ASTM E45-Testmethoden zur Bestimmung des Einschlussgehalts in Stahl

Der Standard „ASTM E45 Standard Test Methods for Determining Inclusion Content in Steel“, entwickelt von der American Society for Testing and Materials (ASTM), beschreibt eine Reihe von Methoden zur Bestimmung des Gehalts an nichtmetallischen Einschlüssen (intrazelluläre unbelebte Materie) in Schmiedestahl. Zu den makroskopischen Methoden gehören Makroabrasion, Brechen, Stufenreduktion und Magnetpulverprüfung. Zu den mikroskopischen Methoden gehören fünf Prüfsysteme. Bei diesen mikroskopischen Methoden werden Einschlüsse aufgrund ähnlicher morphologischer Merkmale und nicht unbedingt aufgrund chemischer Identität einer Kategorie zugeordnet. Dieser Standard umfasst metallografische Methoden, die eine einfache Unterscheidung zwischen morphologisch ähnlichen Einschlüssen ermöglichen. Während diese Methoden in erster Linie zur Einstufung von Einschlüssen gedacht sind, können Komponenten wie Carbide, Nitride, Carbonitride, Boride und intermetallische Phasen mithilfe einiger mikroskopischer Methoden klassifiziert werden. In manchen Fällen können auch andere Legierungen als Stähle mithilfe einer oder mehrerer dieser Methoden klassifiziert werden.

Diese Prüfmethoden decken die Verfahren zur Bestimmung von Einschlüssen des Typs JK mittels automatisierter Bildanalyse gemäß den mikroskopischen Methoden A und D ab. Je nach Stahlsorte und den erforderlichen Eigenschaften kann eine makroskopische oder mikroskopische Methode oder eine Kombination aus beiden zur Bestimmung des Einschlussgehalts ausreichend sein. Diese Prüfmethoden beziehen sich nur auf die empfohlenen Prüfmethoden und sind nicht als Definition oder Festlegung der Akzeptanzgrenzen für eine Stahlsorte auszulegen.

Für die Zwecke dieser Norm gelten zusätzlich zu den in ASTM E7 angegebenen Begriffen und Definitionen die folgenden Definitionen:

• Das Seitenverhältnis ist das Längen-Breiten-Verhältnis eines mikrostrukturellen Merkmals.
• Ein gestrichelter Balken besteht aus drei oder mehr Einschlüssen vom Typ B oder C, die in einer Ebene parallel zur Warmarbeitsachse ausgerichtet und um nicht mehr als 15 µm versetzt sind, wobei zwischen den beiden nächstgelegenen Einschlüssen ein Abstand von weniger als 40 µm besteht.
• Der ASTM E7-Standard definiert Einschlusstypen für Sulfid-, Aluminiumoxid- und Silikateinschlüsse. In einigen Methoden bezieht sich sphärisches Oxid auf isolierte, relativ unverformte Einschlüsse mit einem Aspektverhältnis von höchstens 2:1. In anderen Methoden werden Oxide in verformbare und nicht verformbare Typen unterteilt.
• Der Einschlussgrad JK ist eine Methode zur Messung nichtmetallischer Einschlüsse, die auf den schwedischen Jernkontoret-Verfahren basiert.
• Ein Stringer ist ein einzelner Einschluss, der in Verformungsrichtung erheblich verlängert ist, oder drei oder mehr Einschlüsse vom Typ B oder C, die in einer Ebene parallel zur Warmarbeitsachse ausgerichtet und um nicht mehr als 15 µm versetzt sind, wobei zwischen den beiden nächstgelegenen Einschlüssen ein Abstand von weniger als 40 µm besteht.
• Bei der Schwellenwertanpassung handelt es sich um die Isolierung eines Bereichs von Graustufenwerten, die eine Komponente innerhalb des Mikroskopfelds aufweist.
• Bei der schlechtesten Feldbewertung handelt es sich um eine Bewertung, bei der die Probe für jeden Einschlusstyp bewertet wird, indem der Wert für die höchste Schwere dieses Einschlusstyps zugewiesen wird, die irgendwo auf der Oberfläche der Probe beobachtet wurde.

Diese Prüfmethoden umfassen vier makroskopische und fünf mikroskopische Prüfmethoden (manuelle und Bildanalyse), um den Einschlussgehalt von Stahl und die Prüfergebnisse auszudrücken.

Einschlüsse werden eher durch Größe, Form, Konzentration und Verteilung als durch ihre chemische Zusammensetzung charakterisiert. Obwohl die Zusammensetzung nicht definiert ist, werden Einschlüsse mithilfe mikroskopischer Methoden einer von mehreren Zusammensetzungskategorien (Sulfide, Oxide und Silikate) zugeordnet. Diese Norm beschreibt ein metallografisches Verfahren zur Unterscheidung von Einschlüssen. Es können nur Einschlüsse erkannt werden, die auf der Prüfoberfläche vorhanden sind.

Makroskopische Prüfmethoden bewerten größere Oberflächenbereiche als mikroskopische Prüfmethoden. Da die Prüfung visuell oder bei geringer Vergrößerung erfolgt, eignen sich diese Methoden am besten zum Erkennen größerer Einschlüsse. Diese Methoden eignen sich nicht zum Erkennen von Einschlüssen, die kleiner als etwa 0,40 mm sind, und trennen Einschlüsse nicht nach Typ.

Zu den makroskopischen Testmethoden gehören:

• Makro-Abriebtest
• Bruchtest
• Schritt-für-Schritt-Methode
• Magnetpulvermethode

Mikroskopische Prüfmethoden werden verwendet, um Einschlüsse zu charakterisieren, die durch Desoxidation oder eingeschränkte Löslichkeit in massivem Stahl entstehen. Diese mikroskopischen Prüfmethoden ordnen Schwere und Art der Einschlüsse nach morphologischem Typ, d. h. Größe, Form, Konzentration und Verteilung, jedoch nicht speziell nach Zusammensetzung. Diese Einschlüsse werden nach morphologischem Typ, d. h. Größe, Form, Konzentration und Verteilung, jedoch nicht speziell nach Zusammensetzung charakterisiert.

Mikroskopische Methoden sind nicht für die Bestimmung des Gehalts an exogenen Einschlüssen geeignet. Bei Uneinigkeit darüber, ob ein Einschluss nativ oder exogen ist, können mikroanalytische Methoden wie die energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) zur Bestimmung der Art des Einschlusses herangezogen werden. Allerdings müssen Erfahrung und Kenntnisse über den Gussprozess und die Produktionsmaterialien, wie Desoxidations-, Entschwefelungs- und Einschlussformkontrollzusätze sowie feuerfeste Material- und Ofenauskleidungszusammensetzungen, in Verbindung mit den mikroanalytischen Ergebnissen genutzt werden, um festzustellen, ob ein Einschluss nativ oder exogen ist.

Da die Einschlussdichte einer Stahlcharge je nach Standort variiert, muss der Einschlussgehalt statistisch ermittelt werden. Die Stichprobenrate muss der Chargengröße und den spezifischen Eigenschaften angemessen sein. Materialien mit sehr geringem Einschlussgehalt können mithilfe automatisierter Bildanalyse genauer klassifiziert werden, was eine präzisere mikroskopische Klassifizierung ermöglicht.

Mithilfe makroskopischer Prüfverfahren werden Größe, Verteilung, Anzahl und Art von Einschlüssen auf einer polierten Probenoberfläche charakterisiert.

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