程書海 趙益洛 胡寒婷

(1.中信重工機械股份有限公司計量檢測中心，河南471039； 2.中機十院國際工程有限公司，河南471003)

17CrNiMo6鋼錠鍛裂分析

程書海1趙益洛2胡寒婷1

(1.中信重工機械股份有限公司計量檢測中心，河南471039； 2.中機十院國際工程有限公司，河南471003)

在初鍛壓下量不大的情況下，發(fā)現(xiàn)17CrNiMo6鋼錠錠身出現(xiàn)間斷分布的橫向裂紋，對鋼錠開裂原因進行了分析。結(jié)果表明，由于鍛造加熱溫度過高，晶界發(fā)生熔化，導致初鍛時鋼錠表面產(chǎn)生裂紋。

鋼錠；裂紋；過燒

某公司生產(chǎn)的由同爐鋼水澆注的4根鋼錠，冷卻到700～750℃時熱送到加熱爐中加熱至1200～1250℃，保溫6 h后壓鉗口，挫錠尾，發(fā)現(xiàn)4支錠錠尾一圈出現(xiàn)不同程度的裂紋，在1200～1250℃保溫22 h后再進行鍛造，4支錠的側(cè)面出現(xiàn)間斷分布的橫向裂紋，因此生產(chǎn)單位委托我們分析裂紋產(chǎn)生原因。

1 理化分析

1.1 宏觀分析

在初鍛壓下量不大的情況下，鋼錠表面產(chǎn)生多處深淺不一、大小不等的橫向裂紋，尤其是在錠身下部出現(xiàn)較多，且大的裂縫斷面有柱狀晶開裂特征，如圖1。

1.2 低倍分析

在裂紋區(qū)取一帶有表面裂紋的橫向低倍試片，磨制后熱酸蝕，其形貌如圖2，裂紋分布在外層80 mm范圍，在表層沿柱狀晶方向向內(nèi)擴展，深層裂紋分布無明顯方向性。將試片沿中間開槽壓斷，近表層區(qū)有粗大的柱狀晶結(jié)構(gòu)，表面輕微氧化，緊接其內(nèi)的結(jié)晶斷面上密集分布有大小不一的石板狀亮塊，如圖3，這種形貌主要出現(xiàn)在接近表層的區(qū)域，內(nèi)部未見銹蝕色，可推測有封閉的內(nèi)部裂紋，亮斑應是其宏觀表現(xiàn)，心部斷口為結(jié)晶狀。

圖1 鋼錠表層橫向裂紋Figure 1 Transverse crack on the surface layer of steel ingot

圖2 裂紋分布形貌Figure 2 Crack distribution morphology

圖3 結(jié)晶狀斷面上有石板狀亮塊Figure 3 Shiny spot pieces near the cystalline fracture surface

1.3 化學分析

化學成分試樣在低倍試片上鉆取，分析結(jié)果如表1。可以看出，化學成分符合要求。

1.4 電鏡分析

表1 鋼錠化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition of steel ingot (Mass, %)

圖4 開裂沿柱狀晶界擴展Figure 4 Crack extended along columnar grain boundary

圖5 柱狀晶界上微滴狀結(jié)構(gòu)Figure 5 Tiny drop structure on columnar grain boundary

圖6 晶間開裂、光滑界面Figure 6 Intergranular fracture, smooth boundary

圖7 晶界上自由表面、圓滴狀結(jié)構(gòu)和小峰Figure 7 Free surface, round drop structure and small peak formation on grain boundary

圖9 三角晶界處寬化形貌Figure 9 Triangle grain boundary broaden morphology

取多個表層柱狀晶裂面試樣和內(nèi)部亮斑區(qū)試樣進行斷口觀察，表層斷裂主要沿柱狀晶界，部分表面有薄層氧化物，如圖4。放大觀察晶面結(jié)構(gòu)為微滴狀，如圖5。這種結(jié)構(gòu)的存在，表明開裂是在晶界潤濕(晶界初熔)的情況下產(chǎn)生的，即高溫下產(chǎn)生。同時在如此高的放大倍數(shù)下，微滴狀形貌清晰可見，也說明裂紋是在初鍛后產(chǎn)生，因為如果是鋼錠存在原始鑄造裂紋，在高溫長時加熱后，如此形式的微觀形貌必然被氧化皮完全覆蓋。界面未發(fā)現(xiàn)有明顯夾雜物和微小析出物。宏觀下內(nèi)部發(fā)亮斑塊區(qū)低倍形貌如圖6，在電鏡下這些區(qū)域發(fā)暗，呈多邊形，并有大量晶間裂紋，且有寬化現(xiàn)象。高倍放大觀察，晶界面有自由凝固光滑表面特征、圓滴狀結(jié)構(gòu)和小峰，如圖7。圖8、圖9可看到晶界縫隙內(nèi)自由表面和三角晶界交會處的寬化自由表面，且在晶面上存在圓滴狀結(jié)構(gòu)和小峰。圖10為多邊形晶界面上的微觀特征，可看到晶面有間斷光滑表面、折紋與小峰結(jié)構(gòu)。圖11可觀察到晶界月芽狀空隙、空洞及似有熔化金屬在晶界流動的條紋，且這些條紋沒能完全布滿界面。以上這些特征均屬于金屬過燒晶界初熔條件下開裂的典型微觀形貌[1-2]。由于圖片要表現(xiàn)整體晶面形貌，放大倍數(shù)較小，其上的微滴狀結(jié)構(gòu)和小峰結(jié)構(gòu)不易識別，但在放大的情況下，它們都有如圖5、圖7的類似結(jié)構(gòu)。

圖10 晶面間斷熔化、自由表面Figure 10 Crystal surface discontinuous melting and free surface

圖11 熔溶金屬在界面流動形貌Figure 11 Flow morphology of molten metal in interface

1.5 金相分析

從裂紋區(qū)和內(nèi)部各取2個具有代表性的試樣進行金相分析，按GB/T 10561—2005進行夾雜物評定，結(jié)果為A0.5、B0.5、C0.5、D0.5，表明鋼的純凈度較好。對裂紋區(qū)裂紋進行觀察，外層柱狀晶區(qū)裂紋內(nèi)有少量氧化物，如圖12，浸蝕后形貌如圖13?？梢娏鸭y沿晶界擴展，有間斷性的寬化傾向，裂縫內(nèi)有少量氧化物，無明顯脫碳，這也說明裂紋是在鍛造后形成的。內(nèi)層為粗大的等軸晶，平均晶粒度大于1級，主要是發(fā)現(xiàn)鍛造開裂后停止鍛造溫度過高所致。

圖13 裂紋浸蝕后形貌Figure 13 Morphology after crack etching

2 分析

引起鍛造開裂的原因主要有兩個方面：一是鋼錠質(zhì)量，包括內(nèi)部宏觀缺陷，鋼中微量有害元素，鋼中第二相；二是鍛造工藝，包括加熱溫度、變形程度、變形速度、冷卻速度、應力狀態(tài)等。本文中通過 對鋼錠開裂進行化學成分、夾雜物、電鏡斷口分析，可排除由鋼錠質(zhì)量因素而引起的鍛造開裂。同時根據(jù)鋼錠是在初鍛壓下量較小的情況下發(fā)生的開裂，也可以排除由變形程度、變形速度、冷卻速度不當而引起的開裂。電鏡觀察到大量裂紋為晶間開裂，相當部分晶界有自由凝固光滑表面特征，晶界交匯處存在三角空洞、月芽狀空隙以及濕潤界面(晶界初熔)在高溫下因受到拉力開裂形成突出的小峰、自由表面和滴狀結(jié)構(gòu)，說明鋼錠是在發(fā)生過燒情況下的應力開裂。

在熱加工溫度下，如果有少量液體形核，就會有強烈開裂的可能性，即使液相在整個組織中占很小體積的百分比，也會產(chǎn)生熱脆現(xiàn)象，比如少量的液相圍繞組織中的晶粒呈包覆形式時，其削弱 組織的作用達到和包覆液體的量不成比例的程度。當然，所有的晶粒被液相完全包覆的組織是不能承受應力的。這種情況導致典型的晶間失效。甚至在液相并沒有包圍著每一個晶粒，只是存在于孤立的晶間孔穴之中的情況下，也會產(chǎn)生熱脆[3]。本文中通過電鏡觀察可看到晶界初熔受力開裂幾乎所有的典型微觀形貌，鋼錠過燒確定無凝，這是初鍛下鋼錠表面開裂的原因。柱狀晶裂面僅有較薄的氧化層，也說明裂紋是在鍛造后形成的，這可以由裂紋兩側(cè)沒有明顯脫碳來證明。

金屬中的液相形核一般起始于晶界，首先鋼中的Fe-B、Cu-Bi、Ni-S、Fe-P等微量有害元素在長時間加熱的情況下向晶界富集，形成一些低熔點的化合物，其次在晶界形核所需要的能量最小，特別是在3個晶粒交界處，所以我們可以在電鏡下看到三角晶界空洞以及液相由此處向晶界潤濕流動的痕跡。

選擇正確的加熱溫度是防止過熱和過燒的根本措施。一般來講，大部分鋼的過燒溫度在1350℃以上，低于這個溫度可以防止過燒。同時加熱爐的氣氛的性質(zhì)，對鋼的過熱和過燒影響很大。爐內(nèi)氣氛氧化性越強，愈容易引起鋼的過燒，這時可以觀察到金屬表面溫度比爐溫高，個別情況下可高出幾十度，從而造成鋼的過熱和過燒。本案例中鋼錠的工藝規(guī)定加熱溫度1250℃，使用煤氣加熱，由于燃氣爐易存在溫度不均，會造成鋼錠局部表層可能超過1350℃以上產(chǎn)生過燒。裂紋主要發(fā)生在距離表層80 mm以內(nèi)的范圍，推測可能與爐內(nèi)過高的氧化氣氛有關(guān)，同時加熱爐必須嚴格校正熱工儀表，鋼件產(chǎn)生過熱和過燒極少是因為工藝規(guī)定造成的。

3 結(jié)論

鋼錠鍛造開裂是由于其在加熱爐中發(fā)生了過燒。

[1] Engel L，Klingele H. 金屬損傷圖譜[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1990：46-49.

[2] 大型鑄鍛件缺陷圖譜編委會. 大型鑄鍛件缺陷分析圖譜[M].1990：160-163.

[3] Rostoker W，Dvorak J R. 金相組織解說[M]. 上海：上?？茖W技術(shù)出版社，1984：69-70.

編輯 杜青泉

Fracture Analysis of 17CrNiMo6 Steel Ingot

ChengShuhai，ZhaoYiluo，HuHanting

Transverse cracks appeared discontinuously in the steel ingot at the beginning of forging under insufficient pressure, and the reason was analyzed. The results show that the forging temperature was too high, and the grain boundary melt, this made the crack appeared on the surface of the steel ingot at the beginning of forging.

steel ingot, crack, over burning

TG115

B

2017—03—21