高強(qiáng)度礦用緊湊鏈立環(huán)應(yīng)力腐蝕斷裂行為研究

彭世丹

(寶鋼特鋼長材有限公司 上海：201900)

礦用緊湊鏈?zhǔn)敲旱V刮板輸送機(jī)的重要部件，其占用空間小、承載能力大，在不改變輸送設(shè)備鏈道尺寸的情況下，采用高強(qiáng)度礦用緊湊鏈可使輸送設(shè)備的功效升級，提高輸送設(shè)備的輸送能力。隨著刮板運(yùn)輸機(jī)的進(jìn)步,對于大規(guī)格高強(qiáng)度緊湊鏈立環(huán)的要求也越來越高[1-3]。緊湊鏈中相鄰的兩環(huán)外寬不同，相同直徑的情況下立環(huán)的外寬比平環(huán)小，是緊湊鏈的關(guān)鍵零件，其機(jī)械性能及質(zhì)量直接影響了采煤面的產(chǎn)量。

某煤機(jī)公司使用牌號為23MnNiMoCr54K鋼質(zhì)高強(qiáng)度礦用緊湊鏈條，規(guī)格為φ48×152mm。在使用過程中出現(xiàn)1只立環(huán)疲勞斷裂，共服役約103天；經(jīng)排查另有1只立環(huán)肩頂部存有裂紋。本文對礦用鏈條立環(huán)的化學(xué)成分、顯微組織、斷口形貌、硬度等進(jìn)行了分析，以查找鏈條斷裂失效的原因，并提出了綜合解決方案。

1 實驗方法

1.1 實驗樣品

為便于分析，將23MnNiMoCr54K鋼質(zhì)礦用緊湊鏈條肩部斷開的立環(huán)樣品標(biāo)記為1#樣品，而存有裂紋的立環(huán)標(biāo)記為2#樣品，在其頂部靠近內(nèi)側(cè)處可見裂紋。

該煤機(jī)鏈條的生產(chǎn)工藝為：下料-加熱彎環(huán)-焊接-熱處理-拉伸-配對-檢驗，其中立環(huán)工藝為：下料-加熱-鍛造-沖孔、切邊-熱處理-噴丸。其中，立環(huán)熱處理是正火，而鏈條熱處理則采用淬火+回火。

1.2 試驗方法

采用ARL 4460電火花直讀光譜儀、LEICA M205A體視顯微鏡、ZEISS Axioplan2光學(xué)顯微鏡、配有能譜儀的JEOL JSM-6490LV掃描電鏡、KB150R硬度計等設(shè)備對礦用鏈條立環(huán)的化學(xué)成分、顯微組織、斷口形貌、硬度等進(jìn)行分析，以分析23MnNiMoCr54K鋼質(zhì)礦用緊湊鏈條立環(huán)斷裂的原因。

2 實驗結(jié)果

2.1 宏觀形貌觀察與分析

對1#和2#高強(qiáng)度礦用鏈立環(huán)進(jìn)行化學(xué)成分分析，并與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，結(jié)果見表1。可見立環(huán)成分符合相關(guān)鋼材標(biāo)準(zhǔn)DIN 17115-2012中的23MnNiMoCr5-4及GB/T 10560-2017中的23MnNiMoCr54K要求[4,5]。

表1 23MnNiMoCr54K鋼礦用鏈條化學(xué)成分及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求(wt%，其余為Fe)

2.2 宏觀形貌觀察與分析

肉眼可見23MnNiMoCr54K鋼立環(huán)肩部附近存有深淺不一的麻坑，且內(nèi)側(cè)有摩擦痕跡，如圖1(a)所示。對破斷的1#來樣切取斷口進(jìn)行分析，斷口宏觀形貌見圖1(b)，箭頭指向正面斷裂起源，可見斷口面已遭到撞擊。斷口外側(cè)有剪切唇，無明顯縮頸。斷裂樣品表面存有腐蝕坑洞，深度可達(dá)0.6mm。

圖1 1#立環(huán)及其斷口

將1#樣品縱向切開后，可見縱向裂紋，將其打開，可知縱向起裂源處于靠近表面約5mm處，斷裂起源處顏色較深幾近黑色。

將存有裂紋的2#樣品縱向切割后可見存有多條裂紋，其中一條裂紋為橫向，與外表面相通；另一條較短的縱向裂紋，存在樣品內(nèi)部。將其橫向裂紋樣品打開，斷口宏觀形貌結(jié)果與1#樣品相近，裂紋面大體呈黑色(新鮮斷口為淺灰色)，裂紋源處于靠近立環(huán)表面的樣品內(nèi)部。

2.3 微觀形貌觀察與分析

將1#樣品清洗后置于掃描電鏡中進(jìn)行分析，起裂源處形貌結(jié)果見圖2。可見1#樣品斷裂起源于立環(huán)內(nèi)部，具有沿晶特征。對斷口起裂源附近微區(qū)進(jìn)行能譜(EDS)分析，結(jié)果如圖3所示，EDS譜圖顯示斷口面除了Fe、O元素以外，還有Al、Si等元素，部分區(qū)域含有S、Cl等元素。

圖2 1#樣品斷口起裂源處微觀形貌

圖3 1#樣品起裂源處形貌(a)及對應(yīng)位置微區(qū)成分(b)、(c)，可見S、Cl等成分

將2#樣品沿裂紋打開清洗后置于掃描電鏡中分析，組織形貌結(jié)果如圖4所示，可見斷口形貌起裂源處覆有腐蝕產(chǎn)物，隱約可見沿晶特征，擴(kuò)展區(qū)域也可見沿晶斷口形貌，顯示系脆性斷裂。微區(qū)成分分析結(jié)果見圖5，可見含有Fe、O及Al、Si等元素，部分區(qū)域含有S、Cl等元素，系腐蝕產(chǎn)物。

圖4 2#樣品裂紋人工打開后的形貌

圖5 2#樣品裂紋打開后形貌(a)及相應(yīng)位置微區(qū)成分譜圖(b)、(c)

2.4 金相分析

對鋼立環(huán)1#樣品鑲嵌磨拋后進(jìn)行金相分析，結(jié)果見圖6(a)，可見斷口附近存有樹枝狀二次裂紋，斷口表面存有灰色氧化物。腐蝕后的金相組織見圖6(b)，系回火馬氏體，而微裂紋沿原奧氏體晶界擴(kuò)展。

圖6 1#樣品斷口樣中的二次裂紋

2#樣品裂紋打開后的大塊鑲嵌磨拋后進(jìn)行金相分析，結(jié)果見圖7(a)，可見斷口表面存有氧化皮，有沿晶裂紋。金相組織為回火馬氏體。2#樣品腐蝕后的形貌見圖7(b)，存有沿晶擴(kuò)展的微裂紋。

圖7 2#樣品裂紋打開后的表面金相

對斷裂樣品的金相試樣進(jìn)行掃描電鏡分析，以1#樣品為例，結(jié)果如圖8所示，可見二次裂紋內(nèi)含有Fe、O、Al、Si及S、Cl等元素。

圖8 1#樣品斷口縱向微裂紋形貌(a)及微區(qū)成分(b)、(c)，可見S、Cl等元素

此外，經(jīng)過對金相樣品拋光態(tài)和侵蝕態(tài)全面的光鏡和電鏡顯微分析，1#和2#樣品中未見非金屬夾雜物超標(biāo)及夾渣、疏松、中心偏析等冶金缺陷。

3 分析與討論

23MnNiMoCr54K鋼鏈條立環(huán)斷口宏觀檢驗表明，斷裂鏈條無明顯縮頸，只在斷口外側(cè)有剪切唇，周圍未見明顯塑性變形。另外，斷口形貌呈沿晶特征，由此判斷此鏈條材料發(fā)生了脆性斷裂[6-9]。

研究表明，影響材料塑性的內(nèi)在因素是冶金因素，即成分、組織結(jié)構(gòu)、純凈度等。以及幾何因素，如材料尺寸、有無缺口及缺口尖銳度等。外在因素是材料所處環(huán)境及應(yīng)力狀態(tài)[10,11]。

由化學(xué)成分檢測結(jié)果可知，斷裂鏈條中各合金元素成分符合標(biāo)準(zhǔn)。從金相組織上看未見冶金缺陷，金相組織為回火馬氏體；而從樣品斷口分析，斷面大體分為三個區(qū)域，及起裂源、橫向開裂和瞬斷區(qū)，對應(yīng)于立環(huán)樣品先是縱向開裂，后是橫向斷開；縱向斷口和橫向斷口起裂源處均呈沿晶斷口特征，樣品內(nèi)部與外界不通的裂紋也呈沿晶擴(kuò)展形態(tài)；裂紋起源于次表面。由此判斷樣品發(fā)生了沿晶脆性斷裂。

從斷口形貌上看，1#樣品斷口形貌具有氫致開裂特征；斷口附近和樣品裂紋內(nèi)部顯示含有Fe和O及Al、Si等元素，部分區(qū)域含有S、Cl等元素，具有應(yīng)力腐蝕開裂特征。從兩件樣品表面均可以看到有較深的腐蝕坑，以及斷面上很多的腐蝕產(chǎn)物看，說明鏈條使用環(huán)境屬于較苛刻的腐蝕環(huán)境，長期處在腐蝕環(huán)境，使用過程中又是處于軸向拉應(yīng)力受力狀態(tài)[12]，屬于典型的應(yīng)力腐蝕條件，發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的危險急劇增大。而斷口顯示的應(yīng)力腐蝕特征也說明鏈條斷裂是發(fā)生了應(yīng)力腐蝕斷裂[13,14]。

礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈?zhǔn)敲旱V井下工作面刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)上的重要傳動部件，是設(shè)備的受力件、關(guān)鍵件和易損件。其性能優(yōu)劣將直接影響刮板輸送機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)及煤礦安全生產(chǎn)的進(jìn)度，因而在實際工作中要求圓環(huán)鏈必須具有較好的強(qiáng)韌性及優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。從鏈條材料的選用上看，23MnNiMoCr54K鋼是一種國外引進(jìn)的高強(qiáng)度鏈條鋼，它在低碳鋼的基礎(chǔ)上通過添加Mn、Ni、Mo、Cr、Al等合金元素，通過這些元素的固溶強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化及第二相質(zhì)點強(qiáng)化，來提高鋼的強(qiáng)度、塑性和韌性，同時通過控制鋼中的有害元素S、P等來提高鏈條的疲勞壽命。23MnNiMoCr54K鋼主元素為C、Mn、Ni、Cr、Mo，隨著這些合金元素含量的增加，強(qiáng)度也隨著提高，但C、Mn含量增加，其韌性則下降[15,16]。

從合金中主要的添加元素和起到的作用看，這種合金材料主要考慮的是材料的機(jī)械性能，尤其是強(qiáng)度，但是并沒有專門添加針對強(qiáng)腐蝕性環(huán)境使用的元素，或者說是合金材料的耐蝕性稍差，在腐蝕環(huán)境下使用時發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的危險性增加。因此，才會出現(xiàn)在強(qiáng)腐蝕性環(huán)境中短時間就脆性斷裂的情況。因此對強(qiáng)腐蝕性的環(huán)境，還需要對使用的材料進(jìn)行改良，針對性的添加提高耐應(yīng)力腐蝕的元素如鎳、銅等，會大大降低發(fā)生應(yīng)力腐蝕脆性斷裂的危險[17]。

本研究中的23MnNiMoCr54K鋼立環(huán)橫截面從外側(cè)到內(nèi)側(cè)沿直徑5個位置硬度測試結(jié)果見表2。由表2可見1#和2#立環(huán)的最大值分別為40.2HRC和39.5HRC。按照ISO 18265-2013鋼淬回火后硬度值的換算[18]，相當(dāng)于抗拉強(qiáng)度1208MPa和1186MPa。而從圖6(b)和圖7(b)可知，該鏈條立環(huán)的顯微組織為保留馬氏體位向的回火馬氏體，比常規(guī)的回火索氏體組織對氫更敏感[19]?；谠诂F(xiàn)有條件下，提升礦用緊湊鏈回火溫度，獲得組織更為均勻的回火索氏體，可以提升韌性、抗氫脆及抗應(yīng)力腐蝕性能。

表2 23MnNiMoCr54K礦用緊湊鏈立環(huán)硬度(HRC)

在上述研究的基礎(chǔ)上，優(yōu)化23MnNiMoCr54K鋼鏈條熱處理工藝后，獲得回火索氏體組織的鏈條立環(huán)，服役時間超過18個月，滿足煤礦使用要求。

此外，可以進(jìn)一步優(yōu)化23MnNiMoCr54鋼的成分設(shè)計，甚至選用抗腐蝕性能更為優(yōu)異的新鋼種，如通過添加Ni、Cu等耐候、耐腐蝕元素提升鏈條的整體抗應(yīng)力腐蝕能力，但會帶來成本上升、加工困難等風(fēng)險，需要鋼廠、煤機(jī)用戶及制鏈公司等全產(chǎn)業(yè)鏈綜合考量。

4 結(jié)論

本文通過對煤礦用φ48×152mm大規(guī)格高強(qiáng)度緊湊鏈條23MnNiMoCr54K鋼立環(huán)斷裂件的顯微組織、斷口形貌、夾雜物、化學(xué)成分、硬度等進(jìn)行分析研究，得出以下結(jié)論：

(1)高強(qiáng)度緊湊鏈條立環(huán)早期疲勞斷裂起源于次表面，起裂源處存有沿晶斷口形貌，呈脆性特征；

(2)立環(huán)斷口表面存有二次裂紋，可見含S、Cl等元素的腐蝕產(chǎn)物，符合應(yīng)力腐蝕斷裂特征；

(3)由于礦用鏈條服役過程中，長期處在腐蝕環(huán)境，使用過程中又是受到拉應(yīng)力作用，屬于典型的應(yīng)力腐蝕條件，最終導(dǎo)致立環(huán)發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。

(4)優(yōu)化大規(guī)格高強(qiáng)度礦用鏈條熱處理工藝，獲得回火索氏體組織，立環(huán)使用壽命延長，可滿足使用要求。