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        鋼中鋁含量對(duì)E級(jí)鋼鑄件脆性斷裂的影響

        2013-11-20 09:57:22高明才
        鑄造設(shè)備與工藝 2013年4期
        關(guān)鍵詞:脆性斷裂脆性能譜

        高明才

        (牡丹江金緣鉤緩制造有限責(zé)任公司,黑龍江牡丹江 157013)

        1 情況說明

        該鉤舌材質(zhì)為E級(jí)鋼(成分及性能見表1),該產(chǎn)品應(yīng)用于單車載重139.8 t,牽引240列,總牽引力為3.8萬t澳大利亞礦石車。從性能的要求可以看出其對(duì)抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及沖擊韌性的要求均高于《機(jī)車車輛用車鉤、鉤尾框》(T B/T 456-2008)的要求(鐵標(biāo)對(duì)應(yīng)數(shù)值為:830 MPa、690 MPa、27 J)。故此該產(chǎn)品對(duì)裂紋的敏感性高,在生產(chǎn)初期曾多次發(fā)生脆性斷裂,斷口呈“冰糖狀”。

        表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)及機(jī)械性能要求

        2 原因分析

        2.1 金相分析

        通過探傷檢查發(fā)現(xiàn)存在脆性斷裂的鑄件澆口部位存在裂紋,該部位金相圖片如圖1、圖2所示。金相分析顯示組織為索氏體、基體表層有脫碳(脫碳層深度0.2 mm~0.35 mm)且裂紋兩邊存在分叉及轉(zhuǎn)向特征,由此可以證明該裂紋為沿晶界斷裂。

        圖1 澆口部位金相1

        圖2 澆口部位金相2

        2.2 成分分析

        通過對(duì)該批次同爐澆注的鑄件進(jìn)行化學(xué)成分光譜分析,發(fā)現(xiàn)Al元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在0.085%~0.12%之間,比日??刂品秶舷薷叱?.04%,其他元素含量正常。

        2.3 電鏡及能譜分析

        為進(jìn)一步詳細(xì)了解鑄件脆性斷口的特征,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鑄件的斷口進(jìn)行實(shí)物取樣,并將試樣委托鐵科院金化所進(jìn)行電鏡高倍形貌觀測(cè)、X光能譜元素分析及俄歇能譜表面元素分析,結(jié)果見圖3~圖5.

        圖3 斷口形貌及夾雜圖片

        圖4 斷口夾雜的能譜分析圖片

        圖5 斷口表面俄歇能譜表面元素分析圖片

        從圖4、圖5圖可以看出,能譜在晶界位置存在較多的Fe-Mn、Mn等元素能量的突變。形成該現(xiàn)象的原因是由于鋼液中存在過多的Al元素,由于Al元素較Mn、Cr元素氧化能力強(qiáng),造成鋼水在還原期、冷卻過程中過多的Mn及Cr元素被還原出來,在晶界形成Mn的富集區(qū),造成能量的突變。同時(shí)由于Al元素的過剩,致使鋼水中的N元素在高溫狀態(tài)下同其形成穩(wěn)定的AlN,進(jìn)一部消弱晶間強(qiáng)度。

        通過對(duì)脆性斷口進(jìn)行分析,證明斷口表面有較多的Al2O3、、Mn S和局部富集的Mn;脆性斷口上存在 AlN;脆性斷口未發(fā)現(xiàn)富集的 As、Sn、Sb、Pb等元素。

        結(jié)論:脆性斷裂是由于鋼件中存在超量的Al元素,造成其在晶界形成AlN,割裂了鋼件基體。

        3 Al元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)脆性斷裂的影響

        為進(jìn)一步找到鋼中鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鑄件產(chǎn)生脆性斷裂的規(guī)律,從而確定出鋼中合理的Al元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)?,F(xiàn)場(chǎng)采用手工插鋁的方法澆注出不同鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)的試棒,并采用錘擊的方式獲得斷口,制作出宏觀斷口圖片見圖6.

        圖6 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Al對(duì)宏觀斷口的影響

        從圖6可以看出E級(jí)鋼鑄件Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.080%左右時(shí),脆性斷口開始呈現(xiàn)出“冰糖狀”,當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.22%時(shí)斷口形成圓周形脆性“冰糖狀“斷口,而且該趨勢(shì)的產(chǎn)生在Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近0.09%產(chǎn)生突變。

        Al元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.020%~0.055%之間時(shí),斷口組織致密,強(qiáng)度成各向同性,故此通過錘擊的方式獲得斷口十分困難;當(dāng)Al元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.060%~0.080%之間時(shí)斷口通過肉眼可以觀察到存在“分層”特征,其強(qiáng)度成單向異性,通過錘擊的方式獲得斷口較為容易;當(dāng)Al元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.080%或更高時(shí),斷口明顯存在“冰糖狀”大顆粒,斷層鮮亮成“放射狀”,由于其脆性大,故此通過錘擊的方式獲得斷口十分容易。

        4 結(jié)論

        1)通過實(shí)驗(yàn)表明雖然當(dāng)鋼中Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.080%時(shí)已經(jīng)在金相邊界產(chǎn)生AlN,但此時(shí)鑄件的機(jī)械性能卻可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求,只是沖擊性能的富余量不足。故此為保證鑄件的綜合性能,同時(shí)發(fā)揮Al元素脫氧的作用,對(duì)E級(jí)鋼而言,鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在0.02%~0.07%。

        2)Al元素作為鋼水冶煉過程中強(qiáng)脫氧劑,其所得率具有不穩(wěn)定性。為了能夠穩(wěn)定地控制并檢測(cè)其在鋼水中的含量,建議采取吹氬喂絲工藝加鋁,同時(shí)在鋼水澆注到整包的1/4時(shí)澆注成品樣,在檢測(cè)澆注末期的殘Mn樣的同時(shí)檢測(cè)最終Al含量。

        3)通過實(shí)驗(yàn)證明:對(duì)于E級(jí)鋼鑄件而言,一旦鋼中因Al含量過高形成晶界AlN,采用重新熱處理的方式是無法消除的。

        4)該種因Al含量過高產(chǎn)生的脆性斷裂缺陷只會(huì)發(fā)生在E級(jí)鋼或低合金鋼急冷鑄件,對(duì)其他鋼種或非淬火鑄件暫不具備指導(dǎo)意義。

        [1]高美蘭,白樹金.ZG 310-570鑄件脆性斷裂分析[J].新技術(shù)新工藝,2008(4):66-67.

        [2]MT羅利(美).國際鑄件缺陷圖譜[M].南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,1983.

        [3]蔡啟舟,吳樹森.鑄造合金原理及熔煉[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010.

        [4]支良生,黨光清.新編中外常用金屬材料手冊(cè)[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2012.

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