40CrMnMoA輥軸鍛件缺陷分析

(中信重工機(jī)械股份有限公司計量檢測中心，河南471039)

輥軸材質(zhì)為40CrMnMoA，凈重36.6t，采用60.5t鋼錠制造，其加工流程：冶煉、澆注→鍛造→鍛后熱處理→粗加工→超聲檢測。輥軸在超聲檢測過程中，在水口端發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在連續(xù)性的超標(biāo)缺陷，最大當(dāng)量?6mm，分布在中心?350mm范圍內(nèi)，具體的缺陷分布如圖1所示，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)評定為不合格，該輥軸鍛件報廢。為了分析輥軸鍛件產(chǎn)生缺陷的原因，在缺陷最嚴(yán)重部位取樣進(jìn)行缺陷分析，具體取樣位置見圖1方框所示。

圖1 輥軸缺陷位置分布示意圖Figure 1 Position distribution sketch of roll shaft defect

1 理化分析

1.1 低倍試驗

在圖1所示位置分別取斷口試樣和低倍試片進(jìn)行分析，低倍試片經(jīng)磨制后進(jìn)行熱酸蝕試驗，在酸洗后放置一定時間進(jìn)行觀察，試片的中心存在1處裂紋缺陷，裂紋邊緣整齊圓滑，并且在裂紋中存在有非金屬夾雜物，在裂紋附近也存在多處點狀分布的夾渣形貌，初步判斷該缺陷應(yīng)為夾渣裂紋，另外，未發(fā)現(xiàn)點狀偏析、疏松等其他缺陷。缺陷處局部放大圖見圖2。

1.2 宏觀斷口分析

圖2 缺陷處局部放大圖Figure 2 Local magnification chart of the defect

圖3 缺陷斷口宏觀形貌Figure 3 Macroscopic morphology of fracture defects

圖4 缺陷局部放大形貌Figure 4 Locally amplified morphology of defects

將所取的斷口試樣在缺陷位置的背面開槽壓斷口，打開后的斷口形貌見圖3?？梢钥闯觯捅断碌牧鸭y面打開后顯示為灰色，在裂紋面的附近還存在多條灰色的缺陷，該缺陷應(yīng)為夾渣缺陷，斷口的特征為結(jié)晶狀斷口。缺陷局部放大形貌見圖4。

表1 試樣的化成成分Table 2 Chemical compositions of sample(mass fraction, %)

圖5 夾雜物形貌Figure 5 Inclusion morphology

1.3 化學(xué)分析

在低倍試片上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測結(jié)果見表1。從表1可知，試樣的化成成分符合JB/T 6396—2006要求。C含量雖然偏低，但滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 222中對鋼成分偏差值的要求，其他元素含量均滿足規(guī)范值，化學(xué)成分合格。

1.4 金相分析

在斷口試樣的缺陷位置取樣進(jìn)行金相分析，試樣經(jīng)磨制、拋光后，在顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)試樣的縱截面上存在較多的非金屬夾雜物，夾雜物照片見圖5。經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕后觀察，組織為珠光體+鐵素體組織，金相組織正常?；w金相組織照片見圖6。

1.5 電鏡分析

在圖3所示位置取樣，進(jìn)行掃描電鏡分析。電鏡下的夾渣形貌見圖7?；w的斷裂形貌具有解離斷裂特征，見圖8。對夾渣處進(jìn)行能譜分析，結(jié)果顯示該夾渣的成分主要為Al、Si、Ca等元素，見圖9、圖10。

2 分析與討論

該輥軸鍛件低倍缺陷嚴(yán)重，在高倍下能看到大量的非金屬夾雜物存在。對缺陷斷口嚴(yán)重處進(jìn)行掃描電鏡及能譜分析，結(jié)果表明缺陷處主要為Al、Si、Ca等元素。由于Al、Si、Ca元素均不是輥軸鍛件40CrMnMoA的主要合金元素，是冶煉過程中加熱擴(kuò)散脫氧劑(Si-Al-Ca-Ba粉)的主要成分，因此輥軸鍛件缺陷為脫氧產(chǎn)物夾渣[1-2]，夾渣的主要成分為Al、Si、Ca等元素。

圖6 基體金相組織照片F(xiàn)igure 6 Microstructure photograph of matrix

圖7 夾渣處斷口形貌Figure 7 Microstructure of fracture at slag inclusion

圖8 基體正常斷裂形貌Figure 8 Normal fracture morphology of matrix

圖9 能譜分析位置Figure 9 Analysis position of energy spectrum

圖10 能譜分析結(jié)果Figure 10 Analysis results of energy spectrum

由夾渣的主要成分、冶煉采用的脫氧方式及缺陷分布的位置綜合判斷，此類夾渣主要是因為冶煉過程中的脫氧產(chǎn)物沒有充分上浮或氧化膜卷入鋼中，在隨后的澆注過程中隨鋼液進(jìn)入鋼錠中形成的[3-5]；在后期鍛造切除水口的過程中又沒有完全切除，最終造成輥軸鍛件出現(xiàn)嚴(yán)重超標(biāo)缺陷而報廢。

3 結(jié)論

該輥軸鍛件超標(biāo)缺陷為夾渣，夾渣的主要成分為Al、Si、Ca等元素。