尹亞豪， 郭 磊， 蘇建鋒， 岳曉燦

(中鋼集團(tuán)鄭州金屬制品研究院股份有限公司， 河南 鄭州 450001)

30CrNiMo鋼由于具有淬透性高、綜合力學(xué)性能好和冷熱加工性能優(yōu)良等特點(diǎn)，在礦山機(jī)械中得到了廣泛應(yīng)用。某廠(chǎng)生產(chǎn)的30CrNiMo鑄鋼件，生產(chǎn)過(guò)程包括鑄態(tài)成形、正火(890 ℃×1 h，空冷)、調(diào)質(zhì)(880 ℃保溫1 h,水淬，600 ℃回火2 h)處理，在進(jìn)行性能檢驗(yàn)時(shí)沖擊吸收能量不合格(檢驗(yàn)值均不到10 J，遠(yuǎn)低于要求值下限34 J)，委托我單位進(jìn)行檢驗(yàn)。沖擊試樣取自單鑄試塊，取樣位置如圖1所示。本文通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室利用掃描電鏡和光學(xué)顯微鏡等檢測(cè)手段進(jìn)行檢測(cè)和分析，確定了鑄鋼件沖擊吸收能量不合格的原因。

圖1 沖擊試樣取樣位置Fig.1 Sampling location of the impact specimens

1 理化檢驗(yàn)

1.1 斷口微觀形貌

使用ZEISS EVO15掃描電鏡對(duì)沖擊試樣斷口進(jìn)行形貌觀察，斷口形貌如圖2所示。由圖2可知，其宏觀斷口形貌較為異常，斷口上呈現(xiàn)出許多小平面，屬于明顯的沿晶斷口。在掃描電鏡下觀察，其斷口小平面上分布有許多條紋，對(duì)條紋之間進(jìn)一步放大觀察，呈解理和準(zhǔn)解理特征；兩側(cè)邊緣處為韌窩形貌。

圖2 試驗(yàn)鋼正火態(tài)SEM斷口形貌(a)宏觀；(b)沿晶斷口；(c)鑄態(tài)結(jié)晶組織；(d)韌窩形貌Fig.2 SEM fracture morphologies of the normalized tested steel(a) macroscopic； (b) intergranular fracture； (c) as-cast crystalline microstructure； (d) dimple morphology

1.2 能譜面掃描及成分分析

使用X-Max50能譜儀對(duì)斷口小平面上條紋處進(jìn)行微區(qū)成分分析，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，斷面面掃描結(jié)果顯示Nb分布不均勻，存在偏聚現(xiàn)象，定量分析結(jié)果顯示條紋處Nb含量為1.74%，條紋間Nb含量太低而未被檢測(cè)到，條紋處Nb含量高于周?chē)菞l紋處。

圖3 調(diào)質(zhì)態(tài)試驗(yàn)鋼斷口小平面EDS分析(a)條紋處面掃描結(jié)果；(b)條紋處和條紋間定量分析結(jié)果Fig.3 EDS analysis at small plane fracture of the quenched and tempered tested steel(a) surface scanning results at fringe; (b) quantitative analysis results at fringe and between stripes

1.3 顯微組織

取同批次鑄態(tài)、正火態(tài)、淬火態(tài)和回火態(tài)試件在相同位置制樣，使用體積分?jǐn)?shù)為4%硝酸酒精溶液進(jìn)行侵蝕，然后使用ZEISS Imager.M2m光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織檢查，結(jié)果如圖4所示。鑄態(tài)顯微組織為沿晶界分布的條、塊狀鐵素體，晶內(nèi)為針狀鐵素體+珠光體；正火態(tài)為鐵素體+珠光體+粒狀貝氏體；淬火態(tài)為馬氏體+粒狀貝光體；調(diào)質(zhì)態(tài)為回火索氏體。

圖4 試驗(yàn)鋼不同熱處理狀態(tài)的顯微組織(a)鑄態(tài)；(b)正火態(tài)；(c)淬火態(tài)；(d)回火態(tài)Fig.4 Microstructure of the tested steel under different heat treatment states(a) as-cast; (b) normalized; (c) quenched; (d) tempered

對(duì)鑄態(tài)和淬火態(tài)組織進(jìn)行晶粒度檢驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。鑄態(tài)組織晶粒度級(jí)別劣于GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》中00級(jí)，晶粒尺寸與斷口上小平面尺寸較為接近，淬火態(tài)組織晶粒尺寸極不均勻，呈現(xiàn)雙重晶粒度特征。

1.4 化學(xué)成分檢驗(yàn)

在沖擊試樣上取樣，使用5110VDV等離子體發(fā)射光譜儀和DK 606紅外碳硫分析儀進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，沖擊試樣化學(xué)成分符合JB/T 5000.6—2007《重型機(jī)械通用技術(shù)條件 第6部分：鑄鋼件》中ZG30CrNiMo的要求。

1.5 硬度檢驗(yàn)

采用FM-310型顯微硬度計(jì)對(duì)沖擊試樣斷口的解理形貌區(qū)域和韌窩形貌區(qū)域進(jìn)行硬度測(cè)試，試驗(yàn)力0.98 N，試驗(yàn)力保持時(shí)間10 s，每個(gè)區(qū)域選擇5個(gè)測(cè)試點(diǎn)，解理形貌區(qū)域的硬度平均值為334 HV0.1，韌窩形貌區(qū)域的硬度平均值為328 HV0.1，兩個(gè)區(qū)域的硬度未見(jiàn)明顯差異。

2 分析與討論

由化學(xué)元素結(jié)果可知，鑄鋼件化學(xué)成分符合JB/T 5000.6—2007標(biāo)準(zhǔn)中ZG30CrNiMo鋼的要求。由硬度測(cè)試結(jié)果可排除材料硬度不均勻?qū)е碌臎_擊吸收能量不合格。

由斷口微觀形貌觀察結(jié)果可知，沖擊試樣斷口出現(xiàn)沿晶斷口。沿晶斷口上小平面尺寸與鑄態(tài)的原奧氏體晶粒尺寸較為接近，表明鑄鋼件熱處理過(guò)程中存在晶界遺傳現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō)，晶界遷移的驅(qū)動(dòng)力與晶界的曲率半徑呈反比，原始晶粒越大，晶界越平直，晶界的曲率半徑幾近無(wú)窮大，則隨后加熱時(shí)，其遷移的可能性越小，越容易保留完整的原始晶界。由能譜檢驗(yàn)結(jié)果可知，條紋處Nb含量高于周?chē)菞l紋處，表明鋼中存在Nb偏聚，Nb為強(qiáng)碳化物形成元素，在鋼中大部分以碳化物NbC形式存在。當(dāng)鋼中晶界有析出相時(shí)，在一般的熱處理溫度下，析出相因不能完全固溶而很難消除[1]。由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知，正火處理時(shí)形成了鐵素體+珠光體和粒狀貝氏體組織；對(duì)于30CrNiMo鋼，根據(jù)相關(guān)研究[2]，由于含有較高的Cr、Ni、Mo等合金，在冷速較慢時(shí)也存在發(fā)生非平衡轉(zhuǎn)變的可能。一旦生成貝氏體或者馬氏體，根據(jù)鋼的組織遺傳現(xiàn)象[3]，可能后續(xù)的正火或者調(diào)質(zhì)均不能消除該組織，導(dǎo)致熱處理后試件內(nèi)部混晶或者晶粒粗大。由于Nb具有增加淬透性和抑制珠光體形成的作用，表明鋼中的合金元素偏析未能通過(guò)正火進(jìn)行消除，后續(xù)淬火態(tài)晶粒不均勻出現(xiàn)混晶現(xiàn)象也說(shuō)明合金元素偏聚現(xiàn)象的存在。合金元素在晶界的偏聚能改變晶界的遷移特性。一方面，偏聚于晶界的合金元素能降低晶界的活動(dòng)性，對(duì)晶界遷移起阻礙作用，另一方面，還可能形成較多的第二相粒子起到釘扎晶界、鞏固晶界遺傳的作用[4]。

3 結(jié)論及建議

1) 通過(guò)對(duì)30CrNiMo鑄鋼件沖擊斷口進(jìn)行檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)由于合金元素偏析，使試件出現(xiàn)非平衡轉(zhuǎn)變組織、發(fā)生晶界遺傳是造成試件沖擊吸收能量不合格的直接原因。

2) 針對(duì)正火后試件出現(xiàn)貝氏體等非平衡轉(zhuǎn)變組織，將正火調(diào)整為等溫退火，避免發(fā)生非平衡轉(zhuǎn)變，可降低晶界遺傳程度，有效提高試件沖擊性能。