張彭博 沙勇

(歐薩斯能源環(huán)境設(shè)備(南京)有限公司 南京 210058)

在工業(yè)鍋爐中，燃燒室傳動(dòng)裝置所用的傳動(dòng)軸、鏈輪、爐排片等輔機(jī)材料都被視為非受壓材料，鍋爐生產(chǎn)企業(yè)對(duì)此類材料(零部件)一般只進(jìn)行外觀尺寸檢驗(yàn)，不做深入控制。某公司購(gòu)進(jìn)一批傳動(dòng)裝置所用的鏈輪，在鍋爐安裝后使用時(shí)，接連發(fā)生鏈輪斷裂事故，給鍋爐用戶造成了很大經(jīng)濟(jì)損失，使公司的聲譽(yù)也受到了很大影響。對(duì)此事故，該公司組織相關(guān)人員對(duì)供應(yīng)廠家做了深入調(diào)查，并對(duì)鏈輪失效做了深入的檢驗(yàn)分析工作，將檢驗(yàn)結(jié)論反饋給廠商，同時(shí)給出了建議。廠商研究后接受了建議。經(jīng)過(guò)近一年多生產(chǎn)檢驗(yàn)，該型號(hào)鏈輪運(yùn)行穩(wěn)定，再未發(fā)生類似事故，取得了不錯(cuò)效益。

1 宏觀檢查

該公司選用的是ZG270-500牌號(hào)的十六角鏈輪，該材料為鑄造成型。對(duì)鏈輪進(jìn)行斷面檢驗(yàn)，整個(gè)斷面無(wú)金屬光澤，淺灰色，有堅(jiān)硬的棱角，類似碎石塊堆砌而成，為典型的石狀端口。另外斷面表面還存在許多光滑的坑穴，很明顯為氣孔，如圖1所示。

圖1 鏈輪斷裂面

2 化學(xué)分析

打磨去發(fā)生斷裂的鏈輪表面鐵銹和氧化皮，露出金屬光澤，用電鉆鉆取金屬鐵屑，按GB 223《鋼鐵及合金化學(xué)分析方法》的要求進(jìn)行化學(xué)分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1，從表1中可以看出發(fā)生斷裂鏈輪的化學(xué)成分滿足GB 11352—1989《一般工程用鑄造碳鋼件》中的ZG270—500牌號(hào)的要求。

表1 鏈輪化學(xué)成分 %

3 沖擊試驗(yàn)

由于斷裂試樣尺寸過(guò)小，受鏈輪形狀限制，無(wú)法加工拉伸試樣，試驗(yàn)采用測(cè)量材料的沖擊功的方法來(lái)反映材料的力學(xué)性能。

經(jīng)取樣加工成10×10×55，V型缺口，按GB/T 299—2007《金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)，其室溫沖擊功為8J、6J、5J。試驗(yàn)結(jié)果遠(yuǎn)小于GB 11352—1989中ZG270—500牌號(hào)的沖擊功Akv不小于22J的要求。

4 金相檢驗(yàn)

4.1 非金屬夾雜物

對(duì)試樣按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)方論法》進(jìn)行非金屬夾雜物檢查。發(fā)現(xiàn)除少量的灰黑色小點(diǎn)為氧化物夾雜，未見(jiàn)其它夾雜。

4.2 顯微組織

材料顯微組織為：粗片狀珠光體+網(wǎng)狀鐵素體+針狀鐵素體，如圖2和圖3所示。網(wǎng)狀鐵素體沿著片狀珠光體晶界分布，在晶界處鐵素體呈粗針狀并排向晶粒內(nèi)部生長(zhǎng)，鐵素體分布在珠光體基體上的組織稱為魏氏體。依據(jù)GB/T 13299—1991《鋼的顯微組織評(píng)定方法》，該鑄件材料的魏氏體評(píng)定為A4級(jí)。根據(jù)GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》，該材料晶粒度評(píng)為0.5/1.0級(jí)，如圖2所示。

圖2 材料顯微組織圖(100×)

圖3 材料顯微組織圖(500×)

另外根據(jù)GB 224—2008《鋼的脫碳層深度測(cè)定法》，該試樣表層脫碳比較嚴(yán)重，脫碳層深度達(dá)0.4mm之多。脫碳情況如圖4所示。

圖4 材料顯微組織圖(100×)

5 組織分析

鑄鋼的熔點(diǎn)較高，鋼液易氧化，鋼水的流動(dòng)性差，收縮大。為防止鑄鋼件因鋼液流動(dòng)性差而產(chǎn)生的冷隔和澆鑄不足，鑄造時(shí)都會(huì)適當(dāng)提高澆注溫度，一般約1500～1600℃。因澆注溫度高，鋼水的過(guò)熱度大，保持液態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)，流動(dòng)性可得到改善。但是澆注溫度過(guò)高，冷卻緩慢，使得鑄態(tài)組織的晶粒十分粗大，一般晶粒度大于1.0級(jí)，而且鑄態(tài)組織中常出現(xiàn)嚴(yán)重的魏氏組織，這是由于鑄鋼凝固溫度很高，并在1495℃附近產(chǎn)生包晶反應(yīng)形成奧氏體，鑄件由于奧氏體形成溫度高，晶粒十分粗大，在冷卻通過(guò)GS線時(shí)，先析出鐵素體，然后進(jìn)一步冷卻通過(guò)PS線時(shí)析出珠光體[1]。由于奧氏體晶粒粗大，可供鐵素體析出的晶界減少，所以鐵素體除了在晶界上呈針塊狀析出外，另一部分呈針狀或者短棒狀向晶內(nèi)析出，形成魏氏組織，使得鑄件脆性很大。同時(shí)鑄態(tài)也存在很大的鑄造應(yīng)力，使得鑄件脆性進(jìn)一步增大。

網(wǎng)狀鐵素體主要也是因?yàn)闇囟冗^(guò)高，冷卻速度過(guò)慢所引起的，網(wǎng)狀鐵素體能顯著降低鋼的力學(xué)性能。

鋼鑄件表面的氧化和脫碳是鐵和碳同周圍介質(zhì)作用的結(jié)果，金屬液澆注充型冷卻緩慢，鑄件長(zhǎng)時(shí)間處于高溫環(huán)境下，型腔內(nèi)的空氣，以及型腔材料孔隙中存儲(chǔ)的氣氛等因素都會(huì)促使鑄件表面的氧化和脫碳。脫碳的存在，使得鑄件表面硬度降低，疲勞強(qiáng)度也大為降低。

鑄件由于形狀比較復(fù)雜，各部位冷卻先后次序不同，因此凝固過(guò)程是通過(guò)若干區(qū)域先后結(jié)晶來(lái)完成的，最后造成了區(qū)域性的成分不均勻和組織不一致。鑄件凝固時(shí)的冷卻速度越快，成分偏析和組織不均勻性的程度越嚴(yán)重。由于鑄件晶界處為最后的凝固區(qū)域，因而常會(huì)有顯微縮孔和夾雜物在此集聚，形成比較脆弱的界面。因此，該鏈輪鑄件的斷裂方式主要是沿晶斷裂，看到的斷面形貌黑灰色，無(wú)金屬光澤。

6 檢驗(yàn)結(jié)論

綜合以上檢驗(yàn)結(jié)果，可以看出，該鏈輪化學(xué)成分合格，非金屬夾雜物以極少量小點(diǎn)狀氧化物為主。斷口檢驗(yàn)表明鏈輪為石狀斷口，材料的塑性、韌性降低，表明材料已經(jīng)嚴(yán)重過(guò)熱。沖擊試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了材料的韌性已經(jīng)很低。金相顯微組織檢驗(yàn)結(jié)果表明，粗大的珠光體+網(wǎng)狀鐵素體+魏氏組織是導(dǎo)致材料脆性增大, 塑性、韌性降低的根本原因。同時(shí)顯微組織檢查結(jié)果也進(jìn)一步明確了材料嚴(yán)重過(guò)熱，這是導(dǎo)致鑄造鏈輪斷裂的根本原因。

7 改善措施

針對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果，對(duì)鏈輪生產(chǎn)工藝提出了幾點(diǎn)改進(jìn)意見(jiàn)。

1)對(duì)組織粗大問(wèn)題，調(diào)整熔煉脫氧方式，資料[2]顯示，熔煉過(guò)程中采用鋁進(jìn)行終端脫氧比采用硅和錳脫氧時(shí)，一次結(jié)晶和二次結(jié)晶晶粒都將細(xì)化。另外，盡可能改善鑄型散熱條件也是減小晶粒粗大的比較有效措施。

2)減少防止脫碳的方法主要是設(shè)法用還原性氣氛代替氧化性氣氛，可行的辦法如：(1)在填砂中加木炭(10%，粒度不大于8)或滲碳劑等，使它們?cè)诟邷叵路磻?yīng)生成CO；(2)在制殼過(guò)程中，在型殼周圍涂上一層CO生成物質(zhì)，如石墨粉等。

3)采用完全退火或者正火處理。為了改善鑄態(tài)的粗大組織，細(xì)化晶粒，消除粗大的魏氏組織，減少成分偏析，消除鑄造應(yīng)力。鑄鋼件澆注成型后，常采用完全退火或者正火處理。

鑄鋼由于成分偏析，完全退火或正火溫度都比較高，一般是AC3以上50～70℃之間。對(duì)于鑄件中粗大的鑄造組織，當(dāng)一次正火不能達(dá)到細(xì)化組織的目的時(shí)，可以采用二次正火，可獲得良好的組織結(jié)果。第一次正火在高于AC3以上150～200℃的溫度加熱，以擴(kuò)散辦法消除粗大的組織，使成分均勻；第二次正火以普通條件進(jìn)行，目的是細(xì)化組織，改善性能。

8 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)該事故進(jìn)行了全面的分析，盡管相關(guān)規(guī)程未作強(qiáng)制檢驗(yàn)要求，但作為鍋爐本體的配套件，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響著鍋爐使用客戶對(duì)相關(guān)鍋爐制造廠家提供的鍋爐產(chǎn)品的整體形象。希望通過(guò)本文能引起廣大鍋爐制造企業(yè)對(duì)非受壓材料(部件)的重視。

[1]機(jī)械工業(yè)理化檢驗(yàn)人員技術(shù)培訓(xùn)和資格鑒定委員會(huì)編.金相檢驗(yàn)[M].上海:上?？茖W(xué)普及出版社，2003.

[2]傅恒志，等.鑄鋼和鑄造高溫合金及其熔煉[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，1985.