張智杰 劉 賀 王 杰

(中國(guó)第一重型機(jī)械股份公司，黑龍江161042)

一根出口巴西材質(zhì)為30Mn6鋼(0.02%Nb)的傳動(dòng)輥，經(jīng)冶煉、鍛造、預(yù)備熱處理后，超聲波探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)在1/2R處有大量>?3 mm的密集型超標(biāo)準(zhǔn)缺陷。為確定缺陷性質(zhì)，在靠冒口端有代表性部位切取一塊約600 mm×200 mm×20 mm的低倍試片，利用金相檢驗(yàn)等手段進(jìn)行全面分析，最終依據(jù)掃描電鏡微觀(guān)斷口分析和能譜夾雜成分含量及普通光鏡分析等檢測(cè)手段，認(rèn)定該缺陷是在鍛造后期大量未完全溶入到奧氏體中的NbC夾雜所導(dǎo)致的密集性顯微裂紋所致。

1 檢測(cè)方法和結(jié)果

1.1 低倍檢驗(yàn)

(1)酸洗檢驗(yàn)。經(jīng)檢查在1/2R處點(diǎn)狀?yuàn)A雜偏析較為嚴(yán)重(見(jiàn)圖1)。用放大鏡仔細(xì)觀(guān)察后發(fā)現(xiàn)，在多數(shù)偏析點(diǎn)上有時(shí)斷時(shí)續(xù)長(zhǎng)短不一的針孔狀細(xì)小裂紋，白點(diǎn)裂紋的特征不十分明顯。點(diǎn)狀偏析3級(jí)，一般疏松1級(jí)，除此之外，未發(fā)現(xiàn)其它低倍缺陷。

(2)宏觀(guān)斷口檢驗(yàn)。4塊宏觀(guān)斷口形貌均屬細(xì)結(jié)晶狀斷裂，兩塊在1/2R處折斷的斷口成分偏析較為嚴(yán)重(見(jiàn)圖2)。

1.2 高倍檢驗(yàn)

(1)夾雜物檢驗(yàn)。拋光后發(fā)現(xiàn)局部有大量密集型夾雜物，其中有縱向?yàn)辄c(diǎn)狀、橫向?yàn)殚L(zhǎng)條狀呈紅黃合成的橙色NbC夾雜。同時(shí)也有沿縱向分布的大量MnS夾雜(見(jiàn)圖3、圖4、圖5)。硫化物粗系2級(jí)，硅酸鹽和氧化鋁各為細(xì)系0.5級(jí)。

圖1 酸洗后1/2R處的密集型點(diǎn)狀偏析Figure 1 The cluster shape of segregation in scattered spots on 1/2R position after pickling

圖2 宏觀(guān)斷口處的偏析條帶Figure 2 The segregation strip on macro fracture

圖3 橫向裂紋處的NbC夾雜Figure 3 NbC inclusion on transverse crack

圖4 橫向裂紋處的MnS夾雜Figure 4 MnS inclusion on transverse crack

圖5 縱向分布的NbC和硫化物夾雜Figure 5 NbC in longitudinal distribution and sulphide inclusion

(2)顯微裂紋檢驗(yàn)。在橫向金相試樣表面，發(fā)現(xiàn)有多條長(zhǎng)度約在1 mm～2 mm范圍內(nèi)的夾雜性顯微裂紋。其特征為：寬度略粗的內(nèi)部有一定數(shù)量的填充物，后經(jīng)掃描電鏡定性分析，兩側(cè)和大量的內(nèi)部填充物均屬NbC和MnS夾雜。

(3)組織檢驗(yàn)。該組織為珠光體+鐵素體，帶狀組織偏析較為嚴(yán)重，珠光體團(tuán)之間存在有網(wǎng)狀鐵素體。顯微裂紋多數(shù)穿越晶界但也有沿晶分布的特征。

1.3 掃描電鏡檢驗(yàn)

(1)斷口檢驗(yàn)。微觀(guān)斷口形貌為解理斷裂，高倍數(shù)下觀(guān)察裂紋處呈密集型聚集的NbC和Mn S夾雜較多，尺寸多在3 mm以上(見(jiàn)圖6、圖7)。

(2)能譜分析。缺陷部位Fe、Nb、Mn、S、C等元素含量較高，夾雜物主要以NbC和MnS為主(見(jiàn)圖8、圖9)。

2 分析和討論

鈮在周期表中和鉭、釩同族，和釩、鈦、鋯相似，在鋼中的主要作用是細(xì)化晶粒和提高晶粒粗化溫度。鈮和碳、氮、氧有極強(qiáng)的親和力，可與之形成極為穩(wěn)定的NbC和Nb2C等碳化物。特點(diǎn)是在γ-鐵和α-鐵中的溶解度都比較小，并隨著溫度的下降而較快的下降。如在鋼中加入0.05%微量的鈮就足以細(xì)化晶粒，可使晶粒粗化溫度提高到1 050℃以上。從鈮含量分別為0.2%和1.0%垂直截面的平衡相圖中可以看出，鈮雖然使A1點(diǎn)有所降低，卻使A3點(diǎn)大為提高(見(jiàn)圖10)。再以碳含量為0.35%、鈮含量分別為0.012%和0.35%的兩種鋼用兩種溫度進(jìn)行淬火試驗(yàn)為例。在899℃淬火時(shí)，含Nb的鋼比不含Nb的鋼淬透性還要低，其原因是由于淬火溫度過(guò)低，鋼中的鈮主要以碳化物的狀態(tài)存在，因它固定了鋼中的碳，除自身不能發(fā)揮作用外，反而使碳也不能發(fā)揮作用。這變相的造成奧氏體中Nb和C的相對(duì)貧化，因而導(dǎo)致淬火后各項(xiàng)性能指標(biāo)的相對(duì)較低。若將淬火溫度提高到1 093℃時(shí)則情形恰好相反。由于大部分的Nb固溶入奧氏體，既發(fā)揮了合金元素提高淬透性的作用又釋放了大部分的碳，使合金淬火后的基體強(qiáng)度得以提高(見(jiàn)圖11)。從以上兩組試驗(yàn)可以看出，由于鈮合金的熔點(diǎn)比較高，加鈮的碳化物又比較難以溶入奧氏體，所以在熱處理時(shí)適當(dāng)?shù)奶岣呒訜釡囟群脱娱L(zhǎng)保溫時(shí)間是充分發(fā)揮鈮元素作用的關(guān)鍵。

圖6 裂紋處NbC的夾雜微觀(guān)形貌Figure 6 The microstructure of NbC inclusion on crack

圖7 裂紋處的MnS的夾雜微觀(guān)形貌Figure 7 The microstructure of MnS inclusion on crack

圖8 MnS夾雜形貌及能譜成分分析Figure 8 MnS inclusion appearance and energy spectrum composition analysis

圖9 NbC夾雜形貌及能譜成分分析Figure 9 NbC inclusion appearance and energy spectrum composition analysis

金相分析發(fā)現(xiàn)，密集性缺陷的形成主要與3個(gè)因素有關(guān)。

(1)夾雜致廢的可能性

因?yàn)殁壢埸c(diǎn)高和不易溶入奧氏體，所以熱處理時(shí)必須大幅提高淬火溫度和延長(zhǎng)保溫時(shí)間，使Nb和C充分溶入奧氏體并使基體得到強(qiáng)化，才能保證構(gòu)件質(zhì)量。從我們檢測(cè)的15件縱向試樣和15件橫向試樣的總體情況看，發(fā)現(xiàn)一個(gè)客觀(guān)規(guī)律，即與V、W、Mo的碳化物相比，NbC夾雜物的顆粒較大，分布形態(tài)恰好與硫化物相反，縱向看呈點(diǎn)狀，橫向看多數(shù)為大的長(zhǎng)條形塊狀，多在10 μm×(30～50)μm之間，在局部范圍內(nèi)呈密集型特征分布。多數(shù)裂紋中間段和NbC延伸方向重合一致。就危害性而言，硬而脆的大塊狀NbC夾雜物切斷了金屬基體的連續(xù)性，周邊富集的氫含量也較高，兩者必將造成金屬原子和晶粒之間的結(jié)合力下降，鍛造時(shí)因兩者塑變抗力不一致導(dǎo)致應(yīng)力集中而產(chǎn)生顯微裂紋的可能性極高。長(zhǎng)條型的NbC夾雜物在鋼中呈橫向分布，這恰好與熱處理時(shí)所產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力相垂直，在這些因素的綜合作用下可能加速顯微裂紋的萌生和鍛后已有裂紋的繼續(xù)延伸和擴(kuò)展。

圖10 鈮含量分別為0.2%和1.0%時(shí)鋼的垂直截面平衡相圖Figure 10 The vertical section equilibrium phase diagram of steel when niobium content is 0.2% and 1.0%

圖11 不同淬火溫度下含碳量0.35%和不同鈮含量鋼的淬透性曲線(xiàn)Figure 11 The hardenability curve of steels with 0.35% carbon content and different niobium contents under different quenching temperature

(2)熱脆致廢的可能性

Mn是很好的脫氧劑和脫硫劑，優(yōu)點(diǎn)是能降低因硫所引起的熱脆性，缺點(diǎn)是含量較高時(shí)有使晶粒粗化和增加回火脆性的傾向，冶煉澆鑄和鍛軋后冷卻不當(dāng)時(shí)容易產(chǎn)生白點(diǎn)。

S以硫化鐵(FeS)的形式存在于鋼內(nèi)，結(jié)晶過(guò)程中FeS分布在晶粒的周?chē)?，?dāng)鋼在800～1 200℃左右的溫度下進(jìn)行壓軋和鍛造時(shí)，由于FeS的塑性不足或熔化，常導(dǎo)致沿晶界的開(kāi)裂。

有時(shí)，鋼中含硫量雖不高，由于加熱的選擇性氧化，使硫在表層富集，也會(huì)引起熱脆。氧化使MnS轉(zhuǎn)變成MnO，同時(shí)Fe與S結(jié)合生成FeS，形成FeS-FeO低熔點(diǎn)液相，這些液相沿著晶界向內(nèi)滲入而引起熱脆。

從顯微裂紋的形態(tài)特征上看，同一根裂紋有粗細(xì)不同長(zhǎng)短不一的特征，粗裂紋處顏色較深，略呈張開(kāi)形。經(jīng)電鏡成分分析，發(fā)現(xiàn)裂紋內(nèi)部Mn、Nb、S、C含量較高。因低熔點(diǎn)共晶體FeS在鋼錠凝固后期沿晶界析出，所以該裂紋在鍛造時(shí)容易造成FeS沿晶界熔化，有引起因晶間結(jié)合力降低而導(dǎo)致熱脆裂紋的可能性。但典型熱脆斷口的微觀(guān)形貌特征是裂紋相對(duì)較寬且兩側(cè)較為圓滑并沿晶界分布。從總的檢測(cè)結(jié)果看以上特征并不明顯。

(3)氫脆致廢的可能性

氫和組織應(yīng)力是形成白點(diǎn)的兩個(gè)主要因素。從電鏡的高倍顯微斷口上看，局部區(qū)域有因二次裂紋形成的小碎塊跡象，略帶有白點(diǎn)的顯微特征，但不明顯。理論上，傳動(dòng)輥噸位較小，又屬珠光體組織，氫和組織應(yīng)力相對(duì)較低，氫致脆的可能性不大。

3 結(jié)論

(1)缺陷主要是因?yàn)殇撝写罅抗倘懿煌耆腘bC所形成的夾雜性顯微裂紋所致。不能完全排除MnS和FeS夾雜引起熱脆致廢的可能性，但氫脆致廢的可能性較小。

(2)采用合理的熱加工工藝，如合適的鍛比、變形程度及壓下量，減少成分偏析，盡量使MnS在鋼中均勻分布，熱處理時(shí)確保NbC充分溶入奧氏體基體，細(xì)化晶粒和減少應(yīng)力集中，是防止產(chǎn)生顯微裂紋的有效措施。

(3)為提升產(chǎn)品質(zhì)量，建議以Mo代替Nb，既能細(xì)化晶粒又可起到減少成分偏析和顯微裂紋的多重作用。

[1] 冶金部鋼鐵研究院主編.合金鋼手冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社.

[2] 李炯輝主編.金相材料金相圖譜.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.