石 英

(中國第一重型機械股份公司質(zhì)量檢驗中心，黑龍江161041)

軸類零件主要用來支承傳動零部件，并傳遞扭矩、動力和承受彎曲載荷。在實際生產(chǎn)中，尤其是批量生產(chǎn)時，為節(jié)約成本、提高效率，常在大氣環(huán)境中冶煉、澆注軸類零件的鋼錠。鋼錠的質(zhì)量是保證鍛件質(zhì)量的先決條件，更是決定鋼的鍛造性能的重要因素，鋼錠的質(zhì)量主要表現(xiàn)在純凈性、致密性和均勻性三個方面：純凈性是指雜質(zhì)元素及夾雜物的含量；致密性是指縮孔、疏松等各種孔隙性缺陷的嚴重程度；均勻性是指成分和雜質(zhì)偏析程度。而鋼錠的內(nèi)在質(zhì)量則取決于鋼的冶煉水平，鋼中夾雜物的數(shù)量、形態(tài)和變形能力(塑性還是脆性)對鋼的力學性能和斷裂過程有很大的影響，不變形的硬而脆的夾雜物，顆粒雖小，但尖銳棱角可以引起強烈的應力集中，故在交變載荷作用下，會誘發(fā)疲勞裂紋。

某公司生產(chǎn)的一批材質(zhì)為34CrMo1A的電站轉(zhuǎn)軸，在其中一根轉(zhuǎn)軸的A部，距O點軸向194 mm～370 mm范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)?3 mm～4 mm的密集型超標缺陷，造成該轉(zhuǎn)軸基本報廢，見圖1。為確定缺陷性質(zhì)，利用現(xiàn)有檢測設備對該轉(zhuǎn)軸進行失效分析。

1 試驗方法及結(jié)果

1.1 金相檢驗

在經(jīng)無損檢測定位存在嚴重缺陷的區(qū)域，切取金相試樣，檢驗其縱向面，磨制拋光態(tài)在光學顯微鏡下觀察，可見較多顆粒狀夾雜物，其余夾雜物較少，見圖2。試樣經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕后，觀察其顯微組織為珠光體+鐵素體，但組織不均勻，存在顯微偏析區(qū)，晶粒度級別為6級，見圖3。

圖2 夾雜物微觀形貌
Figure 2 Microscopic morphology of inclusions

1.2 化學成分分析

采用ARL3460直讀光譜儀對試樣進行化學成分分析，結(jié)果見表1，各元素含量均符合工藝規(guī)定要求。

1.3 拉伸試驗

在轉(zhuǎn)軸超標缺陷位置處套料，加工成拉伸試樣，采用DR-6000B電子萬能試驗機測試轉(zhuǎn)軸的拉伸性能，結(jié)果見表2，該材料的強度指標、塑性指標均低于要求值。

表1 化學成分檢測結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Test result of chemical composition (mass fraction，%)

表2 室溫拉伸性能檢測結(jié)果Table 2 Test results of tensile properties at room temperature

圖4 基體微觀形貌
Figure 4 Microscopic morphology of substrate

圖5 夾雜物低倍形貌
Figure 5 Macroscopic morphology of inclusions

1.4 斷口及能譜分析

將拉伸斷口置于QUANTA600掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察，其微觀斷裂性質(zhì)為脆性解理方式，具有明顯的“河流花樣”，如圖4所示。在斷口邊緣處可見3處密集夾雜物缺陷，如圖5所示，局部放大后觀察，其性質(zhì)為成串的顆粒狀夾雜物，嵌于基體內(nèi)，破壞了基體的連續(xù)性，如圖6所示。經(jīng)能譜儀(EDS)分析夾雜物成分，主要為Al、O及少量的Mg，故可判定其為Al2O3脆性夾雜物，如圖7所示。

圖7 夾雜物能譜分析
Figure 7 Energy spectrum analysis of inclusions

2 分析與討論

綜合上述理化檢驗結(jié)果可見：該失效轉(zhuǎn)軸的化學成分符合技術要求；轉(zhuǎn)軸顯微組織為珠光體+鐵素體，存在顯微偏析區(qū)；其拉伸試驗的強度指標、塑性指標均不合格；掃描電鏡下可觀察到多處超標尺寸的Al2O3夾雜物。

Al2O3夾雜物為低變形指數(shù)的脆性夾雜物，與鋼基體之間的物理性能及變形能力等方面均存在較大差異，大量聚集的夾雜物將破壞鋼材基體組織的均勻連續(xù)性，當受到一定應力或外加載荷時，在夾雜物周圍的基體中便會產(chǎn)生應力集中，導致基體組織產(chǎn)生缺陷，而此缺陷的存在容易成為微裂紋的萌發(fā)地，形成內(nèi)在疲勞源，造成加工性能惡化，且導致工件的塑性、韌性降低。若密集的夾雜物暴露于轉(zhuǎn)軸表面，將會嚴重降低其疲勞強度。

因此，控制工件夾雜物的含量及分布尤為關鍵，在煉鋼過程中夾雜物若沒有充分上浮而被表面的渣系所吸附，必須保證鋼液的流動性與黏度，黏度影響著物質(zhì)在鋼液與熔渣之間的傳遞，通過控制熔渣中的FeO、堿度和加入螢石來調(diào)節(jié)。鋼液的流動性越好、黏度越小，越有利于夾雜物上浮，其次，保證夾雜物有充分的上浮時間。

3 結(jié)論及建議

(1)該電站轉(zhuǎn)軸無損檢測缺陷為大量聚集的Al2O3夾雜物，Al2O3夾雜物是細小難熔的高硬度脆性夾雜物，在煉鋼溫度下呈固態(tài)，且體積較小，在煉鋼過程中不易充分上浮長大，從而未被渣系吸附，最終殘留在鋼中至使檢測不合格。

(2)建議使用較純凈的爐料，且保證鋼液流經(jīng)的地方也要干凈；提高耐火材料的材質(zhì)，減少其侵蝕損壞而混入鋼液；采用夾雜物球化處理、氬氣弱攪拌，以及選擇合適的脫氧劑；澆注前鋼液在鋼包中鎮(zhèn)靜適當時間，有利于非金屬夾雜物充分上浮，避免出現(xiàn)密集Al2O3夾雜物的缺陷，從而導致疲勞裂紋的形成。