某受力耐磨鑄鋼件脆性斷裂的原因分析及改善措施

周子龍，白冬冬，潘多龍，杜天彬，呂昌略

（江蘇朗銳茂達(dá)鑄造有限公司，江蘇江陰 214445）

某受力耐磨鑄鋼件材質(zhì)為ZG35CrMnSi，熱處理工藝為油淬+高溫回火調(diào)質(zhì)處理工藝。該產(chǎn)品是采煤機(jī)重要的支承裝置和高強(qiáng)度受力耐磨部件；由于煤礦井下地質(zhì)條件惡劣，在工作過(guò)程中該鑄鋼件受力復(fù)雜，在服役過(guò)程中，曾發(fā)生服役早期即產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象，鑄鋼件斷面粗糙無(wú)明顯塑性變形，呈脆性斷裂特征。

1 原因分析

1.1 化學(xué)成分分析

在鑄鋼件斷口附近取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，鑄鋼件化學(xué)成分符合要求，具體結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 斷裂鑄鋼件的化學(xué)成分 ωB/%

1.2 宏觀分析

經(jīng)對(duì)鑄鋼件斷口部位進(jìn)行宏觀分析，鑄鋼件斷面粗糙，無(wú)明顯塑性變形，整體呈脆性斷裂特征，其形貌見(jiàn)圖1。在10 倍放大鏡下觀察，斷口呈典型的巖石狀斷裂，裂紋沿初生奧氏體晶界擴(kuò)展，晶粒尺寸約5～10mm，其形貌見(jiàn)圖2。

圖1 斷口實(shí)物形貌

圖2 斷口放大形貌

1.3 金相分析

在鑄鋼件斷口部位進(jìn)行取樣，進(jìn)行非金屬夾雜物和金相組織檢查，非金屬夾雜物評(píng)定級(jí)別為Ⅰ、Ⅲ型細(xì)系1 級(jí)，粗系0.5 級(jí)；Ⅳ型0.5 級(jí)。非金屬夾雜物符合要求，具體見(jiàn)圖3。斷口處組織未回火索氏體+貝氏體，表面組織為回火索氏體，奧氏體晶粒度約8 級(jí)，未見(jiàn)過(guò)熱、過(guò)燒現(xiàn)象。金相組織符合要求，具體見(jiàn)圖4～6。

圖3 非金屬夾雜物

圖4 斷口處組織500×

圖5 表面組織100×

圖6 表面組織500×

1.4 外觀形貌和能譜分析

對(duì)鑄鋼件斷口部位取樣進(jìn)行微觀形貌分析，分析結(jié)果顯示斷口表面初生奧氏體晶界棱面清晰可見(jiàn)，部分棱面上可見(jiàn)沿一定位向分布的小刻面，小刻面光滑無(wú)異物，具體見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 斷口微觀形貌

圖8 斷口微觀形貌

對(duì)鑄鋼件斷口部位取樣進(jìn)行能譜分析，能譜在晶界位置存在較多的Fe-Mn 等元素能量的突變，具體見(jiàn)圖9。形成該現(xiàn)象的原因是由于鋼液中存在過(guò)多的Al 元素，由于Al 元素較Mn、Cr 元素氧化能力強(qiáng)，造成鋼水在冷卻過(guò)程中過(guò)多的Mn、Cr 元素被還原出來(lái)，在晶界形成Mn 的富集區(qū)，造成能量突變[1]。同時(shí)由于Al 元素的過(guò)剩，致使鋼水中的N 元素在高溫狀態(tài)下同其形成穩(wěn)定的氮化鋁而使晶界脆化。

氮化鋁在奧氏體晶粒形成時(shí)以粗大薄膜狀析出于晶界，產(chǎn)生組織缺陷，降低鑄鋼件的塑性和韌性，增加晶間產(chǎn)生裂紋的傾向。這種粗大薄膜狀氮化鋁與其他彌散分布的夾雜物不同，其形態(tài)是厚度為0.05μm，其他尺寸不大于5μm 的薄膜，這種形態(tài)的氮化鋁夾雜物沿晶界分布，大大減弱了晶間的結(jié)合力，從而影響鑄鋼的力學(xué)性能[2]。

綜上所述，該耐磨鑄鋼件因工況惡劣受力復(fù)雜，同時(shí)因鋼中形成氮化鋁晶界脆化，導(dǎo)致鑄鋼件在服役早期產(chǎn)生脆性斷裂。

圖9 斷口能譜分析

2 改善措施

2.1 控制鋼中氮含量

鑄鋼中的氮含量與鑄鋼熔煉工藝、操作、原材料等有密切關(guān)系，對(duì)于中頻感應(yīng)電爐而言，降低鋼中氮含量最直接的方法有以下幾種方式：

（1）嚴(yán)格控制廢鋼的清潔度和干燥度；

（2）嚴(yán)格控制回爐料的使用比例，回爐料加入量不能超過(guò)50%；

（3）在扒渣過(guò)程中盡量減少或避免鋼液裸露，減少鋼液吸氣；

（4）采用爐外精煉手段降低氣體含量，這是去除鋼液中氣體的有效方法。

2.2 控制鋼中殘鋁量

（1）熔煉過(guò)程中嚴(yán)格控制脫氧鋁加入量進(jìn)行鋼水終脫氧，確保殘余鋁含量控制在0.03%～0.06%為宜。純鋁脫氧是當(dāng)前中頻感應(yīng)爐脫氧所采用的非常成熟的工藝。用硅、錳脫氧后，用鋁進(jìn)行脫氧時(shí)，鋁的加入量應(yīng)嚴(yán)格控制在0.08%到1.2%之間。

（2）采用復(fù)合脫氧工藝替代鋁終脫氧。采用由稀土、硅、鈣等為基本成分的復(fù)合脫氧劑+鋁進(jìn)行終脫氧，減少鋁的加入量。采用復(fù)合脫氧劑對(duì)鋼中非金屬夾雜物進(jìn)行了變質(zhì)處理，且由于鋼液凝固過(guò)程中Ca2N2領(lǐng)先于氮化鋁析出，不會(huì)對(duì)晶間的結(jié)合力產(chǎn)生較大影響。同時(shí)采用復(fù)合脫氧工藝減少鋁的加入量控制了殘余鋁含量，避免了氮化鋁的形成，達(dá)到防止脆性斷口的目的。

3 結(jié)論

（1）鑄鋼中如果殘鋁量過(guò)高，鋼液凝固過(guò)程中析出氮化鋁致使晶界脆化，工件在服役過(guò)程中容易產(chǎn)生脆性斷口。

（2）控制好鋼中氮含量和殘余鋁含量，尤其是殘余鋁含量不超過(guò)0.06%就可以避免氮化鋁的形成，從而減少或消除脆性斷口發(fā)生的可能。