ZG20SiMn鑄件的脆性斷裂分析

宋 勇

(大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司，遼寧 大連 116013)

0 前言

ZG20SiMn因其強(qiáng)度高、塑性與韌性好而被廣泛用于水壓機(jī)立柱、橫梁、工作缸、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、冶金車輛各種車輪等構(gòu)件。多年的使用證明，在正常使用條件下服役不會(huì)出現(xiàn)脆性斷裂。

某ZG20SiMn大型鑄件在吊運(yùn)過程中 (已經(jīng)過熱處理)，在距地面約800mm處意外墜地而開裂。為查明鑄件失效原因，通過對(duì)兩種缺口及裂紋試樣的示波沖擊試驗(yàn)和金相觀察，分析了失效ZG20SiMn鑄件脆性裂變的原因，并提出了改進(jìn)措施。

1 材料的原始狀態(tài)及檢驗(yàn)方法

從工藝和生產(chǎn)制造過程兩方面對(duì)失效材料進(jìn)行分析。該件的熱處理工藝為:890℃正火580℃回火，保溫12小時(shí)。

整個(gè)熱處理過程及記錄曲線符合工藝要求，沒有發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。

取自失效的ZG20SiMn鑄件斷口附近與鑄件附體試塊作為試驗(yàn)用料?；瘜W(xué)成分見表1，沖擊試樣尺寸為10 mm×55 mm，其中缺口分別為標(biāo)準(zhǔn)V型缺口、R=0.1 mm線切割缺口、失效鑄件裂紋，深度均為2 mm。沖擊試驗(yàn)采用Ciem-3-D-cpc型電子測(cè)量沖擊試驗(yàn)機(jī)。對(duì)斷口附近試樣進(jìn)行了重新熱處理，其工藝為:930℃，0.5～3h，空冷:640℃，500 min。對(duì)熱處理前后的試樣進(jìn)行了金相觀察。

表1 試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of steel under test

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 示波沖擊試驗(yàn)

示波沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表2。圖1為沖擊試驗(yàn)的載荷-撓度曲線示意圖。由圖1可知，沖擊吸收功大致由兩部分組成:一部分為裂紋形成功即啟裂功，主要消耗在試樣的彈性變形、塑性變形及裂紋形成;另一部分為裂紋擴(kuò)展功，主要消耗于裂紋前沿 (the front of cracks)微觀塑性變形和裂紋擴(kuò)展。因此沖擊吸收功的大小并不能完全反映材料的韌脆性質(zhì)，而其中的塑性變形功，尤其是裂紋擴(kuò)展功才真正影響材料的韌脆性質(zhì)。

圖1 沖擊試驗(yàn)的載荷一撓度曲線Fig.1 Load-deflection curve of impact test

表2 示波沖擊試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Result of the oscillographic impact test

由表2可知，失效鑄件V型缺口、R=0.1 mm缺口與實(shí)際裂紋三種試樣的裂紋擴(kuò)展韌性均較低，無明顯差別，表明材料斷裂前塑性變形能力較小，一旦出現(xiàn)裂紋將很快擴(kuò)展斷裂。

V型缺口試樣的啟裂韌性明顯高于R=0.1 mm缺口和裂紋試樣的啟裂韌性，而R=0.1 mm缺口和裂紋試樣的啟裂韌性幾乎相同，這表明材料有明顯缺口的敏感性。表2還表明，重新熱處理后的沖擊韌性高于標(biāo)準(zhǔn)要求，附體試塊與本體取樣沖擊韌性差別較大。

2.2 金相觀察

失效ZG20SiMn鑄件的金相組織為鑄態(tài)魏氏組織如圖2所示，表明雖然熱電偶指示溫度符合正火工藝要求，但鑄件斷裂部位實(shí)際溫度并未達(dá)到指示溫度，圖3為重新熱處理后的正常組織。

對(duì)鑄件斷口的電子探針分析表明，無氮化鋁存在硫化物+氧化物混合夾雜2～3級(jí)，主要分布在晶界上，少量在晶內(nèi)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。電子探針分析還表明，鑄件在斷裂之前表面已存在裂紋，但如果材料韌性好也不會(huì)導(dǎo)致材料低應(yīng)力脆斷。因而失效鑄件脆性的主要原因是正火溫度不夠或保溫時(shí)間不足，未能完全消除鑄態(tài)組織，存在殘余鑄造內(nèi)應(yīng)力。

經(jīng)過以上分析認(rèn)為:

(1)鑄件開裂的根本原因在于鑄件沒有真正實(shí)現(xiàn)完全奧氏體化，材料內(nèi)部保留有大量的鑄態(tài)魏氏體組織;

(2)鑄件的正火溫度偏低，沒有達(dá)到超過Ac3線50℃以上的要求;

(3)鑄件體積、噸位、壁厚都很大，造成鑄件表面溫度達(dá)到奧實(shí)體化溫度，但是鑄件內(nèi)部溫度沒有達(dá)到規(guī)范要求，沒有實(shí)現(xiàn)奧實(shí)體化，即沒有真正達(dá)到熱處理目的，是造成鑄件開裂的直接原因。

3 改進(jìn)措施

根據(jù)以上原因分析，針對(duì)該件做如下工藝調(diào)整

(1)提高正火溫度，達(dá)到910℃;

(2)根據(jù)《GBT9452-2003熱處理爐有效加熱區(qū)測(cè)定方法》對(duì)熱處理爐進(jìn)行爐溫均勻性測(cè)定;

(3)將升溫速度降低到75℃/h以下;

(4)延長(zhǎng)保溫時(shí)間，達(dá)到16小時(shí)。

經(jīng)過測(cè)定爐溫均勻性，將該件在檢測(cè)效果好的熱處理爐中進(jìn)行重新處理，然后進(jìn)行相應(yīng)的檢驗(yàn)。具體結(jié)果見表3。

表3 改進(jìn)后鑄件機(jī)械性能Tab.3 Mechanical properties of test cast after secondary heat treatment

本體金相檢驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后鑄件金相組織Fig.4 Metallographic structure(500×)of cast after secondary heat treatment

該金相組織為典型的鐵素體+珠光體組織，屬于該類材質(zhì)的典型組織，并且晶粒度達(dá)到8級(jí)，屬于細(xì)晶組織。通過重行的性能熱處理徹底消除了原始的魏氏體組織，達(dá)到了預(yù)期目的。

4 結(jié)束語

失效鑄件呈脆性的主要原因是正火溫度不夠及保溫時(shí)間不足，導(dǎo)致晶類粗大，鑄態(tài)組織未完全消除。經(jīng)重新熱處理，其沖擊韌性提高，組織正常，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

［1］朱興元，劉憶.技術(shù)學(xué)與熱處理 ［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2006.

［2］李慶春.鑄件形成理論基礎(chǔ) ［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1982:172-182.

［3］章志偉.鑄鋼與合金鑄鋼生產(chǎn)新工藝新技術(shù)與質(zhì)量檢測(cè)實(shí)務(wù)全書 ［M］.銀川:寧夏大地音像出版社，2003:1480-1485.

［4］王蕭涵鑄鋼與合金鑄鋼設(shè)計(jì)制造操作規(guī)范、成分分析及常用數(shù)據(jù)實(shí)務(wù)全書［M］.吉林:吉林科學(xué)技術(shù)出版社，2003:721-739.

［5］任輝，柴躍生，孫剛，等.球磨對(duì)固態(tài)再生AZ31組織性能的影響［J］.太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012(4).