные термины и стандарты

Связанные дефекты или тесты

• Внутренние включения: Микроструктурные дефекты, связанные с неметаллическими включениями внутри матрицы стали.
• Прилипание масштаба: Склонность оксидных слоев прилипать или отрываться во время обработки.
• Шероховатость поверхности: Количественная оценка неровностей поверхности, часто вызываемых встроенными включениями.
• Захват шлака: Аналогично Внутренней масштабировке, но касается именно шлаковых частиц, прилипших или внедрившихся в поверхность.

Дополнительные методы проверки включают ультразвуковое тестирование для скрытых включений и вихретоковую диагностику для поверхностных дефектов.

Основные стандарты и спецификации

• ASTM A480: Стандартные требования к нержавеющим стальным листам, пруткам и полосам, включая требования к качеству поверхности.
• ISO 13705: Сталь — качество поверхности и оценка дефектов.
• EN 10051: Непрерывная горячекатаная сталь — качество поверхности и критерии дефектов.
• Региональные вариации: Европейские стандарты (EN), американские стандарты (ASTM) и международные стандарты (ISO) задают конкретные критерии по дефектам поверхности, включая Внутреннюю масштабировку.

Передовые технологии

Развитие включает:

• Автоматизированные системы визуального контроля: Использование машинного зрения и ИИ для быстрого обнаружения дефектов.
• Лазерное сканирование и 3D профилометрия: Точное измерение топографии поверхности для количественной оценки неровностей.
• Мониторинг атмосферы в реальном времени: Контроль среды печи для предотвращения образования оксидных слоев.
• Технологии покрытий поверхности: Нанесение защитных слоев во время обработки для предотвращения прилипаний оксидов.

Будущие разработки направлены на повышение чувствительности выявления, сокращение времени инспекции и улучшение контроля процесса, что способствует минимизации Внутренней масштабировки и связанных дефектов.

---

Данная статья предоставляет подробное понимание Внутренней масштабировки, охватывая ее определение, металлургическую основу, методы обнаружения, влияние на свойства, причины, стратегии профилактики, промышленное значение и связанные стандарты. Правильное управление этим дефектом необходимо для обеспечения высококачественной продукции, соответствующей требованиям отрасли и заказчика.