調質ZG42CrMoV溜槽托架特性分析

胡玲娟

秦皇島秦冶重工有限公司 河北秦皇島 066318

1 序言

高爐爐頂布料溜槽托架（見圖1）是布料器的重要部件，其性能對系統的穩定轉動、布料起著重要的作用。托架上部通過銷軸安裝在旋轉套筒上，下部通過定位卡掛溜槽（見圖2），系統作業時托架和溜槽一起做水平旋轉運動和垂直方向上下運動[1]。托架一方面承受來自溜槽的壓力，另一方面承受物料下料時的強烈沖擊，以及高溫輻射、煤氣等復雜氣氛侵蝕等。爐頂溫度一般在300～600℃，有些廠家爐溫在800℃[2]。由于托架在惡劣環境下使用，因此對其組織性能的研究具有一定的意義。

圖1 托架

圖2 布料溜槽和托架裝配

2 存在的問題

溜槽托架材質主要為ZG42CrMoV、ZG35CrMoV，具有較高的熱強性、熱疲勞強度、高溫塑性和韌性等綜合力學性能。設計要求托架進行調質處理，調質組織為回火索氏體。在實際生產中托架的質量一直不穩定，其制造過程中常出現貝氏體組織。貝氏體分為上貝氏體和下貝氏體。

上貝氏體組織是過冷奧氏體在350～550℃溫區形成的一種組織，由鐵素體和滲碳體組成。鐵素體呈平行板條狀分布，板條間分布有不連續的短棒狀或串珠狀碳化物，其硬度為35～45HRC。上貝氏體組織是一種脆性組織，表現為強度、硬度高，沖擊韌度較低，整體力學性能較差，使用價值不大。

下貝氏體組織是過冷奧氏體在350℃以下、Ms點以上形成的組織，由鐵素體和滲碳體組成。鐵素體呈平行板條狀分布，碳化物沉淀在鐵素體內，并與鐵素體片的長軸呈55°～60°。下貝氏體具有較高的強度和韌性，應用較廣。

3 案例

2019年，我公司為某鋼廠生產的布料器溜槽托架，材質為ZG42CrMoV，技術要求鑄件粗加工后進行調質處理，硬度270～320HBW，連體試樣和托架同爐調質處理，并對鑄件的連體試樣和托架本體上精加工下來的花鍵塊進行金相組織和力學性能檢測。

3.1 試驗檢測

按照技術要求對鑄件的連體試樣和花鍵試樣分別進行化學成分、力學性能檢測，結果見表1、表2。金相組織檢測結果如圖3、圖4所示。

3.2 試驗結果分析

從表1可看出，連體試樣和花鍵塊試樣材質化學成分滿足標準要求。從表2可看出，連體試樣抗拉強度高于標準值，伸長率、沖擊吸收能量低于標準值。花鍵試樣沖擊吸收能量低于標準值；金相組織，連體試樣調質金相組織為回火索氏體+先共析鐵素體+上貝氏體組織（見圖3），花鍵試樣調質金相組織為上貝氏體＋少量下貝氏體（見圖4）。

圖3 連體試樣金相組織

圖4 花鍵試樣金相組織

表1 ZG42CrMoV溜槽托架化學成分（質量分數） （%）

表2 ZG42CrMoV溜槽托架力學性能

ZG42CrMoV是中碳珠光體耐熱鋼，含有Cr、Mo、V等元素，大截面鑄件調質時除了生成回火索氏體外，還易形成貝氏體，生成貝氏體的原因和零件的合金元素種類、含量及構件尺寸有關[3]。托架零件截面尺寸大，冷卻溫度、速度不易控制，故生成貝氏體。

關于上貝氏體，一般認為力學性能差，使用價值不大。但是，貝氏體的亞結構為高密度位錯和孿晶，能夠減緩碳化物和合金元素的擴散。托架可以利用貝氏體的這種特點。上例中，上貝氏體組織強度較高、塑韌性低，使材料呈現脆性。材料在低溫下使用，若沖擊吸收能量值較低即脆性大，易發生脆性斷裂。而托架用在300～800℃下，上貝氏組織所表現的高強度、低韌性性能可用。

3.3 托架服役結果驗證

托架質保期為一年，2019年9月，上例托架上線運行，2020年10月，布料器含托架回廠返修，使用了13個月，鋼廠高爐溫度在700～800℃。對于返廠舊件取樣，分析其性能和組織變化。舊件外觀如圖5、圖6所示。

圖5 托架舊件

圖6 托架舊件局部放大

對舊件取樣進行力學性能檢測，結果見表3，金相組織檢測結果如圖7、圖8所示。

表3 舊件力學性能檢測結果

托架在使用13個月后，發生疲勞、蠕變，長度伸長超100mm，表面龜裂、燒損、失效。從舊件取樣結果分析可知，強度、伸長率、沖擊吸收能量等力學性能均下降，且大大低于標準值，對比使用前各項性能指標下降很多。從圖7、圖8可看出，金相組織為鐵素體基體上分布著球粒狀碳化物，而托架使用前的組織為上貝氏體。

圖7 舊件金相組織

圖8 舊件金相組織放大

托架長期在高溫條件下運行，其組織的穩定性和熱強性變差。材料中的碳化物析出、球化、長大，相當于對托架進行了球化退火處理。托架材料發生高溫蠕變，強度、塑形、韌性下降至不合格。爐頂高溫氣氛中的腐蝕性元素O、S、Cl等氣體對托架表面氧化、腐蝕嚴重，導致表面脫碳、龜裂。因此，長期疲勞、高溫蠕變和高爐氣體腐蝕的共同累積作用造成了材料失效。

4 結束語

1）ZG42CrMoV 托架長期在高溫條件下運行，組織發生變化，鐵素體基體中碳化物析出、球化、長大。材料發生高溫蠕變，組織的穩定性和熱強性變差，力學性能變差。高溫氣體腐蝕，材料表面氧化、脫碳、龜裂失效。

2）一般認為上貝氏體的力學性能較差，使用價值不大。但是，貝氏體的亞結構為高密度位錯和孿晶，能夠減緩碳化物和合金元素的擴散，在高溫下使用的溜槽托架可以利用貝氏體的這種特點。