鋼中鋁含量對E級鋼鑄件脆性斷裂的影響

高明才

（牡丹江金緣鉤緩制造有限責任公司，黑龍江牡丹江 157013）

1 情況說明

該鉤舌材質(zhì)為E級鋼（成分及性能見表1），該產(chǎn)品應用于單車載重139.8 t，牽引240列，總牽引力為3.8萬t澳大利亞礦石車。從性能的要求可以看出其對抗拉強度、屈服強度及沖擊韌性的要求均高于《機車車輛用車鉤、鉤尾框》（T B/T 456-2008）的要求（鐵標對應數(shù)值為：830 MPa、690 MPa、27 J）。故此該產(chǎn)品對裂紋的敏感性高，在生產(chǎn)初期曾多次發(fā)生脆性斷裂，斷口呈“冰糖狀”。

表1 化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）及機械性能要求

2 原因分析

2.1 金相分析

通過探傷檢查發(fā)現(xiàn)存在脆性斷裂的鑄件澆口部位存在裂紋，該部位金相圖片如圖1、圖2所示。金相分析顯示組織為索氏體、基體表層有脫碳（脫碳層深度0.2 mm～0.35 mm）且裂紋兩邊存在分叉及轉(zhuǎn)向特征，由此可以證明該裂紋為沿晶界斷裂。

圖1 澆口部位金相1

圖2 澆口部位金相2

2.2 成分分析

通過對該批次同爐澆注的鑄件進行化學成分光譜分析，發(fā)現(xiàn)Al元素質(zhì)量分數(shù)均在0.085%～0.12%之間，比日?？刂品秶舷薷叱?.04%，其他元素含量正常。

2.3 電鏡及能譜分析

為進一步詳細了解鑄件脆性斷口的特征，對現(xiàn)場鑄件的斷口進行實物取樣，并將試樣委托鐵科院金化所進行電鏡高倍形貌觀測、X光能譜元素分析及俄歇能譜表面元素分析，結(jié)果見圖3～圖5.

圖3 斷口形貌及夾雜圖片

圖4 斷口夾雜的能譜分析圖片

圖5 斷口表面俄歇能譜表面元素分析圖片

從圖4、圖5圖可以看出，能譜在晶界位置存在較多的Fe-Mn、Mn等元素能量的突變。形成該現(xiàn)象的原因是由于鋼液中存在過多的Al元素，由于Al元素較Mn、Cr元素氧化能力強，造成鋼水在還原期、冷卻過程中過多的Mn及Cr元素被還原出來，在晶界形成Mn的富集區(qū)，造成能量的突變。同時由于Al元素的過剩，致使鋼水中的N元素在高溫狀態(tài)下同其形成穩(wěn)定的AlN，進一部消弱晶間強度。

通過對脆性斷口進行分析，證明斷口表面有較多的Al2O3、、Mn S和局部富集的Mn；脆性斷口上存在 AlN；脆性斷口未發(fā)現(xiàn)富集的 As、Sn、Sb、Pb等元素。

結(jié)論：脆性斷裂是由于鋼件中存在超量的Al元素，造成其在晶界形成AlN，割裂了鋼件基體。

3 Al元素質(zhì)量分數(shù)對脆性斷裂的影響

為進一步找到鋼中鋁質(zhì)量分數(shù)對鑄件產(chǎn)生脆性斷裂的規(guī)律，從而確定出鋼中合理的Al元素質(zhì)量分數(shù)。現(xiàn)場采用手工插鋁的方法澆注出不同鋁質(zhì)量分數(shù)的試棒，并采用錘擊的方式獲得斷口，制作出宏觀斷口圖片見圖6.

圖6 不同質(zhì)量分數(shù)的Al對宏觀斷口的影響

從圖6可以看出E級鋼鑄件Al質(zhì)量分數(shù)在0.080%左右時，脆性斷口開始呈現(xiàn)出“冰糖狀”，當其質(zhì)量分數(shù)達到0.22%時斷口形成圓周形脆性“冰糖狀“斷口，而且該趨勢的產(chǎn)生在Al質(zhì)量分數(shù)接近0.09%產(chǎn)生突變。

Al元素質(zhì)量分數(shù)在0.020%～0.055%之間時，斷口組織致密，強度成各向同性，故此通過錘擊的方式獲得斷口十分困難；當Al元素質(zhì)量分數(shù)在0.060%～0.080%之間時斷口通過肉眼可以觀察到存在“分層”特征，其強度成單向異性，通過錘擊的方式獲得斷口較為容易；當Al元素質(zhì)量分數(shù)超過0.080%或更高時，斷口明顯存在“冰糖狀”大顆粒，斷層鮮亮成“放射狀”，由于其脆性大，故此通過錘擊的方式獲得斷口十分容易。

4 結(jié)論

1）通過實驗表明雖然當鋼中Al的質(zhì)量分數(shù)達到0.080%時已經(jīng)在金相邊界產(chǎn)生AlN，但此時鑄件的機械性能卻可以達到標準要求，只是沖擊性能的富余量不足。故此為保證鑄件的綜合性能，同時發(fā)揮Al元素脫氧的作用，對E級鋼而言，鋁的質(zhì)量分數(shù)應控制在0.02%～0.07%。

2）Al元素作為鋼水冶煉過程中強脫氧劑，其所得率具有不穩(wěn)定性。為了能夠穩(wěn)定地控制并檢測其在鋼水中的含量，建議采取吹氬喂絲工藝加鋁，同時在鋼水澆注到整包的1/4時澆注成品樣，在檢測澆注末期的殘Mn樣的同時檢測最終Al含量。

3）通過實驗證明：對于E級鋼鑄件而言，一旦鋼中因Al含量過高形成晶界AlN，采用重新熱處理的方式是無法消除的。

4）該種因Al含量過高產(chǎn)生的脆性斷裂缺陷只會發(fā)生在E級鋼或低合金鋼急冷鑄件，對其他鋼種或非淬火鑄件暫不具備指導意義。

［1］高美蘭，白樹金.ZG 310-570鑄件脆性斷裂分析［J］.新技術(shù)新工藝，2008（4）：66-67.

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［3］蔡啟舟，吳樹森.鑄造合金原理及熔煉［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2010.

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