王 成

(甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

GH1040合金為固溶強(qiáng)化型鐵基高溫合金，主要用于800℃以下的燃燒室，700℃以下的渦輪盤(pán)、軸和緊固件[1,2]。GH1040合金采用中頻感應(yīng)熔煉-鍛造-軋制-拉拔工藝生產(chǎn)。在產(chǎn)品試制過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)熱軋后水冷的GH1040合金盤(pán)條表面出現(xiàn)了細(xì)小裂紋，筆者采用OEM、EPMA和EDS方法對(duì)GH1040合金盤(pán)條開(kāi)裂原因進(jìn)行了分析，并提出了改進(jìn)建議。

1 理化檢測(cè)結(jié)果

1.1化學(xué)成分

取經(jīng)過(guò)熱軋水冷的GH1040合金盤(pán)條進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分見(jiàn)表1。其化學(xué)成分符合GB/T 14992-2005的要求。對(duì)國(guó)標(biāo)中沒(méi)有規(guī)定的其他元素含量進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)Ti元素殘留量較高。

表1 GH1040合金盤(pán)條的化學(xué)成分及標(biāo)準(zhǔn)值 %

1.2顯微組織

對(duì)GH1040合金裂紋盤(pán)條進(jìn)行了金相顯微組織觀察。圖1a是未經(jīng)腐蝕的表面宏觀形貌，可見(jiàn)表面有明顯的向內(nèi)部擴(kuò)展的徑向裂紋；圖1b為經(jīng)過(guò)腐蝕后的金相組織，可見(jiàn)在金相顯微鏡下裂紋內(nèi)部有清晰可見(jiàn)的夾雜物，經(jīng)過(guò)熱軋后水冷的盤(pán)條出現(xiàn)明顯的纖維組織。

對(duì)圖1b中箭頭所指裂紋內(nèi)部的夾雜物進(jìn)行EDS分析(圖2)，可以看出圖1b中的夾雜物為T(mén)iN。

a. 腐蝕前 b.腐蝕后

圖2 裂紋處夾雜物EDS分析

軋制后產(chǎn)生的明顯纖維組織很可能是由于元素偏析引起的帶狀組織。對(duì)裂紋處進(jìn)行EPMA線掃描分析，由圖3可見(jiàn)在裂紋處C、Al、Si元素偏析較明顯。對(duì)裂紋附近進(jìn)行EPMA面掃描分析，結(jié)果同樣佐證了C、Al、Si元素偏析明顯的情況。

圖3 裂紋處EPMA線掃描分析

2 開(kāi)裂原因分析

經(jīng)過(guò)熱軋后水冷的GH1040合金盤(pán)條出現(xiàn)明顯的纖維組織，這是一種典型的帶狀組織。對(duì)于帶狀組織的形成機(jī)理，研究者的觀點(diǎn)基本一致，認(rèn)為是元素偏析造成的[3]，由于鑄錠在凝固過(guò)程中鋼中各元素的擴(kuò)散速度不一樣，容易產(chǎn)生枝晶偏析[4]。方坯在進(jìn)行軋制的時(shí)候，粗大的枝晶沿變形方向拉長(zhǎng)，并逐漸與變形方向一致，形成碳及合金元素的貧化帶與富化帶彼此交替堆疊的帶狀區(qū)。帶狀組織的存在使鋼的組織不均勻，并嚴(yán)重影響鋼材性能[5]，降低鋼的塑性[6]、沖擊韌性[7,8]、斷裂韌性[9]和斷面收縮率，造成冷彎不合格和沖壓廢品率高[10]，熱處理時(shí)鋼材容易變形、淬火開(kāi)裂[11]。研究表明，改善帶狀偏析的關(guān)鍵因素是控制其冷卻速度[12]。

TiN是一種高硬度的脆性?shī)A雜物[13,14]，在軋制過(guò)程中這種夾雜物發(fā)生碎裂。碎裂TiN中的微裂紋本身就是裂紋源，由于其規(guī)則的高硬度的棱角容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，因而也是GH1040合金盤(pán)條裂紋產(chǎn)生的主要因素。文獻(xiàn)[13]表明在相同的平均尺寸條件下，TiN的危害性比相應(yīng)的B類氧化物更大。對(duì)于脆性氧化物夾雜產(chǎn)生的危害可以通過(guò)氧化物夾雜形態(tài)控制技術(shù)加以解決，但對(duì)于鈦夾雜的性質(zhì)卻無(wú)法通過(guò)工藝技術(shù)手段加以改變。

3 結(jié)論

3.1經(jīng)過(guò)熱軋水冷后的GH1040合金盤(pán)條開(kāi)裂主要是由于元素的偏析而形成了帶狀組織，帶狀組織在經(jīng)過(guò)熱軋后水冷容易變形開(kāi)裂，因此控制好其冷卻速度十分重要。

3.2裂紋內(nèi)部有明顯的高硬度的脆性?shī)A雜TiN，這種夾雜物在軋制過(guò)程中會(huì)發(fā)生碎裂。這是經(jīng)過(guò)熱軋水冷后的GH1040合金盤(pán)條開(kāi)裂的主要裂紋源。特別是這種對(duì)氮含量有要求的合金中不應(yīng)使用Ti來(lái)細(xì)化晶粒，以避免產(chǎn)生TiN夾雜，可考慮加入混合稀土來(lái)細(xì)化晶粒。

[1] 柳學(xué)勝,蔡芳,方煒.電渣母材用GH1040合金的VOD精煉[J].鋼鐵,2002,37(6):12～14.

[2] 佟健,鄭志,寧禮奎，等.生產(chǎn)GH1040合金絲時(shí)的斷絲原因[J].機(jī)械工程材料,2009,33(5):70～72.

[3] 張延玲,劉海英,阮小江,等.中低碳齒輪鋼中合金元素的偏析行為及其對(duì)帶狀組織的影響[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009,31(z1):199～206.

[4] 方琪,孫偉,王丙興,等.分段冷卻工藝對(duì)C-Mn鋼中板帶狀組織的影響[J].軋鋼,2008,25(1):13～15，20.

[5] Ervasti E, Stahllberg U. Transversal Cracks and Their Behavioral the Hot Rolling of Steel Slabs[J].Joural of Materials Processing Technology, 2000,101(3):312～321.

[6] 王芳,袁書(shū)強(qiáng),田雨江,等.帶狀組織減輕或消除工藝研究現(xiàn)狀[J].熱加工工藝,2013,42(5):52～53,57.

[7] Sakir B A. Effect of Pearlite Banding on Mechanical Properties of Hot-rolled Steel Plates[J].ISIG International,1991,31(12):1445～1446.

[8] Shanmugan P, Pathk S D. Some Studies on the Impact Behavior of Banded Microalloyed Steel[J]. Engineering Fracture Mechanics,1996,53(6):991～1005.

[9] Ha J S, Fleury E. Small Punch Tests to Estimate the Mechanical Properties of Steels for Steam Power Plant:Ⅱ Fracture Toughness[J].Int.J.Pressure Vessels Pining,1998,75(9):707～713.

[10] 柳得櫓,邵偉然,孫賢文,等. 鋼的表面帶狀組織及其引起的冷彎裂紋[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),2005,27(1):40～44.

[11] 張迎暉,賴泓洲,趙鴻金.鋼中帶狀組織的研究現(xiàn)狀[J].軋鋼,2014,31(3):45～47.

[12] Grossterlinden R, Kawalla R, Lotter U. Formation of Pearlitic Banded Structures in Ferrite-Pearlite Steel[J].Steel Research,1992,63(8):331～335.

[13] 蔣躍東,薛正良,吳杰,等.82A鋼凝固過(guò)程中TiN夾雜物析出熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010,33(4):358～362.

[14] 高偉,繆新德,成國(guó)光,等.軸承鋼中TiN夾雜物控制工藝及理論研究[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,22(4):686～689.