25Cr2NiMo1V中低壓轉(zhuǎn)子淬火開裂原因分析

李浩然 冉 玲

(1.國機重裝成都重型機械有限公司，四川610000；2.二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

某廠制造的材質(zhì)為25Cr2NiMo1V中低壓復(fù)合轉(zhuǎn)子，制造路線為：鋼包精煉→真空注錠→鍛造→鍛后熱處理→超聲檢測→性能熱處理，性能熱處理前超聲檢測合格，無記錄缺陷。在性能熱處理淬火冷卻過程中低壓側(cè)軸端法蘭及軸頸開裂，為了防止裂紋進一步擴展，及時對開裂的鍛件進行了回火處理。

1 試驗方法

沿開裂方向?qū)㈤_裂部分分為兩部分，觀察斷裂面，斷裂源區(qū)清晰可見，位于法蘭端，見圖1；劃線切取1#橫低倍、2#縱低倍、3#高倍及斷口、4#化學(xué)試樣，見圖2。

2 檢驗結(jié)果

2.1 低倍檢驗結(jié)果

1#橫向低倍(1#-1、1#-2、1#-3、1#- 4、1#-5)、2#縱向低倍(2#-1、2#-2、2#-3、2#- 4)共九件低倍試片，50%鹽酸水溶液浸蝕后觀察，九件低倍試片上均有不同程度的偏析，未發(fā)現(xiàn)裂紋及其它冶金缺陷，見圖3。

圖3 低倍組織形貌Figure 3 Macroscopic structure morphology

2.2 化學(xué)成分分析結(jié)果

在斷口面邊緣取試進行化學(xué)成分分析，試樣編號為4#-1～4#-7。成品分析結(jié)果顯示，4#-2、4#- 4、4#-5等三處位置的C或Mo元素超標(biāo)，見表1。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition analysis results(mass fraction, %)

2.3 高倍檢驗結(jié)果

磨制3#-1橫向高倍試樣，未腐蝕觀察，試樣表面有淡黃色的析出物，見圖4(a)。4%硝酸酒精溶液腐蝕后觀察，試樣表面有偏析，析出物不受腐蝕且分布在偏析區(qū)內(nèi)，見圖4(b)；高倍觀察，偏析區(qū)內(nèi)分散著邊角尖銳的析出物，見圖4(c)。偏析區(qū)組織為回火索氏體+碳化物，見圖4(d)，非偏析區(qū)組織為回火貝氏體，見圖4(e)。

圖4 顯微組織Figure 4 Microstructure

2.4 斷口檢驗結(jié)果

斷裂源區(qū)高溫氧化嚴(yán)重，用四氯化碳清洗+磷酸酐煮沸40 min，未能清除斷裂源區(qū)表面的高溫氧化層，未能觀察到斷口的真實形貌，見圖5，能譜分析見圖6。

圖5 斷裂源區(qū)微觀形貌Figure 5 Micromorphology of fracture source area

2.5 高倍能譜分析結(jié)果

高倍試樣偏析區(qū)內(nèi)的析出物，經(jīng)掃描電鏡能譜分析，主要成分為Mo、Nb，見圖7。

3 分析與討論

(1)低倍檢驗結(jié)果，試片表面存在偏析，其余未發(fā)現(xiàn)裂紋及其它冶金缺陷。

(2)化學(xué)成分分析結(jié)果，斷裂源區(qū)附近的C、Mo元素超標(biāo)。C、Mo元素偏析增加了斷裂源區(qū)材質(zhì)的脆性[1-2]。

(3)高倍檢驗結(jié)果，斷裂源區(qū)有明顯偏析，偏析區(qū)分散著邊角尖銳的析出物，能譜分析結(jié)果證實，偏析區(qū)內(nèi)析出物為Mo、Nb元素的化合物。偏析區(qū)顯微組織為回火索氏體+碳化物，非偏析區(qū)顯微組織為回火貝氏體，即偏析區(qū)組織在淬火冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)榇慊瘃R氏體，周圍的非偏析組織在淬火冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w，那么偏析區(qū)在淬火過程中會產(chǎn)生較大的相變應(yīng)力和組織應(yīng)力，加之?dāng)嗔言?偏析區(qū))位于軸徑和法蘭過渡處，亦存在熱應(yīng)力，在上述應(yīng)力的疊加下，偏析區(qū)邊角尖銳脆性較大的含Mo的析出物會引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂紋源，在其本身脆性和周圍馬氏體基體塑性差[3]的雙重加持下，裂紋擴展能量無法被吸收，裂紋迅速擴展，導(dǎo)致鍛件開裂。

(4)從斷口檢驗結(jié)果可知，由于斷口面的嚴(yán)重生銹和高溫氧化，未能觀察到斷口的真實形貌。但可以看到，斷裂源位于法蘭和軸頸的過渡圓弧的縱深處，是應(yīng)力最集中的部位。

綜上所述，在相變應(yīng)力，組織應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用下，偏析區(qū)內(nèi)邊角尖銳、脆性較大的含Mo的析出物引起應(yīng)力集中，形成裂紋源，由于裂紋源周圍的馬氏體基體塑性較差，裂紋得以迅速擴展，導(dǎo)致鍛件開裂。

4 結(jié)論

該中低壓復(fù)合轉(zhuǎn)子的裂紋性質(zhì)為淬火裂紋，淬火開裂的根本原因是存在嚴(yán)重偏析，偏析區(qū)形成了邊角尖銳脆性較大的化合物。