張 莉 蓋文廣

(中國第一重型機械股份公司，黑龍江161042)

30Cr1Mo1V轉子失效分析及預防措施

張 莉 蓋文廣

(中國第一重型機械股份公司，黑龍江161042)

通對30Cr1Mo1V轉子進行金相及斷口分析，闡述轉子主要失效原因。結果表明，轉子失效主要是成分偏析造成的。

30Cr1Mo1V；轉子；失效；成分偏析

30Cr1Mo1V轉子經(jīng)精加工后，在軸頸外圓周表面沿軸向分布較為密集的條帶狀缺陷，與基體比較，顏色呈暗灰色，與基體形成明顯的反差。通過金相檢驗、掃面電鏡及能譜分析對該缺陷進行了檢測，以找出引起缺陷的原因，避免該缺陷再次發(fā)生，提高產(chǎn)品質量。

1 實驗結果與分析

1.1 金相分析

為了研究30Cr1Mo1V轉子失效的原因，在轉子軸頸表面進行取樣。制備金相試樣，經(jīng)拋光腐蝕后，在宏觀狀態(tài)下觀察，發(fā)現(xiàn)試樣有白亮帶耐腐蝕區(qū)域形成，如圖1箭頭標注處所示，與基體形成鮮明的對比。

圖1 試樣宏觀形貌Figure 1 The macro-appearance of samples

在光學顯微鏡進一步放大觀察，其正常區(qū)域和耐蝕區(qū)的顯微組織形貌如圖2所示。由圖2(a)可以看出，耐蝕區(qū)與正常區(qū)的組織明顯不同。正常區(qū)域為貝氏體回火組織，耐腐蝕區(qū)組織致密，晶粒細小，顯微組織為細片狀珠光體。耐蝕區(qū)在高倍數(shù)下觀察，發(fā)現(xiàn)有密集的白色顆粒物均勻地分布，如圖2(b)所示。對白色顆粒物進行成分分析，如圖3所示。由圖3可知，白色顆粒物主要為Mo、Fe、C、Si、V、Cr，由于Mo、 V、Cr為強碳化物形成元素，而Si為非碳化物元素，所以可以判定，此白色顆粒物為以Mo、Fe為主的金屬間化合物，直徑在1 μm～3 μm之間。

通過以上觀察可知，試樣耐腐蝕區(qū)是由成分偏析造成的。在熱處理過程中，合金元素阻礙了晶粒的長大，導致出現(xiàn)細小的晶粒。

1.2 斷口分析

分析成分偏析在工件內(nèi)部的延續(xù)性，即檢驗其內(nèi)部是否也存在這樣的帶狀偏析，在工件心部取樣進行斷口檢驗。在斷面上發(fā)現(xiàn)數(shù)條沿縱向平行分布的灰白色帶狀區(qū)域，其最大長度約12 mm，在該區(qū)的斷裂源有明顯的條帶狀及塊狀物缺陷，見圖4(a)中箭頭標注處，其放大后形貌見圖4(b)中A、B區(qū)域。經(jīng)能譜分析(見圖5)，A區(qū)缺陷性質為MnS夾雜物。雖然B區(qū)中塊狀物與工件表面顯微組織中耐腐蝕區(qū)的金屬間化合物成分基本一致，但與金屬間化合物相比，尺寸都較大，最大長度為0.2 mm，而金屬間化合物尺寸一般較小，因此判定該塊狀物為未熔解的鉬鐵合金塊。

(a)低倍

(b)高倍圖2 耐腐蝕區(qū)組織形貌Figure 2 The microstructure of anti-corrosion area

圖3 耐蝕區(qū)顆粒物成分分析Figure 3 The composition analysis of particulate matter of anti-corrosion area

大合金塊周圍的碎小合金塊是未充分熔解的結果。由于鉬鐵合金塊鉬含量較高，與C的親和力很強，導致C及其他合金元素形成的碳化物向合金塊擴散，最終形成成分復雜的鉬鐵合金塊。

其他灰白色帶狀區(qū)域沒有發(fā)現(xiàn)未熔解鉬鐵合金塊，但其斷裂源基本都存在較長的細條狀MnS夾雜物，最大長度2.5 mm左右。

應用能譜儀分別在圖4(a)所示的白色帶狀區(qū)域及正常區(qū)進行成分分析，其結果見表1?？梢钥闯?，與正常區(qū)相比，帶狀區(qū)合金含量較高，尤其Mo起伏變化較大，據(jù)此可以判定帶狀區(qū)為成分偏析區(qū)[1]。

(a)低倍

(b)高倍圖4 斷口形貌Figure 4 The appearance of fracture

(a)A區(qū)

(b)B區(qū)圖5 能譜分析Figure 5 The energy spectrum analysis表1 成分分析(質量分數(shù)，%)Figure 1 The composition analysis (mass fraction, %)

CSiMoVCrMn帶狀區(qū)正常區(qū)0.640.540.510.595.181.661.100.532.401.751.631.42

圖6 偏析區(qū)微觀形貌Figure 6 The micro-appearance of segregation area

圖7 正常區(qū)微觀形貌Figure 7 The micro-appearance of normal area

從斷裂方式分析，偏析區(qū)為準解理，呈碎片狀，見圖6。正常區(qū)為解理，呈“河流花樣”特征形貌，見圖7。由于合金成分可提高工件的韌性，所以偏析區(qū)比正常區(qū)的韌性好，以致二者的斷裂方式存在差異。同時，根據(jù)斷口的形貌大致可以看出，偏析區(qū)的晶粒比正常區(qū)的細小。

2 分析與討論

綜上所述， 轉子軸頸外圓周面出現(xiàn)的暗灰色條帶狀區(qū)是由成分偏析引起的。

在偏析區(qū)內(nèi)，合金元素含量明顯比正常區(qū)的高，尤其鉬的偏析更加嚴重。這種偏析現(xiàn)象已延伸到內(nèi)部，并且有加重的趨勢，心部個別區(qū)域出現(xiàn)未充分熔解的鉬鐵合金塊，可以說明這一點。

在偏析區(qū)內(nèi)，雜質主要為條帶狀MnS夾雜物，沿偏析區(qū)長度方向以一條或數(shù)條分布，最大長度2.5 mm左右。

3 結論

鋼的偏析程度與錠型、鋼種、冶煉質量及澆注條件有關，合金元素、雜質及氣體的含量均會加重偏析程度。建議采取以下措施控制偏析：

(1)加大澆鑄過程中鑄坯的冷卻速度，加快冷卻速度可抑制溶質元素凝固時的析出，同時也可細化晶粒。

(2)調(diào)整合金元素含量，在成分允許的范圍內(nèi)減少合金元素濃度可減少凝固時的偏析。

(3)外加添加劑，在中間包或結晶器內(nèi)加入形核劑，可增加晶核利于擴大等軸晶，減少偏析。

[1] 李維尚.金屬材料金相熱處理檢驗方法與技術標準及缺陷金相圖譜[M]．河北：北方工業(yè)出版社，2007.

編輯 杜青泉

Failure Analysis and Precaution Measures of 30Cr1Mo1V Rotor

Zhang Li, Gai Wenguang

By carrying out the metallographic analysis and the facture analysis for 30Cr1Mo1V rotor, the main failure cause of rotor has been explained. The results show that the failure of rotor is mainly caused by the composition segregation.

30Cr1Mo1V; rotor; failure; composition segregation

2016—09—14

張莉(1986—)，女，助理工程師，碩士，從事金相檢驗工作。

TG316.1+92

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