大型碳錳鋼軸類鍛件密集性缺陷分析

梁寶乙 劉繼紅 張俊彥

(中冶京誠(營口)裝備技術有限公司，遼寧115004)

公司最近生產的一批大型碳錳鋼軸類鍛件共計50余支，其中有多支存在超聲波探傷超標密集性缺陷，給公司造成很大損失。為系統探究產生缺陷的原因，提高產品合格率，我們對其中一支報廢軸進行了解剖分析。

1 探傷結果及試片切取

按EN10228-3—1998標準進行超聲波探傷后發現，在鍛件水口端距端頭5.0 m范圍內的中心部位均發現?2mm以上當量密集性超標缺陷。經探傷定位，在距端頭460 mm缺陷最嚴重處切取50 mm厚試片。采用低倍、金相、掃描及能譜等研究手段對其進行缺陷判定。

2 檢驗結果

2.1 低倍檢驗

為探究缺陷區域的低倍組織形貌，我們對試片進行加工處理后，先后對其橫向、徑向和切向試料進行了低倍酸蝕，試料切取情況見圖1所示。在低倍酸蝕前，我們對上述試料的預酸蝕面均進行了磁粉和滲透檢驗，但未發現明顯的近表面缺陷及開口性裂紋。低倍酸蝕后觀察發現，在與探傷超標對應位置的橫向試料中心區域有密集性孔洞存在，徑向和切向試料上有沿縱向的多處類裂紋，最大長度約2 mm。由斜向觀察可見該類裂紋與橫向中心區的密集性孔洞相對應，見圖2所示。2.2 金相及對應的掃描電鏡和EDS檢驗在切向試料上沿縱向切取金相試樣并檢驗后發現，試樣中的B類(氧化鋁類)夾雜物含量居多，夾雜物沿縱向呈密集的鏈狀分布，見圖3。依據GB/T 10561—2005標準進行非金屬夾雜物評級。評級結果如表1所示，可見其B類夾雜物超標嚴重。為進一步判定其夾雜物組成，我們對該金相試樣進行了掃描電鏡觀察和EDS分析，結果見圖4和圖5。微區成分見表2，夾雜物主要為鈣鋁酸鹽夾雜物和鎂鋁尖晶石夾雜物。

圖1 低倍試料切取位置Figure 1 Sampling position for macroscopic examination

圖2 宏觀低倍形貌Figure 2 The macro apperances and local magnification

試樣編號A(硫化物類)B(氧化鋁類)C(硅酸鹽類)D(球狀氧化物類)細系粗系細系粗系細系粗系細系粗系Ds(單顆粒球狀類)10110590.51.00>3.00001.02.0

圖3 非金屬夾雜物的微觀形貌Figure 3 The micro apperance feature for nonmetallic inclusions

圖4 夾雜物的掃描電鏡觀察及選區能譜分析Figure 4 The microstructure examination by SEM and EDS analysis

圖5 夾雜物的能譜分析Figure 5 The EDS analysis for nonmetallic inclusions

OMgAlCaFeabcd48.051.045.849.0-15.1-14.536.434.035.831.012.8-11.8-0.9-6.65.5

圖6 斷口掃描電鏡形貌Figure 6 The microstructure examination of fracture by scanning electron microscoy

圖7 斷口掃描電鏡觀察及選區EDS檢查Figure 7 The SEM image and inserted EDS examination for the fracture

2.3 掃描電鏡斷口觀察和EDS分析

為進一步驗證上述結論，我們在切向試料上切取斷口試樣，對其在860℃淬火后壓斷，繼而進行斷口檢驗，在斷口處同樣觀察到大量非金屬夾雜物。其掃描電鏡照片見圖6，經測量其夾雜物聚集鏈長度約1.9 mm，與超聲波探傷結果吻合。EDS分析表明，斷口處夾雜物成分與2.2分析結果基本一致。經分析表明，其中較大顆粒為鈣鋁酸鹽夾雜物，較小顆粒為鎂鋁尖晶石夾雜物，見圖7所示。

3 分析討論

低倍、金相及掃描電鏡觀察均表明鈣鋁酸鹽夾雜物和鎂鋁尖晶石夾雜物是造成鍛件超聲波探傷超標的原因。因在低倍酸蝕前進行的磁粉和滲透檢驗均未發現明顯的近表面缺陷及開口性裂紋，故低倍觀察到的孔洞應為夾雜物被酸蝕后殘存下來的。鈣鋁酸鹽夾雜物則是保護渣(CaO-Al2O3-SiO2)與鋼液相互作用的產物。而相關研究表明，鎂鋁尖晶石夾雜物中的MgO可能來源于爐渣和鋼包爐襯耐火材料(MgO-C磚)，也有可能是鋼液本身反應的產物[1]。相關研究進一步表明[2，3]，當非金屬夾雜物中MgO來自爐渣時，夾雜物中會同時含有很高的CaO，且MgO質量分數一般不超過5%；如果MgO來自耐火材料則其質量分數將遠高于5%，有時可達35%甚至更高。由表2中b和d點的EDS成分分析結果可知，鎂鋁尖晶石夾雜物中MgO質量分數介于5%和35%之間且不同時含有CaO，因此應來自于爐襯中的耐火材料。鈣鋁酸鹽夾雜物和鎂鋁尖晶石夾雜物作為典型的脆性夾雜物[4]，在常規熱加工環境下將不會隨基體金屬產生變形行為，而是在金屬變形時與基體之間產生滑動，降低界面結合力，并沿金屬變形方向產生裂紋或孔洞，最終成為疲勞裂紋源。這也是嚴格控制其含量的主要原因。夾雜性缺陷與煉鋼過程中的鋼水純凈度密切相關，這是毫無爭議的。通過優化鍛造方法等手段雖然能在某種程度上使夾雜物彌散化而保證超聲波探傷不超標，或改變其夾雜物形貌而使其不產生夾雜裂紋，甚至能夠焊合和修復已經產生的夾雜性裂紋，但加強鋼水冶煉及鑄錠生產過程的質量控制才是解決該類缺陷問題的最根本途徑[5～7]。

4 結論

(1)各種檢驗結果表明，導致超聲波探傷密集性缺陷的原因為鈣鋁酸鹽夾雜物和鎂鋁尖晶石夾雜物超標。

(2)分析表明，鈣鋁酸鹽夾雜物是保護渣(CaO-Al2O3-SiO2)與鋼液相互作用的產物；而鎂鋁尖晶石夾雜物來源于鋼包爐襯耐火材料(MgO-C磚)。通過在煉鋼過程中加強鋼水冶煉及鑄錠生產環節的質量控制是解決該類缺陷問題的最根本途徑。

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