劉鐵山 宋亞虎 程書(shū)海 王 博 郭亞森 孫勝偉 劉秋堂

(中信重工機(jī)械股份有限公司計(jì)量檢測(cè)中心，河南471039)

托輪軸是回轉(zhuǎn)窯類(lèi)承托部分的重要部件。托輪軸作為公司批量生產(chǎn)的重點(diǎn)產(chǎn)品，近期連續(xù)發(fā)生多起質(zhì)量事故。為了弄清缺陷的性質(zhì)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，我們對(duì)一直徑 860 mm托輪軸進(jìn)行解剖定性分析。

托輪軸材質(zhì)為35CrMo，凈重14.4 t，采用25 t鋼錠作為毛坯。加工流程為：冶煉、澆注→鍛造→鍛后熱處理→粗加工→超聲檢測(cè)→調(diào)質(zhì)處理→半精加工→超聲檢測(cè)→精加工→磁粉檢測(cè)→尺寸及目視檢查→標(biāo)記、包裝、發(fā)運(yùn)。托輪軸在粗加工后進(jìn)行初探時(shí)未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。調(diào)質(zhì)半精加工后進(jìn)行第二次檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有嚴(yán)重超標(biāo)分散性缺陷，主要集中在軸身最大截面處心部。定位后切片做著色檢測(cè)，在距邊緣250 mm內(nèi)圓里有多條色痕顯示。

1 理化分析

1.1 低倍試驗(yàn)

將試片磨制后熱酸蝕，停置一定時(shí)間后觀察，可見(jiàn)試片上存在點(diǎn)狀偏析，偏析點(diǎn)分布在整個(gè)截面上，偏析點(diǎn)較小但數(shù)量多而密集。另外，在偏析區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)有多條長(zhǎng)短不一、呈鋸齒狀的細(xì)裂紋。低倍試片宏觀形貌如圖1所示。

1.2 宏觀斷口分析

沿橫向試片偏析區(qū)背面開(kāi)槽壓斷口，斷口為結(jié)晶狀，其宏觀形貌見(jiàn)圖2。在試片的縱向斷口上發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)銀灰色的斑點(diǎn)，初步認(rèn)定為白點(diǎn)缺陷[1]。另外，在斷口上未發(fā)現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的疏松、裂紋、夾雜等其它缺陷。

1.3 化學(xué)分析

在試片上取一試樣，用直讀光譜儀測(cè)定其化學(xué)成分，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 低倍試片宏觀形貌Figure 1 Macro appearance in macroscopic specimens

圖2 斷口宏觀形貌Figure 2 Macro appearance of the fracture

CSiMnSPCrMo測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)值0.380.32～0.40.250.17～0.370.50.40～0.700.004≤0.0350.008≤0.0350.890.80～1.100.170.15～0.25

從表1可知，試樣的化學(xué)成分符合JB/T 6396—2006 大型合金鋼鍛件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.4 金相分析

在裂紋處取金相試樣，經(jīng)磨制、拋光后，在金相顯微鏡下觀察，裂紋呈鋸齒狀，末端有分支，其微觀形貌如圖3、圖4所示。經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后觀察，裂紋分布在偏析帶上，見(jiàn)圖5。裂紋穿晶及沿晶混合型擴(kuò)展，裂紋兩側(cè)未發(fā)現(xiàn)氧化脫碳及夾雜物，基體組織為鐵素體+珠光體，如圖6所示。在試樣的縱向面上按照GB/T 10561—2005進(jìn)行非金屬夾雜物評(píng)定，夾雜物評(píng)定結(jié)果均不超過(guò)1.0，非金屬夾雜物不超標(biāo)。

1.5 電鏡分析

在斷口灰斑區(qū)取一試樣置于電鏡下進(jìn)行觀察，灰斑區(qū)低倍形貌見(jiàn)圖7?；野邊^(qū)斷口為穿晶及沿晶斷口形貌，見(jiàn)圖8。進(jìn)一步放大觀察，在灰斑區(qū)發(fā)現(xiàn)碎條狀準(zhǔn)解理形貌特征(圖9)，屬典型的氫損傷缺陷——白點(diǎn)微觀形貌[2]。正常斷裂區(qū)為解理斷裂形貌，見(jiàn)圖10。另外，在斷口上未發(fā)現(xiàn)疏松、夾雜等其它缺陷。

2 分析與討論

通過(guò)理化檢驗(yàn)分析可知，托輪軸化學(xué)成分符合JB/T 6396—2006中的技術(shù)要求。非金屬夾雜物不超標(biāo)，可排除由于夾雜物產(chǎn)生裂紋的可能性。

低倍下試片上存在點(diǎn)狀偏析和鋸齒狀裂紋。高倍下裂紋穿晶及沿晶混合型擴(kuò)展，分布在偏析區(qū)內(nèi)。另外，在其縱向斷口上存在銀灰色的斑點(diǎn)。經(jīng)電鏡進(jìn)一步分析可知，銀灰色的斑點(diǎn)具有碎條狀準(zhǔn)解理形貌特征。綜合以上分析，可以確定試片上裂紋缺陷性質(zhì)為白點(diǎn)。

圖3 裂紋形貌(25×) 圖4 裂紋形貌(100×)

Figure 3 Crack appearance Figure 4 Crack appearance

圖5 裂紋分布在偏析帶上(25×)圖6 裂紋穿晶及沿晶擴(kuò)展(100×)

Figure 5 Crack distributed in segregation belt Figure 6 Crack extending in transgranular and intergranular

圖7 灰斑區(qū)低倍形貌(8.3×)圖8 沿晶及穿晶斷口形貌(210×)

Figure 7 Macro appearance of the grey color spots Figure 8 Fracture appearance in transgranular and intergranular

圖9 碎條狀準(zhǔn)解理形貌(560×) 圖10 正常區(qū)解理形貌(500×)

Figure 9 Broken strip shaped quasi cleavage morphology Figure 10 Cleavage appearance of normal zone

點(diǎn)狀偏析形成主要與澆鑄條件和鋼液的質(zhì)量有關(guān)，鋼液中氣體過(guò)飽和析出，鋼液粘稠未能及時(shí)上浮而引起易偏析的元素局部集聚，形成點(diǎn)狀偏析[3]。點(diǎn)狀偏析增加內(nèi)部的組織應(yīng)力，對(duì)產(chǎn)生其它的內(nèi)部缺陷有誘導(dǎo)作用。

白點(diǎn)缺陷的形成，是由鋼中氫含量過(guò)多和內(nèi)應(yīng)力共同作用造成的[4]。一方面是由于鋼中含氫量過(guò)高，經(jīng)熱加工變形后，在冷卻過(guò)程中析出的氫分子來(lái)不及逸出，產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，所以增大了白點(diǎn)裂紋產(chǎn)生的傾向。另一方面，在鋼錠澆注過(guò)程中出現(xiàn)了點(diǎn)狀偏析，成分偏析使奧氏體冷卻的轉(zhuǎn)變發(fā)生先后的差別，碳和合金元素富集的偏析區(qū)，轉(zhuǎn)變遲于周?chē)?。由于氫在奧氏體中有較高的溶解度，先轉(zhuǎn)變區(qū)排出的氫聚集在未轉(zhuǎn)變的偏析區(qū)，造成氫的局部富集，在偏析區(qū)附近形成應(yīng)力峰值[5]。這些都使白點(diǎn)在偏析區(qū)形成的傾向增大，托輪軸中的白點(diǎn)分布在偏析區(qū)的原因就在于此。

白點(diǎn)裂紋產(chǎn)生后，由于在后期的調(diào)質(zhì)過(guò)程中心部會(huì)產(chǎn)生巨大的拉應(yīng)力，白點(diǎn)裂紋在心部拉應(yīng)力的作用下進(jìn)行擴(kuò)展，這就是托輪軸在第一次檢測(cè)時(shí)缺陷當(dāng)量未超標(biāo)，調(diào)質(zhì)后再次檢測(cè)發(fā)現(xiàn)報(bào)廢性缺陷的原因。

3 結(jié)論

35CrMo鋼托輪軸鍛件的缺陷性質(zhì)為分布在偏析區(qū)內(nèi)的白點(diǎn)。為了防止偏析區(qū)內(nèi)白點(diǎn)的產(chǎn)生，應(yīng)采取以下措施：

(1)采用雙真空澆注，最大限度地去除鋼中的氣體；

(2)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行鍛后熱處理，確定合理的去氫退化規(guī)范。

[1] 姚鐵光.大鍛件中白點(diǎn)的進(jìn)一步探討[J].大型鑄鍛件，1996.

[2] 牟小維，孫梅紅.氫損傷缺陷分析[J].天津冶金，2007.

[3] 曾文濤.谷強(qiáng).對(duì)使用低倍評(píng)級(jí)圖評(píng)定低倍缺陷“點(diǎn)狀偏析”的看法[J].冶金標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，1999.

[4] 趙瓊，劉占存.白點(diǎn)的檢測(cè)、形成原因與預(yù)防[J].一重技術(shù)，2005.

[5] 龐鈞.大型鑄鍛件缺陷分析圖譜[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1990.