ZGCr4鑄鋼支承輥輥頸圓周裂紋檢驗分析

乙繼海 邵奎祥

(1. 中國第一重型機械股份公司鑄鍛鋼事業部，黑龍江161042；2. 天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

一支材質為ZGCr4的鑄鋼支承輥，精加工后發現其冒口端輥頸凹槽內角部表面有一條圓周裂紋。探傷結果顯示：整個圓周裂紋已基本裂透，只有局部少量的連接。裂紋面中間部位略向輥身方向凸出，而裂紋面中心部位又反向凹進。輥頸圓周裂紋的出現直接導致該鑄鋼支承輥報廢。為避免今后在鑄鋼支承輥生產中出現類似的廢品缺陷，運用化學分析、光學顯微鏡和掃描電鏡等檢測手段對廢品件進行解剖分析，以找出支承輥輥頸表面出現圓周裂紋的原因。

1 宏觀斷口觀察

鑄鋼支承輥輥頸表面圓周裂紋基本位于凹槽內靠近輥身方向的端角部位，見圖1。經測量，輥頸端面直徑為530 mm，凹槽距離端面為72 mm，凹槽寬度為50 mm，圓周裂紋距離端面110 mm～122 mm。

圖1 ZGCr4鑄鋼支承輥輥頸圓周裂紋部位示意圖Figure 1 The schematic diagram of circumferential crack position in ZGCr45 cast steel backup roller

考慮到沿圓周裂紋打開整個輥頸斷口較為困難，而采取套料取樣的方法較為容易，在輥頸端部靠近邊部位置分別套取4個?30 mm×180 mm的套料棒，分別編號為1、2、3和4；在輥頸端部靠近心部位置分別套取兩個?30 mm×180 mm的套料棒，分別編號為5和6。所取6支套料棒均已經過圓周裂紋面變為兩半，其斷口形貌見圖2～圖4，說明裂紋已擴展到套料部位。從圖2～圖4中可以看出：1～4號宏觀斷口形貌相同，主要呈瓷狀，同時有少量的銀白色亮區。靠近心部的5號和6號宏觀斷口中銀白色亮區增多，其中5號斷口中銀白色亮區的比例已接近瓷狀區域。

僅觀察上述套料棒圓周裂紋斷口無法得到整個輥頸圓周裂紋斷口信息，特別是裂紋源的信息。決定將帶有圓周裂紋的輥頸段(長217 mm)鋸切下，然后用鍛壓機將輥頸段沿圓周裂紋壓開來取得斷口， 見圖5，其整個斷口形貌見圖6。斷口從心部向外呈放射狀擴展形貌，說明裂紋源于輥頸斷口心部，進一步觀察發現裂紋源不是心部的某一點而是整個心部區域。該區域斷口形態較為特殊，成銀白色，局部區域有沿樹枝晶開裂的特征，見圖7。初步判斷斷口心部為沿晶開裂，在斷口心部取樣進行微觀斷口觀察和化學分析。

2 化學分析

分別在上述6個套料棒靠近圓周裂紋斷口部位和斷口中心點部位取樣進行化學分析，其結果見表1。

從表1可以看出：由于是冒口端，斷口各部位碳含量嚴重超標，并且從斷口邊部到中心碳含量逐漸提高，心部碳含量竟高達1.16%，形成非常嚴重的中心碳偏析；斷口各部位磷含量嚴重超標，并且斷口中心部位的磷含量比邊部的高，磷是提高鋼的冷脆性元素；斷口各部位鎳含量嚴重超標，但分布較為均勻。

圖2 圓周裂紋面在1號和2號套料部位形貌 圖3 圓周裂紋面在3號和4號套料部位形貌Figure 2 The circumferential crack appearance Figure 3 The circumferential crack appearancein No.1 and No.2 drilling specimen in No.3 and No.4 drilling specimen

圖4 圓周裂紋面在5號和6號套料部位形貌 圖5 輥頸鋸切段沿圓周裂紋壓開后斷口形貌 Figure 4 The circumferential crack appearance Figure 5 The fracture appearance after press tearing along in No.5 and No.6 drilling specimen circumferential crack in roller neck sawed section

圖6 輥頸圓周裂紋宏觀斷口及套料取樣部位形貌 圖7 輥頸圓周裂紋宏觀斷口裂紋源區域形貌 Figure 6 The macro fracture and circumferential crack Figure 7 The appearance of crack source area in macroappearance in drilling specimen position of roller neck fracture of roller neck circumferential crack

編號CSiMnPSCrNiMoVCuAsSnSb123456中心點0.600.680.690.700.860.771.160.530.540.540.540.550.560.580.540.550.550.560.570.550.550.0240.0230.0210.0220.0280.0270.0290.002 50.002 90.003 00.002 80.003 70.003 50.003 43.673.813.753.853.933.874.180.750.760.750.760.750.760.760.480.510.510.480.500.550.480.110.110.110.130.120.120.120.050.050.050.060.060.050.050.0080.0080.0090.0100.0120.0100.0100.0140.0170.0190.0190.0230.0210.0190.001 60.001 70.002 20.002 30.003 10.002 70.002 0標準范圍0.40～0.500.40～0.700.60～0.80≤0.015≤0.0153.50～4.500.40～0.600.40～0.700.05～0.15

3 沖擊試驗

在4號和5號套料棒上各取兩個沖擊試樣，開U形缺口。其試驗結果為：4號試樣沖擊功5 J，3 J；5號試樣沖擊功2 J，3 J。

4 顯微斷口觀察

取6個套料圓周裂紋斷口樣及中心斷口樣在掃描電鏡下觀察，其宏觀斷口中瓷狀區域微觀形態呈韌窩狀，但韌窩非常淺(見圖8)，其宏觀斷口中銀白色區域微觀形態呈沿晶+顯微孔隙自由面(見圖9、圖10)。顯微孔隙自由面上有花紋(見圖11)。經能譜儀分析(見圖12)，其條形花紋為碳化物。除此外均呈沿晶斷口形態，而且晶界面上有條紋細節特征(見圖13)，能譜儀分析其條紋均為碳化物。

5 金相觀察

在4號和5號斷口樣側面打磨拋光到有宏觀斷口中銀白色區域。在光學顯微鏡下，其疏松孔洞形貌見圖14。經4%硝酸酒精溶液浸蝕后，疏松孔洞與組織對應形貌見圖15。有的疏松孔洞之間有沿晶分布的一次碳化物相連。該區域有較為嚴重的共晶碳化物和沿晶呈網狀分布的一次碳化物(見圖16)，進一步說明輥頸心部碳偏析非常嚴重。在金相面上也發現有沿晶裂紋，見圖17。

圖8 韌窩狀斷口形態圖9 疏松孔洞微觀形貌Figure 8 The fracture appearance with strong nest Figure 9 The micro appearance of porosity

圖10 疏松孔洞微觀形貌圖11 疏松孔洞自由面上花紋形貌Figure 10 The micro appearance of porosity Figure 11 The pattern of porosity free face

圖12 條形物成分能譜圖 圖13 沿晶斷口及晶界面條紋形態Figure 12 The energy spectrum graph of stripe composition Figure 13 The intergranular fracture and grain boundary stripe

圖14 金相面上疏松孔洞形貌Figure 1 The porosity appearance in the metallographic specimen surface

圖15 金相面上疏松孔洞與組織對應形貌Figure 15 The microstructure and porosity appearance in the metallographic specimen surface

圖16 共晶碳化物和沿晶呈網狀分布的一次碳化物形貌Figure 16 The appearance of eutectic and intergranular primary carbide

圖17 金相面上沿晶裂紋形貌Figure 17 The intergranular crack appearance in the metallographic specimen surface

6 結論

上述檢驗結果表明：ZGCr4鑄鋼支承輥冒口端輥頸圓周裂紋源于輥頸心部，根據圓周裂紋面未受氧化的特征，認為裂紋是在支承輥最終熱處理后形成的。在該端輥頸各部位碳和磷含量超標的情況下，其心部碳含量竟高達1.16%，形成非常嚴重的中心碳偏析，中心顯微孔隙也較為嚴重，導致其顯微組織中存在有大量的共晶碳化物和沿晶呈網狀分布的一次碳化物，晶界極為薄弱，并有疏松孔洞伴隨。帶有這種組織特征的輥頸心部韌塑性極低，沖擊功僅2 J～3 J，在支承輥內應力的作用下，很容易從輥頸心部開始萌生裂紋，并由此向外擴展。