鄭慶行，溫玉磊，張文良，趙錦同

(1.河南省工業(yè)和信息化高級技工學(xué)校，河南 新鄭 451150； 2.通裕重工股份有限公司，山東 禹城 251200；3.焦作市鍋爐壓力容器檢驗所，河南 焦作 454000； 4.洛陽恒焱熱處理有限公司，河南 洛陽 471022)

1 問題的提出

優(yōu)質(zhì)碳素鑄鋼是一般鑄造廠中最普遍最基本的鋼種，由于這類鋼的工藝簡單、成本低廉、用途廣泛、批量大，質(zhì)量上往往不被重視。某公司生產(chǎn)ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570等大型鑄鋼件，多年來不斷改進(jìn)生產(chǎn)工藝，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。鑄鋼件力學(xué)性能檢測試樣大多數(shù)是連同鑄件隨爐澆鑄而成，檢驗結(jié)果符合技術(shù)要求，且質(zhì)量穩(wěn)定。

2021年7月上旬該公司生產(chǎn)1件ZG230-450大型殼體鑄鋼件。針對該產(chǎn)品，客戶明確提出：該鑄鋼件經(jīng)正火+回火熱處理后力學(xué)性能檢測試樣必須從鑄鋼件本體上套取下來，且力學(xué)性能檢測合格后方可驗收。

試驗設(shè)備為臺車式電阻爐，ZG230-450大型殼體鑄鋼件經(jīng)正火(920±10 ℃保溫6 h后吊下臺車面空冷)+回火(550±10 ℃保溫10 h后爐冷到400 ℃以下出爐空冷)熱處理后，在鑄鋼件本體上套取試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測。其力學(xué)性能技術(shù)要求及檢測結(jié)果見表1。

由表1可知，屈服強度和抗拉強度符合技術(shù)要求，但伸長率和收縮率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于技術(shù)要求。根據(jù)經(jīng)驗，即使提高回火溫度進(jìn)行補回火，伸長率和收縮率仍達(dá)不到技術(shù)要求，反而會導(dǎo)致強度低于技術(shù)要求。

表1 力學(xué)性能技術(shù)要求及檢測結(jié)果

對試樣進(jìn)行拉伸試驗，發(fā)現(xiàn)試樣斷口暗灰色金屬基底上分布有“白色斑點”，如圖1所示。為解決和避免類似問題再次出現(xiàn)，對該拉伸試樣斷口上“白色斑點”進(jìn)行了分析與研究。

圖1 ZG230-450大型殼體鑄鋼件拉伸斷口

2 理化分析

2.1 斷口宏觀形貌

拉伸試樣為φ20 mm的標(biāo)準(zhǔn)長比例試樣。拉伸斷口平齊，有輕微程度的塑性變形，無明顯的頸縮和剪切唇，在斷口暗灰色金屬基底上分布有“白色斑點”，斷口中心和邊沿分布有密集“白色斑點”，整個斷口呈脆性斷裂特征，如圖1所示。

2.2 化學(xué)成分分析

采用ARL ISPARK 8860直讀光譜儀對大型殼體鑄鋼件拉伸試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測結(jié)果見表2。由表2可知，化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11352—2009《一般工程用鑄造碳鋼件》要求[1]，且P、S元素含量低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

表2 化學(xué)成分檢測結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.3 非金屬夾雜物檢測

在拉伸試樣上截取金相樣品，經(jīng)磨制拋光后，采用OLYMPUS GX71金相顯微鏡進(jìn)行觀察，按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》進(jìn)行非金屬夾雜物評定，結(jié)果見表3和圖2，非金屬夾雜物級別均不高。

圖2 非金屬夾雜物 100×

表3 非金屬夾雜物檢測結(jié)果

2.4 晶粒度檢測

非金屬夾雜物檢測試樣的拋光面經(jīng)苦味酸洗滌劑水溶液侵蝕后，按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》進(jìn)行晶粒度評級，級別為4～5級，組織為不均勻的F+P，但并無明顯缺陷，如圖3所示。

圖3 晶粒度 100×

2.5 氣體含量檢測

取該大型殼體鑄鋼件余下試樣，按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11261—2006《鋼鐵氧含量的測定脈沖加熱憜氣熔融-紅外線吸收法》、GB/T 20124—2006《鋼鐵氮含量的測定惰性氣體熔融熱導(dǎo)法》和GB/T 223.82—2018《鋼鐵氫含量的測定惰性氣體熔融-熱導(dǎo)或紅外法》要求，采用ONH-2000氣體分析儀分別進(jìn)行 O2、N2、H2氣體含量分析，結(jié)果見表4。

表4 氣體含量檢測結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)JB/T 11020—2010《超臨界及超超臨界機組汽輪機用超純凈鋼低壓轉(zhuǎn)子鍛件技術(shù)條件》中明確規(guī)定超純凈鋼中氣體含量(換算后)：H2≤1.5 ppm、O2≤35 ppm和N2≤70 ppm[2]。而該大型殼體選用ZG230-450普通的鑄造低碳鋼材質(zhì)，在鋼材質(zhì)量等級上遠(yuǎn)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)JB/T 11020—2010中規(guī)定的鋼材級別。ZG230-450大型殼體鑄鋼件中的O2含量和N2含量分別為65 ppm 和78 ppm，相關(guān)人員認(rèn)為也是可以接受的。但其H2含量極不正常，高達(dá)9.78 ppm，在普通鍛件中也是絕不允許的。

3 原因分析與討論

長期以來，氫氣對鍛鋼件質(zhì)量的影響未能引起足夠的重視，因而影響了鑄鋼件質(zhì)量進(jìn)一步提高。鑄鋼件沒有經(jīng)過壓力加工，存有不同程度的疏松、氣孔、砂眼等鑄造缺陷，殘留于鑄鋼件內(nèi)部的微量氣體會逸散出來，所以一般認(rèn)為鑄件不會產(chǎn)生白點。

鑄件不如鍛件致密，有不同程度的疏松、小氣孔等缺陷，與晶體缺陷相比卻屬于較大空隙，溶解于金屬中的氫原子受溫度變化的影響，很容易析出并擴散到鄰近較大空隙中去，不會形成很大的氫分子壓力，也就不會產(chǎn)生“白點”。即使鑄件中的氫含量特別高，也不會產(chǎn)生明顯的氫脆現(xiàn)象，這是因為鑄件中的空隙相當(dāng)多，足以容納金屬中析出的氫原子，對材料性能的影響不大[3]。氫在金屬中造成的壓力決定于空隙的體積，變形(加工)后的金屬比鑄造的致密，所以鋼材和鍛件比鋼錠和鑄件易形成白點。鋼液在結(jié)晶凝固過程中由于濃度起伏、結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏，不可能在整個金屬體積中同時進(jìn)行結(jié)晶轉(zhuǎn)變。這種凝固結(jié)晶轉(zhuǎn)變的不均勻性和不一致性又會造成附加應(yīng)力，二者結(jié)合在一起會破壞鋼的完整性。不同的鋼種在不同的狀態(tài)下，當(dāng)達(dá)到一定的氫含量時，在不形成頸縮和沒有相對延伸率的情況下就會斷裂，完全失去了塑性，并在彈性范圍內(nèi)就發(fā)生斷裂[4]。而氫對鑄鋼也有類似影響，當(dāng)氫含量增加到5 ml/100 g(相當(dāng)于4.45 ppm)時金屬的塑性指標(biāo)最低[4]。鋼中白點起源于鋼材、鋼錠或鑄鋼中氫的存在及其較高的氫氣壓力，因為氫在鋼中的溶解度是隨著溫度的下降而急劇減少的，在鋼錠凝固后的冷卻過程中，鋼中的氫主要分布于顯微空隙和疏松之中，通常這些地方存在著很高的氫氣壓力，在100 ℃以下可達(dá)103～104個大氣壓，鋼中的氫與晶界、亞晶界、位錯、異相界面、夾雜物、纖維空隙和疏松等交互作用，導(dǎo)致這些地方更容易捕獲氫[5]。

在煉鋼過程中，經(jīng)常有氫氣、氧氣、氮氣溶入鋼液，這些氣體的來源主要有：爐料帶入、爐氣帶入、鋼包、冶煉用輔具以及鋼液周圍的氣體等。需要特別提出的是，空氣濕度對鋼中的氫含量有著明顯的影響。當(dāng)空氣濕度從0.0648 g/m3增加到0.3888 g/m3時，鋼中的氫含量從3 ppm增加到4 ppm[6]。中國一重集團有限公司統(tǒng)計了72爐氫含量的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在多雨的夏季煉出的鋼中氫含量最高，而干旱的冬春季煉出的鋼氫含量最低[7]。據(jù)研究，即使鋼中沒有“白點”，但氫含量增加時，一般拉伸試驗測得的塑性指標(biāo)(延伸率、斷面收縮率)明顯下降，而強度指標(biāo)沒有變化，這個現(xiàn)象稱為氫脆[7]。原始狀態(tài)無“白點”，但氫含量偏高的鋼試樣，在拉伸試驗過程中會產(chǎn)生所謂撕裂性白點(或稱白斑)，可作為應(yīng)力引起氫重新分布與聚集的證據(jù)[7]。

結(jié)合該大型殼體鑄鋼件的生產(chǎn)時段，正好是7月上旬，當(dāng)時連續(xù)多天潮濕多雨、空氣濕度大，鋼液中含氫量相比以往急劇增加，導(dǎo)致鑄鋼件中的氫含量偏高。

綜上所述，該大型殼體鑄鋼件本體拉伸試樣斷口上的“白色斑點”應(yīng)該是氫含量過高引起的，類似于鍛鋼件中的“白點”缺陷，從而導(dǎo)致塑性過低。

另外，以往對大型鑄鋼件力學(xué)性能檢測試樣并沒有明確要求必須從本體上套取，而是默認(rèn)采用符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11352—2009《一般工程用鑄造碳鋼件》中類型Ⅱ或類型Ⅲ的規(guī)定的單鑄試塊，單鑄試塊只需與原鑄鋼件同爐澆注、同爐熱處理即可。鍛件截面尺寸愈大，氫從鍛件中排除愈困難，在同一溫度下去氫所需時間與鋼坯直徑平方成正比[7]。所以，檢驗鑄鋼件力學(xué)性能的單鑄試塊加工成拉伸試樣，拉伸斷口上很少出現(xiàn)“白斑”斷口。

4 解決措施

綜合上述分析，結(jié)合鍛件鍛后擴氫退火的經(jīng)驗，該大型殼體鑄鋼件采用臺車式電阻爐進(jìn)行第二次正火(900±10 ℃保溫8 h后出爐、強制吹風(fēng)、空冷)+高溫回火(650±10 ℃保溫48 h后爐冷到250 ℃以下出爐空冷)，使晶粒細(xì)化、組織均勻，又達(dá)到了擴氫效果，降低了鑄件本體的氫含量。熱處理后，在鑄鋼件本體上再次套取試樣進(jìn)行復(fù)檢，檢測結(jié)果見表5，滿足了技術(shù)要求。拉伸試樣斷口呈“半杯錐狀”，有明顯的頸縮和剪切唇，鑄鋼件具有良好的塑性，如圖4所示。

圖4 ZG230-450大型殼體鑄鋼件合格拉伸斷口

表5 第二次熱處理后力學(xué)性能檢測結(jié)果