大型碳錳鋼軸類鍛件密集性缺陷分析

梁寶乙 劉繼紅 張俊彥

(中冶京誠(chéng)(營(yíng)口)裝備技術(shù)有限公司，遼寧115004)

公司最近生產(chǎn)的一批大型碳錳鋼軸類鍛件共計(jì)50余支，其中有多支存在超聲波探傷超標(biāo)密集性缺陷，給公司造成很大損失。為系統(tǒng)探究產(chǎn)生缺陷的原因，提高產(chǎn)品合格率，我們對(duì)其中一支報(bào)廢軸進(jìn)行了解剖分析。

1 探傷結(jié)果及試片切取

按EN10228-3—1998標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行超聲波探傷后發(fā)現(xiàn)，在鍛件水口端距端頭5.0 m范圍內(nèi)的中心部位均發(fā)現(xiàn)?2mm以上當(dāng)量密集性超標(biāo)缺陷。經(jīng)探傷定位，在距端頭460 mm缺陷最嚴(yán)重處切取50 mm厚試片。采用低倍、金相、掃描及能譜等研究手段對(duì)其進(jìn)行缺陷判定。

2 檢驗(yàn)結(jié)果

2.1 低倍檢驗(yàn)

為探究缺陷區(qū)域的低倍組織形貌，我們對(duì)試片進(jìn)行加工處理后，先后對(duì)其橫向、徑向和切向試料進(jìn)行了低倍酸蝕，試料切取情況見圖1所示。在低倍酸蝕前，我們對(duì)上述試料的預(yù)酸蝕面均進(jìn)行了磁粉和滲透檢驗(yàn)，但未發(fā)現(xiàn)明顯的近表面缺陷及開口性裂紋。低倍酸蝕后觀察發(fā)現(xiàn)，在與探傷超標(biāo)對(duì)應(yīng)位置的橫向試料中心區(qū)域有密集性孔洞存在，徑向和切向試料上有沿縱向的多處類裂紋，最大長(zhǎng)度約2 mm。由斜向觀察可見該類裂紋與橫向中心區(qū)的密集性孔洞相對(duì)應(yīng)，見圖2所示。2.2 金相及對(duì)應(yīng)的掃描電鏡和EDS檢驗(yàn)在切向試料上沿縱向切取金相試樣并檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，試樣中的B類(氧化鋁類)夾雜物含量居多，夾雜物沿縱向呈密集的鏈狀分布，見圖3。依據(jù)GB/T 10561—2005標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行非金屬夾雜物評(píng)級(jí)。評(píng)級(jí)結(jié)果如表1所示，可見其B類夾雜物超標(biāo)嚴(yán)重。為進(jìn)一步判定其夾雜物組成，我們對(duì)該金相試樣進(jìn)行了掃描電鏡觀察和EDS分析，結(jié)果見圖4和圖5。微區(qū)成分見表2，夾雜物主要為鈣鋁酸鹽夾雜物和鎂鋁尖晶石夾雜物。

圖1 低倍試料切取位置Figure 1 Sampling position for macroscopic examination

圖2 宏觀低倍形貌Figure 2 The macro apperances and local magnification

試樣編號(hào)A(硫化物類)B(氧化鋁類)C(硅酸鹽類)D(球狀氧化物類)細(xì)系粗系細(xì)系粗系細(xì)系粗系細(xì)系粗系Ds(單顆粒球狀類)10110590.51.00>3.00001.02.0

圖3 非金屬夾雜物的微觀形貌Figure 3 The micro apperance feature for nonmetallic inclusions

圖4 夾雜物的掃描電鏡觀察及選區(qū)能譜分析Figure 4 The microstructure examination by SEM and EDS analysis

圖5 夾雜物的能譜分析Figure 5 The EDS analysis for nonmetallic inclusions

OMgAlCaFeabcd48.051.045.849.0-15.1-14.536.434.035.831.012.8-11.8-0.9-6.65.5

圖6 斷口掃描電鏡形貌Figure 6 The microstructure examination of fracture by scanning electron microscoy

圖7 斷口掃描電鏡觀察及選區(qū)EDS檢查Figure 7 The SEM image and inserted EDS examination for the fracture

2.3 掃描電鏡斷口觀察和EDS分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述結(jié)論，我們?cè)谇邢蛟嚵仙锨腥嗫谠嚇樱瑢?duì)其在860℃淬火后壓斷，繼而進(jìn)行斷口檢驗(yàn)，在斷口處同樣觀察到大量非金屬夾雜物。其掃描電鏡照片見圖6，經(jīng)測(cè)量其夾雜物聚集鏈長(zhǎng)度約1.9 mm，與超聲波探傷結(jié)果吻合。EDS分析表明，斷口處夾雜物成分與2.2分析結(jié)果基本一致。經(jīng)分析表明，其中較大顆粒為鈣鋁酸鹽夾雜物，較小顆粒為鎂鋁尖晶石夾雜物，見圖7所示。

3 分析討論

低倍、金相及掃描電鏡觀察均表明鈣鋁酸鹽夾雜物和鎂鋁尖晶石夾雜物是造成鍛件超聲波探傷超標(biāo)的原因。因在低倍酸蝕前進(jìn)行的磁粉和滲透檢驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)明顯的近表面缺陷及開口性裂紋，故低倍觀察到的孔洞應(yīng)為夾雜物被酸蝕后殘存下來(lái)的。鈣鋁酸鹽夾雜物則是保護(hù)渣(CaO-Al2O3-SiO2)與鋼液相互作用的產(chǎn)物。而相關(guān)研究表明，鎂鋁尖晶石夾雜物中的MgO可能來(lái)源于爐渣和鋼包爐襯耐火材料(MgO-C磚)，也有可能是鋼液本身反應(yīng)的產(chǎn)物[1]。相關(guān)研究進(jìn)一步表明[2，3]，當(dāng)非金屬夾雜物中MgO來(lái)自爐渣時(shí)，夾雜物中會(huì)同時(shí)含有很高的CaO，且MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不超過(guò)5%；如果MgO來(lái)自耐火材料則其質(zhì)量分?jǐn)?shù)將遠(yuǎn)高于5%，有時(shí)可達(dá)35%甚至更高。由表2中b和d點(diǎn)的EDS成分分析結(jié)果可知，鎂鋁尖晶石夾雜物中MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于5%和35%之間且不同時(shí)含有CaO，因此應(yīng)來(lái)自于爐襯中的耐火材料。鈣鋁酸鹽夾雜物和鎂鋁尖晶石夾雜物作為典型的脆性?shī)A雜物[4]，在常規(guī)熱加工環(huán)境下將不會(huì)隨基體金屬產(chǎn)生變形行為，而是在金屬變形時(shí)與基體之間產(chǎn)生滑動(dòng)，降低界面結(jié)合力，并沿金屬變形方向產(chǎn)生裂紋或孔洞，最終成為疲勞裂紋源。這也是嚴(yán)格控制其含量的主要原因。夾雜性缺陷與煉鋼過(guò)程中的鋼水純凈度密切相關(guān)，這是毫無(wú)爭(zhēng)議的。通過(guò)優(yōu)化鍛造方法等手段雖然能在某種程度上使夾雜物彌散化而保證超聲波探傷不超標(biāo)，或改變其夾雜物形貌而使其不產(chǎn)生夾雜裂紋，甚至能夠焊合和修復(fù)已經(jīng)產(chǎn)生的夾雜性裂紋，但加強(qiáng)鋼水冶煉及鑄錠生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量控制才是解決該類缺陷問(wèn)題的最根本途徑[5～7]。

4 結(jié)論

(1)各種檢驗(yàn)結(jié)果表明，導(dǎo)致超聲波探傷密集性缺陷的原因?yàn)殁}鋁酸鹽夾雜物和鎂鋁尖晶石夾雜物超標(biāo)。

(2)分析表明，鈣鋁酸鹽夾雜物是保護(hù)渣(CaO-Al2O3-SiO2)與鋼液相互作用的產(chǎn)物；而鎂鋁尖晶石夾雜物來(lái)源于鋼包爐襯耐火材料(MgO-C磚)。通過(guò)在煉鋼過(guò)程中加強(qiáng)鋼水冶煉及鑄錠生產(chǎn)環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制是解決該類缺陷問(wèn)題的最根本途徑。

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