張瑞鋒 喬 堅(jiān) 韓 燕 俆太安

(1.中國第一重型機(jī)械股份公司理化檢測(cè)中心，黑龍江 161042；2.中國第一重型機(jī)械股份公司鑄鍛鋼事業(yè)部，黑龍江 161042)

在實(shí)際生產(chǎn)中，一些對(duì)力學(xué)性能要求不高、用于非關(guān)鍵部位的工件，往往采用大氣冶煉、大氣法澆注。這樣既滿足工件的技術(shù)要求，又節(jié)約生產(chǎn)成本。尤其是批量生產(chǎn)時(shí)，大氣下注法是首選的澆注方法。采用下注法一次能夠鑄成數(shù)根至數(shù)十根鋼錠，生產(chǎn)效率高；鋼液在模內(nèi)上升平穩(wěn)，鋼錠表面質(zhì)量好；有利于鋼中氣體及夾雜物上浮排出。其缺點(diǎn)是鑄錠準(zhǔn)備工作復(fù)雜；耐火材料消耗高，鋼液損失多；鋼中夾雜物多；鋼液內(nèi)部質(zhì)量不如上注。

某公司生產(chǎn)的一批材質(zhì)為28Mn6的機(jī)架輥，采用大氣冶煉、大氣下注法澆注，再經(jīng)鍛造、鍛后熱處理和粗加工。探傷檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)輥頸、輥身處均存在?2 mm～?5 mm的密集型缺陷，造成該批次機(jī)架輥基本報(bào)廢。為查明缺陷性質(zhì)，取樣進(jìn)行失效分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 金相檢驗(yàn)

1.1.1 低倍檢驗(yàn)

在輥身缺陷密集區(qū)域切取最大截面橫向試片，試片厚度為30 mm、直徑為600 mm。由于機(jī)加磨床加工存在一定困難，所以將試片分成三段進(jìn)行加工。分別進(jìn)行酸洗試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在距試片邊緣150 mm～220 mm的區(qū)域內(nèi)存在明顯的環(huán)帶狀缺陷(圖1)，其他區(qū)域則不明顯。將環(huán)帶狀缺陷局部放大后觀察，判斷該缺陷性質(zhì)為點(diǎn)狀偏析，見圖2。

在低倍試片點(diǎn)狀偏析嚴(yán)重的區(qū)域切取斷口試樣，沿縱向打開，斷口宏觀形貌見圖3?？梢钥闯?，存在明顯的帶狀偏析。該帶狀偏析即對(duì)應(yīng)于橫向低倍試片上的點(diǎn)狀偏析。

1.1.2 高倍檢驗(yàn)

在低倍試片點(diǎn)狀偏析嚴(yán)重的區(qū)域切取金相試樣，檢驗(yàn)其縱向面，觀察夾雜物發(fā)現(xiàn)硫化物含量較多，其余夾雜物很少，見圖4。試樣經(jīng)腐蝕后，宏觀狀態(tài)下觀察發(fā)現(xiàn)帶狀偏析較為明顯(見圖5)，這與上述斷口中的帶狀偏析性質(zhì)一致。在高倍顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，夾雜物分布在偏析區(qū)內(nèi)，顯微組織為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體，晶粒度級(jí)別為6.5級(jí)，見圖6。非偏析區(qū)顯微組織為珠光體+網(wǎng)狀、塊狀鐵素體，晶粒度級(jí)別為3.5級(jí)。與偏析區(qū)相比，非偏析區(qū)內(nèi)珠光體、網(wǎng)狀鐵素體不僅粗大，而且存在密集的塊狀鐵素體，即珠光體、鐵素體均勻性很差。偏析區(qū)與非偏析區(qū)的高倍顯微組織對(duì)比形貌如圖7所示。

1.2 化學(xué)成分分析

對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析。與非偏析區(qū)相比，偏析區(qū)各元素含量較高，且碳、硫、錳明顯超標(biāo)。非偏析區(qū)各元素含量在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。試樣化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。

圖1 試片酸洗低倍形貌 圖2 環(huán)帶狀缺陷局部放大形貌Figure 1 Macroscopic appearance after test piece picklingFigure 2 Local magnified appearance of ring shaped defect

圖3 斷口低倍形貌 圖4 夾雜物微觀形貌Figure 3 Macroscopic appearance of fractureFigure 4 Microscopic appearance of inclusions

圖5 金相試樣腐蝕后的宏觀形貌 圖6 偏析區(qū)的顯微組織Figure 5 Macroscopic appearance after metallographic corrosionFigure 6 Microscopic structure of segregation zone

(a)偏析區(qū) (b) 非偏析區(qū)圖7 偏析區(qū)、非偏析區(qū)顯微組織對(duì)比Figure 7 Microscopic structure comparasion between segregation zone and non-segregation zone

CSiMnPSCrNiMoCu非偏析區(qū)偏析區(qū)標(biāo)準(zhǔn)范圍0.310.680.25～0.320.250.31≤0.401.341.841.30～1.650.0210.023≤0.0350.0320.434≤0.0350.320.37≤0.400.310.34≤0.400.060.08≤0.100.090.10≤0.20

1.3 斷口及能譜分析

低倍斷口在電鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)偏析區(qū)斷裂形貌較為致密，非偏析區(qū)斷裂形貌相對(duì)粗大，這是由于晶粒不均勻引起的，即偏析區(qū)晶粒細(xì)小，非偏析區(qū)晶粒相對(duì)粗大。從圖8可以看出，在偏析區(qū)內(nèi)存在條帶狀?yuàn)A雜物，沿偏析帶方向延伸，最大長度約3.5 mm。局部放大后，夾雜物呈黑色，延展性較強(qiáng)，嵌于基體內(nèi)，且部分夾雜已脫落，見圖9。這是由于該夾雜物尺寸較大，在斷口試樣開裂時(shí)容易脫落導(dǎo)致的。能譜分析夾雜物成分，主要為硫、錳及少量的碳，據(jù)此判定其性質(zhì)為硫化錳夾雜物，見圖10。斷口微觀斷裂性質(zhì)為脆性解理方式， “河流花樣”特征明顯，見圖11。

2 分析與討論

金相低倍檢驗(yàn)結(jié)果表明，在試片的邊緣區(qū)域未發(fā)現(xiàn)點(diǎn)狀偏析，而中間區(qū)域較為嚴(yán)重，心部也較少。這是鋼液凝固結(jié)晶過程中，由于選分結(jié)晶的緣故。

圖8 偏析區(qū)內(nèi)的夾雜物Figure 8 Inclusions in segregation zone

圖9 夾雜物放大形貌Figure 9 Magnified appearance of inclusion

圖10 夾雜物能譜分析圖11 基體微觀形貌Figure 10 Energy spectrum analysis of inclusionFigure 11 Microscopic appearance of basal body

鑄錠靠近鋼錠模表層的區(qū)域成分比較純凈，雜質(zhì)含量很少。隨著結(jié)晶過程的進(jìn)行，合金元素及一些硫、磷等雜質(zhì)元素在結(jié)晶前沿鋼液中富集。當(dāng)溫度降低時(shí)，氣體在鋼中的溶解度下降，在結(jié)晶前沿析出形成氣泡。在其上浮過程中，使得富集雜質(zhì)的鋼液沿氣泡上浮的軌跡形成條帶狀偏析。這種富集雜質(zhì)的區(qū)域，抗腐蝕性較差，所以在橫向酸洗低倍試片上出現(xiàn)深色斑點(diǎn)，即點(diǎn)狀偏析。該試片心部出現(xiàn)點(diǎn)狀偏析較少，是由于結(jié)晶推進(jìn)到該區(qū)域時(shí)，氣體已大部分溢出?？梢钥闯觯刂其撘褐械臍怏w含量至關(guān)重要。在進(jìn)行大氣冶煉、大氣澆注時(shí)，由于操作不當(dāng)，容易吸收環(huán)境中的氣體。此外，鋼錠模烘干不徹底、澆注管道潮濕也可能是造成點(diǎn)狀偏析嚴(yán)重的原因之一。

金相高倍檢驗(yàn)結(jié)果表明，偏析區(qū)內(nèi)珠光體細(xì)小致密，鐵素體沿晶界形成，根據(jù)網(wǎng)狀鐵素體判定該區(qū)域?qū)嶋H晶粒度為6.5級(jí)，而非偏析區(qū)為3.5級(jí)。這是由于偏析區(qū)內(nèi)碳含量較高，阻礙了晶粒的長大。此外，偏析區(qū)未形成大塊狀鐵素體，也是由于上述原因造成的。硫化錳夾雜物主要分布于偏析區(qū)內(nèi)，證明該區(qū)域內(nèi)雜質(zhì)含量較高。從試樣顯微組織中出現(xiàn)嚴(yán)重的網(wǎng)狀鐵素體分析，工件鍛后正火處理時(shí)，由于冷卻速度太慢，導(dǎo)致碳從晶界向晶內(nèi)擴(kuò)散，形成網(wǎng)狀鐵素體，這種鐵素體降低了工件的力學(xué)性能?？梢姡ぜ坏嬖趪?yán)重的點(diǎn)狀偏析，而且其熱處理工藝也明顯存在問題。

化學(xué)成分分析結(jié)果表明，偏析區(qū)內(nèi)合金元素及雜質(zhì)元素含量都比非偏析區(qū)內(nèi)的高，尤其碳、硫、錳不僅起伏變化較大，而且超出標(biāo)準(zhǔn)范圍。顯微組織中若碳含量高，不僅珠光體含量相對(duì)增加，且該區(qū)域晶粒度相對(duì)細(xì)小。若錳、硫含量高，容易形成較大的硫化錳夾雜物。

斷口及能譜分析結(jié)果表明，導(dǎo)致探傷檢驗(yàn)不合格的缺陷為塑性變形能力較強(qiáng)的硫化錳夾雜物，其最大長度約為3.5 mm，且分布較廣，正好對(duì)應(yīng)探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)的?2 mm～?5 mm的密集缺陷。大部分夾雜物位于斷口帶狀偏析區(qū)內(nèi)，即橫向低倍試片中的點(diǎn)狀偏析區(qū)。斷口中除了硫化錳夾雜物，未發(fā)現(xiàn)其它明顯的缺陷。

3 結(jié)論及建議

(1)該批次機(jī)架輥采用大氣冶煉、大氣下注法進(jìn)行澆注時(shí)，由于鋼液中氣體控制不當(dāng)，氣體在鋼液凝固結(jié)晶前沿溢出的過程中，大量硫化錳夾雜物以及一些合金元素在氣體通道(點(diǎn)狀偏析區(qū))內(nèi)聚集，形成嚴(yán)重的點(diǎn)狀偏析，最終導(dǎo)致探傷檢驗(yàn)出現(xiàn)超標(biāo)的密集型缺陷，使得產(chǎn)品報(bào)廢。此外， 鋼錠模烘干不徹底、澆注管道潮濕等原因也可能會(huì)對(duì)點(diǎn)狀偏析的形成起到促進(jìn)作用。

(2)建議采用真空碳脫氧技術(shù)，從而最大限度的去除鋼中的氣體。嚴(yán)格控制冶煉工藝，最大限度地脫硫。適當(dāng)降低澆注溫度及速度，提高冷卻速度，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的點(diǎn)狀偏析。

[1] 孫智，江利，等.失效分析:基礎(chǔ)與應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2] 李烔輝.金屬材料金相圖譜.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[3] 崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[4] 日本鑄造工學(xué)會(huì).鑄造缺陷及其對(duì)策，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[5] 大型鑄鍛件行業(yè)協(xié)會(huì).大型鑄鍛件缺陷分析圖譜. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.