郭洪斌

(中國一重鑄鍛鋼事業(yè)部，黑龍江161042)

碳錳鋼因具有較高的耐磨性及應力性，在水利發(fā)電、船舶制造、石油化工等行業(yè)中被廣泛應用。我公司生產(chǎn)多種碳錳鋼，如16Mn、20Mn、20SiMn、25Mn、50Mn等，2016～2017年，我公司生產(chǎn)的多支碳錳鋼類產(chǎn)品在超聲檢測時出現(xiàn)多處單個或密集超標缺陷而報廢，給公司造成了很大的經(jīng)濟損失和負面影響。為了系統(tǒng)研究缺陷產(chǎn)生機理，提高產(chǎn)品合格率，我們對近期報廢的16Mn管板進行了解剖分析。

1 技術(shù)要求及工藝要點

1.1 技術(shù)要求

部件名稱為壓力容器上管板，材質(zhì)為16Mn。

16Mn壓力容器上管板的化學成分按GB/T 223規(guī)定的方法進行分析，化學成分如表1所示。

產(chǎn)品按NB/T 47008—2010 Ⅳ級的相關(guān)要求進行檢驗，冒口面檢測均發(fā)現(xiàn)?2～?3 mm密集缺陷，深度40～185 mm，并發(fā)現(xiàn)較多?4～?9 mm單個缺陷，被判定為不合格。

1.2 工藝要點

精煉包底鋁塊預脫氧。鋼水兌入后加石灰、螢石并吹氧造高鋁渣。采用鋁粉擴散脫氧。

2 檢測定位取料

根據(jù)檢測報告，在報廢產(chǎn)品上找到5處當量較大缺陷，編號為1#、2#、3#、4#、5#。5處缺陷具體信息如表2所示。

表1 16Mn化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition of 16Mn steel (mass fraction, %)

表2 缺陷信息Table 2 Defect information

3 檢測分析

3.1 缺陷端口面宏觀分析

試料以標記的缺陷為中心經(jīng)鋸床加工成30 mm×30 mm方形截面，根據(jù)檢測報告的缺陷位置將試料加工成拉力試棒，在試棒缺陷處加工深3～7 mm的凹槽，并沿凹槽處打開斷口進行分析。缺陷區(qū)斷口形貌如圖1所示。

通過對1～5#試料缺陷處斷口宏觀形貌觀察，可以看出，1#、3#、5#試料缺陷斷口處存在相似的、不同于正常金屬形態(tài)的組織，但無法判斷是否為引起檢測超標的夾雜物，需借助掃描電鏡進一步觀察分析。

3.2 掃描電鏡分析

(a)1#試料

(b)2#試料

(c)3#試料

(d)4#試料

(e)5#試料圖1 斷口宏觀形貌Figure 1 Macroscopic appearance of fracture

經(jīng)電鏡對5塊試樣的分析，其中3#、4#試樣未在斷口處發(fā)現(xiàn)缺陷存在，這可能是由于檢測存在誤差而未定位到缺陷的準確位置引起的。在1#、2#和5#試樣上均發(fā)現(xiàn)了不同程度的超標缺陷，其中在2#試樣上發(fā)現(xiàn)除了存在與1#、5#類似的片狀的密集形缺陷外，同時存在顆粒狀夾雜物，具體形貌如圖2所示。

(a)1#試樣夾雜物形貌

(b)2#試樣夾雜物形貌

(c)2#試樣顆粒狀夾雜物形貌

(d)3#試樣斷口形貌

(e)4#試樣斷口形貌

(f)5#試樣夾雜物形貌圖2 試樣斷口夾雜物形貌Figure 2 Appearance of inclusions in fracture

3.3 缺陷化學成分分析

為確定缺陷種類，我們對斷口缺陷進行了能譜成分分析，經(jīng)分析1#、2#、5#試樣的片狀密集型缺陷的主要化學成分為Mn、S，2#試樣中的顆粒狀缺陷的主要化學成分為Mg、Al、O，能譜分析如圖3所示。

(a)1#試樣夾雜物

(b)5#試樣夾雜物

(c)2#試樣片狀夾雜物

(d)2#試樣顆粒狀夾雜物圖3 試樣斷口缺陷能譜成分分析Figure 3 Energy spectrum composition analysis of defects in fractures

4 缺陷產(chǎn)生原因分析

經(jīng)過上述理化試驗分析，發(fā)現(xiàn)引起此次16Mn檢測不合格主要是由于Mn、S偏析生成MnS夾雜，并伴生少量的Al、Mg氧化物。

4.1 MnS夾雜

Mn元素和S元素有著很強的親和力，因此鋼中的S不可避免的與Mn形成MnS。相關(guān)文獻表明，鋼中的MnS按形態(tài)和分布大致可分為3類，Ⅰ類，球狀，無規(guī)則分布，主要存在于不用鋁脫氧的鋼中；Ⅱ類，沿晶界分布或呈扇形狀分布，主要存在于用少量鋁脫氧的鋼中；Ⅲ類，片狀，無規(guī)則分布，主要存在于加鋁量高且有殘余鋁元素存在的鋼中[1]。MnS夾雜的析出溫度低于鋼的液相線溫度，即在鋼液處于固液兩相區(qū)時MnS夾雜物開始析出。隨著鋼液溫度降低，S的溶解度也隨之降低，導致鋼中殘留的S含量較高，并富集偏析在晶界處，使S、Mn平衡反應偏移，生成MnS夾雜物[2]。由于該鋼種本身Mn含量較高，同時存在易偏析元素S，且使用過量鋁進行深脫氧，因此鋼錠在凝固過程中不可避免地形成不規(guī)則片狀MnS夾雜。

4.2 Al/Mg氧化物夾雜

MnS被視為本生性夾雜，而Mg/Al氧化物類夾雜則更多視為偶生性夾雜。這類夾雜的生成具有不確定性和偶然性。其主要來源有：

(1) 脫氧造渣材料中的Al與O在鋼水中形成氧化物，未能充分上浮。

(2) 精煉包用鎂碳磚侵蝕剝落進入鋼水中，未能及時上浮。

5 結(jié)論

為有效緩解C-Mn鋼因MnS偏析引起的檢測不合格問題，我們認為應采取以下措施：

(1)冶煉過程中通過深脫氧深脫硫，降低S含量，以達到降低MnS夾雜生成的目的。

(2)通過加入變性劑，如硅鋇鋁或硅鈣線，對MnS的形核物質(zhì)Al2O3進行變性，使其生成熔點低、顆粒大、更容易上浮的鈣鋁酸鹽復合氧化物，從根本上杜絕MnS的生成。

(3)降低澆注溫度，減輕鋼錠的凝固偏析。

(4)采用較小噸位錠型，加快鋼錠凝固速度，減輕偏析。

參考文獻

[1] 李洪生，高輝.鋼中硫化錳的形態(tài)及對鋼性能的影響[J].一重技術(shù)，2004(4)：26-28.

[2] 李躍，時一均，楊建春.C-Mn類大型鍛件試塊缺陷的檢測分析[J].一重技術(shù)，2016(3)：65-69.