張智杰 劉 賀 王 杰

(中國第一重型機械股份公司，黑龍江161042)

一根出口巴西材質為30Mn6鋼(0.02%Nb)的傳動輥，經冶煉、鍛造、預備熱處理后，超聲波探傷時發(fā)現(xiàn)在1/2R處有大量>?3 mm的密集型超標準缺陷。為確定缺陷性質，在靠冒口端有代表性部位切取一塊約600 mm×200 mm×20 mm的低倍試片，利用金相檢驗等手段進行全面分析，最終依據(jù)掃描電鏡微觀斷口分析和能譜夾雜成分含量及普通光鏡分析等檢測手段，認定該缺陷是在鍛造后期大量未完全溶入到奧氏體中的NbC夾雜所導致的密集性顯微裂紋所致。

1 檢測方法和結果

1.1 低倍檢驗

(1)酸洗檢驗。經檢查在1/2R處點狀夾雜偏析較為嚴重(見圖1)。用放大鏡仔細觀察后發(fā)現(xiàn)，在多數(shù)偏析點上有時斷時續(xù)長短不一的針孔狀細小裂紋，白點裂紋的特征不十分明顯。點狀偏析3級，一般疏松1級，除此之外，未發(fā)現(xiàn)其它低倍缺陷。

(2)宏觀斷口檢驗。4塊宏觀斷口形貌均屬細結晶狀斷裂，兩塊在1/2R處折斷的斷口成分偏析較為嚴重(見圖2)。

1.2 高倍檢驗

(1)夾雜物檢驗。拋光后發(fā)現(xiàn)局部有大量密集型夾雜物，其中有縱向為點狀、橫向為長條狀呈紅黃合成的橙色NbC夾雜。同時也有沿縱向分布的大量MnS夾雜(見圖3、圖4、圖5)。硫化物粗系2級，硅酸鹽和氧化鋁各為細系0.5級。

圖1 酸洗后1/2R處的密集型點狀偏析Figure 1 The cluster shape of segregation in scattered spots on 1/2R position after pickling

圖2 宏觀斷口處的偏析條帶Figure 2 The segregation strip on macro fracture

圖3 橫向裂紋處的NbC夾雜Figure 3 NbC inclusion on transverse crack

圖4 橫向裂紋處的MnS夾雜Figure 4 MnS inclusion on transverse crack

圖5 縱向分布的NbC和硫化物夾雜Figure 5 NbC in longitudinal distribution and sulphide inclusion

(2)顯微裂紋檢驗。在橫向金相試樣表面，發(fā)現(xiàn)有多條長度約在1 mm～2 mm范圍內的夾雜性顯微裂紋。其特征為：寬度略粗的內部有一定數(shù)量的填充物，后經掃描電鏡定性分析，兩側和大量的內部填充物均屬NbC和MnS夾雜。

(3)組織檢驗。該組織為珠光體+鐵素體，帶狀組織偏析較為嚴重，珠光體團之間存在有網狀鐵素體。顯微裂紋多數(shù)穿越晶界但也有沿晶分布的特征。

1.3 掃描電鏡檢驗

(1)斷口檢驗。微觀斷口形貌為解理斷裂，高倍數(shù)下觀察裂紋處呈密集型聚集的NbC和Mn S夾雜較多，尺寸多在3 mm以上(見圖6、圖7)。

(2)能譜分析。缺陷部位Fe、Nb、Mn、S、C等元素含量較高，夾雜物主要以NbC和MnS為主(見圖8、圖9)。

2 分析和討論

鈮在周期表中和鉭、釩同族，和釩、鈦、鋯相似，在鋼中的主要作用是細化晶粒和提高晶粒粗化溫度。鈮和碳、氮、氧有極強的親和力，可與之形成極為穩(wěn)定的NbC和Nb2C等碳化物。特點是在γ-鐵和α-鐵中的溶解度都比較小，并隨著溫度的下降而較快的下降。如在鋼中加入0.05%微量的鈮就足以細化晶粒，可使晶粒粗化溫度提高到1 050℃以上。從鈮含量分別為0.2%和1.0%垂直截面的平衡相圖中可以看出，鈮雖然使A1點有所降低，卻使A3點大為提高(見圖10)。再以碳含量為0.35%、鈮含量分別為0.012%和0.35%的兩種鋼用兩種溫度進行淬火試驗為例。在899℃淬火時，含Nb的鋼比不含Nb的鋼淬透性還要低，其原因是由于淬火溫度過低，鋼中的鈮主要以碳化物的狀態(tài)存在，因它固定了鋼中的碳，除自身不能發(fā)揮作用外，反而使碳也不能發(fā)揮作用。這變相的造成奧氏體中Nb和C的相對貧化，因而導致淬火后各項性能指標的相對較低。若將淬火溫度提高到1 093℃時則情形恰好相反。由于大部分的Nb固溶入奧氏體，既發(fā)揮了合金元素提高淬透性的作用又釋放了大部分的碳，使合金淬火后的基體強度得以提高(見圖11)。從以上兩組試驗可以看出，由于鈮合金的熔點比較高，加鈮的碳化物又比較難以溶入奧氏體，所以在熱處理時適當?shù)奶岣呒訜釡囟群脱娱L保溫時間是充分發(fā)揮鈮元素作用的關鍵。

圖6 裂紋處NbC的夾雜微觀形貌Figure 6 The microstructure of NbC inclusion on crack

圖7 裂紋處的MnS的夾雜微觀形貌Figure 7 The microstructure of MnS inclusion on crack

圖8 MnS夾雜形貌及能譜成分分析Figure 8 MnS inclusion appearance and energy spectrum composition analysis

圖9 NbC夾雜形貌及能譜成分分析Figure 9 NbC inclusion appearance and energy spectrum composition analysis

金相分析發(fā)現(xiàn)，密集性缺陷的形成主要與3個因素有關。

(1)夾雜致廢的可能性

因為鈮熔點高和不易溶入奧氏體，所以熱處理時必須大幅提高淬火溫度和延長保溫時間，使Nb和C充分溶入奧氏體并使基體得到強化，才能保證構件質量。從我們檢測的15件縱向試樣和15件橫向試樣的總體情況看，發(fā)現(xiàn)一個客觀規(guī)律，即與V、W、Mo的碳化物相比，NbC夾雜物的顆粒較大，分布形態(tài)恰好與硫化物相反，縱向看呈點狀，橫向看多數(shù)為大的長條形塊狀，多在10 μm×(30～50)μm之間，在局部范圍內呈密集型特征分布。多數(shù)裂紋中間段和NbC延伸方向重合一致。就危害性而言，硬而脆的大塊狀NbC夾雜物切斷了金屬基體的連續(xù)性，周邊富集的氫含量也較高，兩者必將造成金屬原子和晶粒之間的結合力下降，鍛造時因兩者塑變抗力不一致導致應力集中而產生顯微裂紋的可能性極高。長條型的NbC夾雜物在鋼中呈橫向分布，這恰好與熱處理時所產生的軸向拉應力相垂直，在這些因素的綜合作用下可能加速顯微裂紋的萌生和鍛后已有裂紋的繼續(xù)延伸和擴展。

圖10 鈮含量分別為0.2%和1.0%時鋼的垂直截面平衡相圖Figure 10 The vertical section equilibrium phase diagram of steel when niobium content is 0.2% and 1.0%

圖11 不同淬火溫度下含碳量0.35%和不同鈮含量鋼的淬透性曲線Figure 11 The hardenability curve of steels with 0.35% carbon content and different niobium contents under different quenching temperature

(2)熱脆致廢的可能性

Mn是很好的脫氧劑和脫硫劑，優(yōu)點是能降低因硫所引起的熱脆性，缺點是含量較高時有使晶粒粗化和增加回火脆性的傾向，冶煉澆鑄和鍛軋后冷卻不當時容易產生白點。

S以硫化鐵(FeS)的形式存在于鋼內，結晶過程中FeS分布在晶粒的周圍，當鋼在800～1 200℃左右的溫度下進行壓軋和鍛造時，由于FeS的塑性不足或熔化，常導致沿晶界的開裂。

有時，鋼中含硫量雖不高，由于加熱的選擇性氧化，使硫在表層富集，也會引起熱脆。氧化使MnS轉變成MnO，同時Fe與S結合生成FeS，形成FeS-FeO低熔點液相，這些液相沿著晶界向內滲入而引起熱脆。

從顯微裂紋的形態(tài)特征上看，同一根裂紋有粗細不同長短不一的特征，粗裂紋處顏色較深，略呈張開形。經電鏡成分分析，發(fā)現(xiàn)裂紋內部Mn、Nb、S、C含量較高。因低熔點共晶體FeS在鋼錠凝固后期沿晶界析出，所以該裂紋在鍛造時容易造成FeS沿晶界熔化，有引起因晶間結合力降低而導致熱脆裂紋的可能性。但典型熱脆斷口的微觀形貌特征是裂紋相對較寬且兩側較為圓滑并沿晶界分布。從總的檢測結果看以上特征并不明顯。

(3)氫脆致廢的可能性

氫和組織應力是形成白點的兩個主要因素。從電鏡的高倍顯微斷口上看，局部區(qū)域有因二次裂紋形成的小碎塊跡象，略帶有白點的顯微特征，但不明顯。理論上，傳動輥噸位較小，又屬珠光體組織，氫和組織應力相對較低，氫致脆的可能性不大。

3 結論

(1)缺陷主要是因為鋼中大量固溶不完全的NbC所形成的夾雜性顯微裂紋所致。不能完全排除MnS和FeS夾雜引起熱脆致廢的可能性，但氫脆致廢的可能性較小。

(2)采用合理的熱加工工藝，如合適的鍛比、變形程度及壓下量，減少成分偏析，盡量使MnS在鋼中均勻分布，熱處理時確保NbC充分溶入奧氏體基體，細化晶粒和減少應力集中，是防止產生顯微裂紋的有效措施。

(3)為提升產品質量，建議以Mo代替Nb，既能細化晶粒又可起到減少成分偏析和顯微裂紋的多重作用。

[1] 冶金部鋼鐵研究院主編.合金鋼手冊.北京：機械工業(yè)出版社.

[2] 李炯輝主編.金相材料金相圖譜.北京：機械工業(yè)出版社.