1Cr11MoNiW1VNbN鋼螺栓裂紋分析

李海霞 黃 亮 李興東 張小伍(哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江150046)

汽輪機(jī)機(jī)組中，螺栓作為緊固件對(duì)于管道法蘭、汽缸以及閥門的緊固起到至關(guān)重要的作用[1]。某批次汽輪機(jī)高溫螺栓進(jìn)廠調(diào)質(zhì)后發(fā)現(xiàn)4件毛坯材料表面存在裂紋。螺栓毛坯料的材質(zhì)為1Cr11MoNiW1VNbN，規(guī)格為?150 mm×1450 mm，毛坯料進(jìn)廠前的主要生產(chǎn)流程為：電爐+AOD+LF+VD→電渣→初軋→退火→磨光→超聲檢測(cè)→精軋成材→退火。通過(guò)對(duì)毛坯料初步觀察發(fā)現(xiàn)毛坯料裂紋沿螺栓縱向分布，并且4件毛坯料上裂紋位置幾乎相同，為了確定毛坯料裂紋形成原因，取1件帶裂紋的毛坯料解剖進(jìn)行分析。毛坯料裂紋形貌見(jiàn)圖1[2]。

圖1 毛坯料裂紋宏觀形貌Figure 1 Macroscopic appearance of cracks in blanks

1 理化檢驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分分析

在螺栓毛坯料裂紋附近切取一塊試樣，按照GB/T 223《鋼鐵及合金化學(xué)分析方法》系列標(biāo)準(zhǔn)對(duì)毛坯料試樣進(jìn)行分析，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，1Cr11MoNiW1VNbN鋼的化學(xué)成分符合GB/T 21410—2006要求[3]。

1.2 硬度測(cè)試

在毛坯料裂紋附近取樣，經(jīng)研磨拋光后，使用布氏硬度計(jì)測(cè)試其裂紋附近基體布氏硬度，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，1Cr11MoNiW1VNbN鋼的硬度較為均勻，符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21410—2006要求。

1.3 金相檢驗(yàn)

在毛坯料裂紋附近取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，金相照片見(jiàn)圖2。從圖2可見(jiàn)，基體顯微組織為較細(xì)小的回火索氏體組織，晶粒較為均勻。

2 斷口分析

2.1 斷口宏觀形貌分析

將毛坯料裂紋打開(kāi)，裂紋斷口宏觀形貌見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，裂紋斷面呈深黑色，斷面氧化嚴(yán)重。

表1 1Cr11MoNiW1VNbN鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions of 1Cr11MoNiW1VNbN steel (mass fraction, %)

表2 1Cr11MoNiW1VNbN鋼的硬度Table 2 Brinell hardness of 1Cr11MoNiW1VNbN steel

圖2 毛坯料金相組織Figure 2 Metallographic structure of blank material

圖3 毛坯料斷口宏觀形貌Figure 3 Macro-appearance of blank fracture

表3 斷口能譜分析測(cè)試結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Results of fracture by energy spectrum analysis (mass fraction, %)

2.2 斷口微觀形貌分析

利用SUPRATM 55掃描電子顯微鏡和QUANTAX 200能譜分析儀分析裂紋斷面微觀形貌以及斷面靠近表面和心部不同區(qū)域的微區(qū)成分，結(jié)果見(jiàn)圖4和表3。從斷口微觀形貌和微區(qū)成分測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，裂紋斷面氧化嚴(yán)重，斷口除氧化皮附著外，未見(jiàn)其他斷裂形貌特征[4]。

圖4 毛坯料斷口微觀形貌Figure 4 Micro-appearance of blank fracture

3 裂紋金相分析

在靠近裂紋端面位置取樣(如圖5所示)，制備成裂紋金相試樣。利用Axioyert 40 mat型金相顯微鏡分析裂紋附近的裂紋金相組織，裂紋附近金相照片見(jiàn)圖6和圖7。由圖6和圖7可見(jiàn)，裂紋整體呈弧形，開(kāi)口方向與毛坯料表面呈一定角度，裂紋從表面向內(nèi)延伸，外表面開(kāi)口較寬，且開(kāi)口兩側(cè)邊緣較為圓鈍，裂紋末梢裂紋不耦合，也并不具備淬火裂紋纖細(xì)剛直、曲折擴(kuò)展的金相[2]。裂紋兩側(cè)無(wú)帶狀非金屬夾雜物和帶狀組織分布。由于裂紋從端部到末梢均較寬，不能分辨裂紋兩側(cè)金相組織的連續(xù)性；靠近表面的裂紋兩側(cè)存在明顯氧化層，裂紋邊緣存在明顯脫碳層，脫碳層深度與毛坯料表面脫碳層基本一致[5]。

圖5 毛坯料裂紋試樣形貌Figure 5 Appearance of cracked blank sample

圖6 裂紋金相形貌(未腐蝕)Figure 6 Metallograph of crack without corrosion

4 分析與討論

(1)從毛坯料裂紋宏觀及斷口分析情況來(lái)看，開(kāi)口方向與毛坯料表面呈一定角度，而不是和普通淬火裂紋一樣與表面垂直，裂紋內(nèi)部邊緣氧化嚴(yán)重，存在大量的氧化皮，裂紋開(kāi)口較大且邊緣較為圓鈍，即毛坯料裂紋不是調(diào)質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的淬火裂紋。

(2)從裂紋金相分析結(jié)果來(lái)看，裂紋內(nèi)部有明顯的氧化物填充，兩側(cè)脫碳層明顯，并且裂紋末梢未見(jiàn)耦合性的裂紋特征，不具備淬火裂紋纖細(xì)剛直、曲折擴(kuò)展的金相組織特征等現(xiàn)象，推斷毛坯料裂紋為調(diào)質(zhì)前形成的原始裂紋。

(3)綜上，從毛坯料生產(chǎn)的工藝過(guò)程、裂紋宏觀形態(tài)、斷口氧化情況以及裂紋金相分析情況來(lái)看，該裂紋應(yīng)為毛坯料在軋制中產(chǎn)生的折疊缺陷。折疊缺陷是在軋制料軋制過(guò)程中產(chǎn)生的，主要是因軋輥面磨損產(chǎn)生的毛刺或軋制料表面存在未去除氧化皮或凹坑，這些缺陷在軋制時(shí)進(jìn)入軋制料基體，而這部分金屬由于存在氧化而切斷了基體金屬的連續(xù)性，最終形成與基體材料表面成一定角度的折疊缺陷[6-7]。對(duì)于軋制料基體而言，由于折疊缺陷是在高溫下形成的，所以折疊的縫隙中往往填充大量氧化物，且兩側(cè)容易形成脫碳層。折疊缺陷屬于軋制料表面的原始缺陷[8]。

5 結(jié)論

(1)螺栓毛坯料上的裂紋應(yīng)為調(diào)質(zhì)前螺栓毛坯料軋制過(guò)程中折疊缺陷引起的原始裂紋。

(2)建議嚴(yán)格檢查螺栓毛坯料表面狀態(tài)，控制毛坯料進(jìn)廠質(zhì)量。

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