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        1Cr17Ni2鋼錠鍛造開(kāi)裂失效分析

        2022-07-12 07:51:10陳民濤吳杏格李超越丁少寧
        金屬加工(熱加工) 2022年7期
        關(guān)鍵詞:柱狀晶鋼錠試片

        陳民濤,吳杏格,李超越,丁少寧

        太原重工股份有限公司 山西太原 030024

        1 序言

        兩支4.6t鋼錠,材質(zhì)為1Cr17Ni2,在鍛造開(kāi)坯過(guò)程中,均出現(xiàn)嚴(yán)重橫裂,其中一支同時(shí)伴有嚴(yán)重縱裂,對(duì)批量產(chǎn)品造成較大影響。為避免后續(xù)生產(chǎn)中出現(xiàn)類(lèi)似問(wèn)題,因此對(duì)鋼錠開(kāi)裂原因進(jìn)行系列分析。

        鋼錠加熱工藝:500℃保溫2h,按100℃/h速率升溫至850℃,保溫2h,功率升溫至1180℃,保溫6h,出爐鍛造。在第一火壓方過(guò)程中發(fā)生嚴(yán)重開(kāi)裂[1]。

        2 現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)察

        鋼錠表面存在多處橫裂,呈明顯闊開(kāi)口形,縱裂一條基本貫穿鋼錠長(zhǎng)度方向,位于方坯中央位置,裂紋開(kāi)口寬度較小,鋼錠頭部、尾部端面呈碎塊狀多處開(kāi)裂,如圖1~圖4所示。原始斷口已氧化,呈灰黑色,屬典型斷口經(jīng)歷高溫所致的形態(tài)。

        圖1 鋼錠裂紋形貌

        圖4 端面裂紋

        3 試驗(yàn)分析

        3.1 低倍試驗(yàn)分析

        在鋼錠開(kāi)裂處取橫截面試片進(jìn)行熱酸浸試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表1。鋼錠橫截面試片基本呈正方形,在其一邊中間處有一條開(kāi)口形裂紋,深度約6mm,為宏觀(guān)鋼錠縱向裂紋的垂直深度。在邊緣明顯可見(jiàn)柱狀晶型花紋,且試片上有多條小裂紋,最大長(zhǎng)度約10mm,如圖5~圖7所示。

        表1 橫截面試片熱酸浸試驗(yàn)

        圖3 鋼錠橫、縱裂紋形貌

        圖5 低倍形貌

        圖6 縱裂紋

        圖7 錠型偏析

        試驗(yàn)結(jié)果表明,鋼錠鍛后(僅壓方)錠型偏析嚴(yán)重,為不合格。觀(guān)察到的小裂紋與鋼錠鑄件柱狀晶高度相關(guān)。

        3.2 斷口試驗(yàn)分析

        人工斷口為典型貝殼狀斷口,形貌如圖8所示。試驗(yàn)結(jié)果表明,貝殼狀斷口為非正常斷口,其形成原因有待進(jìn)一步分析。

        圖8 貝殼狀斷口形貌

        3.3 化學(xué)成分分析

        在鋼錠表面及R/2處取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見(jiàn)表2?;瘜W(xué)成分符合1Cr17Ni2鋼技術(shù)要求。

        表2 1Cr17Ni2鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

        3.4 非金屬夾雜物檢測(cè)

        在試片上取高倍試樣進(jìn)行非金屬夾雜物檢測(cè),按GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》評(píng)定,結(jié)果見(jiàn)表3。鋼錠純凈度合格,但B類(lèi)氧化鋁類(lèi)夾雜物較多[2]。

        表3 非金屬夾雜物檢測(cè)結(jié)果 (級(jí))

        3.5 金相分析

        不同位置的試樣做金相組織、晶粒度檢測(cè),結(jié)果見(jiàn)表4。

        表4 金相組織、晶粒度檢測(cè)

        試驗(yàn)結(jié)果表明,組織為低碳馬氏體+鐵素體+沿晶碳化物+層片狀組織,碳化物沿晶界連續(xù)分布,且沿原始柱狀晶析出,將產(chǎn)生較大脆性,降低鋼的力學(xué)性能。各部位金相組織如圖9~圖14所示。

        圖9 表面組織(100×)

        圖10 表面組織(500×)

        圖11 R/2處組織(100×)

        圖12 R/2處組織(500×)

        圖13 心部組織(100×)

        圖14 心部組織(500×)

        3.6 裂紋分析

        低倍小裂紋微觀(guān)形態(tài)寬窄不一、斷續(xù),邊界模糊,尖端不連續(xù)。小裂紋旁有極細(xì)微裂紋,呈斷續(xù)線(xiàn)狀、島狀分布。經(jīng)氯化高鐵鹽酸水溶液浸蝕后,小裂紋及微裂紋組織形態(tài)主要沿柱狀晶分布的鐵素體分布,裂紋旁組織無(wú)明顯變化,如圖15~圖18所示。結(jié)果表明,鍛件小裂紋及微裂紋均與沿鑄態(tài)柱狀晶分布的碳化物有密切聯(lián)系。

        圖15 裂紋(100×)

        圖18 裂紋組織(500×)

        3.7 微觀(guān)斷口分析

        宏觀(guān)貝殼狀斷口,掃描電鏡微觀(guān)形態(tài)為解理羽毛及平行解理間形成的撕裂脊線(xiàn),局部可見(jiàn)鑄態(tài)自由結(jié)晶表面及第二相質(zhì)點(diǎn)及夾雜物,如圖19~圖22所示。微觀(guān)解理裂紋源位于晶界自由結(jié)晶表面,能譜確定該處主要含C、Al、Si、Cr、Ni等元素,其中Al、Si、Cr等元素,微區(qū)成分皆偏高平均水平,Ni元素低于平均水平,解理微區(qū)成分則與宏觀(guān)化學(xué)成分接近。結(jié)果表明,貝殼狀斷口為鋼中鋁元素微區(qū)偏聚所致。

        圖2 鋼錠裂紋形貌(近景)

        圖16 微裂紋(500×)

        圖17 裂紋組織(100×)

        圖19 解理及枝晶(500×)

        圖20 解理羽毛(1000×)

        圖21 夾雜及解理撕裂脊線(xiàn)(500×)

        圖22 解理(1000×)

        4 討論

        化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果表明,鋼錠材質(zhì)符合1Cr17Ni2鋼技術(shù)要求。但鋼錠組織均勻性差,錠型偏析為3.5級(jí),不合格。錠型偏析是由鋼錠柱狀晶區(qū)與中心等軸晶區(qū)交界處的成分偏析和雜質(zhì)聚集所致[3]。鋼錠低倍柱狀晶區(qū)明顯可見(jiàn)多條小裂紋,微觀(guān)裂紋形態(tài)與鑄態(tài)柱狀晶分布的碳化物形態(tài)相似。鋼錠鍛后組織為低碳馬氏體+鐵素體+碳化物+層片狀組織,晶粒度為3.5~5.0級(jí),柱狀晶區(qū)組織分布仍保留柱狀晶形態(tài),晶界上有大量連續(xù)分布的碳化物,可加大組織脆性[4]。

        鋼錠柱狀晶區(qū)出現(xiàn)貝殼狀斷口為非正常斷口。微觀(guān)斷口呈解理及撕裂脊線(xiàn),可知鋼錠脆性較大。微觀(guān)解理裂紋源位于晶界自由結(jié)晶表面,且能譜C、Cr、Al、Si等元素微區(qū)偏高,分析認(rèn)為系存在含Cr碳化物以及含Al第二相所致。

        當(dāng)wAl接近0.09%時(shí),在柱狀晶區(qū)易出現(xiàn)貝殼狀斷口。當(dāng)采用鋁脫氧時(shí),一旦鋁含量控制不嚴(yán),易造成鋁殘留量較多。盡管鋼液中原始鋁含量并未超標(biāo),但在鋼錠凝固末期,因鋁熔點(diǎn)較低,殘余鋼液中鋁濃度顯著增高,足以使含鋁第二相從鋼液中析出,呈樹(shù)枝晶形態(tài),是一種顯微偏析現(xiàn)象。當(dāng)結(jié)晶緩慢時(shí),殘余鋼液中析出的樹(shù)枝晶含鋁第二相,被推到一次結(jié)晶的晶界上,當(dāng)基體結(jié)晶速度超過(guò)某一臨界速度時(shí),就被截留于生長(zhǎng)的晶體中,最終加大晶間斷裂敏感性[5]。

        鋼錠加熱工藝為500℃保溫2h,按100℃/h速率升溫至850℃,保溫2h,按功率升溫至1180℃,保溫6h,出爐鍛造。1Cr17Ni2屬馬氏體-鐵素體雙相不銹鋼,具有475℃脆性。加熱時(shí)應(yīng)避免在400~525℃溫度區(qū)間內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間加熱。1Cr17Ni2鋼加熱至900℃以上時(shí),晶粒長(zhǎng)大傾向明顯增大,同時(shí)脆性增大,使鍛造條件惡化。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        鋼錠化學(xué)成分符合1Cr17Ni2鋼技術(shù)要求,但組織均勻性較差,錠型偏析嚴(yán)重。鋼錠鍛后組織不良。鋼錠開(kāi)裂的主要原因系鋼錠加熱工藝設(shè)計(jì)不當(dāng),極易導(dǎo)致475℃脆性產(chǎn)生,并且鋼錠鑄件冷卻緩慢,柱狀晶區(qū)析出含鋁相,造成晶間斷裂敏感性增大,在二者共同作用下,最終導(dǎo)致鍛件開(kāi)裂。

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