電渣熔鑄大型鑄件內裂紋分析

蔣國森，李寶東，陳瑞，李旭東，王洪鋒

(沈陽鑄造研究所，沈陽 110022)

電渣熔鑄大型鑄件內裂紋分析

蔣國森，李寶東，陳瑞，李旭東，王洪鋒

(沈陽鑄造研究所，沈陽 110022)

利用S－3400N掃描電鏡和EDAX能譜儀對0Cr13Ni5Mo低碳馬氏體不銹鋼電渣熔鑄件拉伸斷口形貌、夾雜物和顯微組織進行觀察和分析，研究大型鑄件內部裂紋的性質及其產生原因.結果表明:鑄件軸心區域存在的大量氣孔和非金屬夾雜物偏聚是內裂紋形成的主要原因.

電渣熔鑄;內裂紋;氣孔;斷口

0Cr13Ni5Mo低碳馬氏體不銹鋼具有良好的綜合機械性能、冷焊性能、抗氫脆、抗汽蝕性能以及良好的工藝性能，被廣泛用于制造水輪機過流部件.我所生產的水輪機鑄件，是在3 000 kVA電渣爐上采用AHΦ－6熔劑由0Cr13Ni5Mo低碳馬氏體不銹鋼AOD精煉電極在水冷銅結晶器中電渣熔鑄而成的.用USN60超聲波探傷儀按照美國ASTM A609Ⅱ－Ⅲ級無損檢測超聲探傷標準來檢驗鑄件的內在冶金質量.中小型鑄件內部質量一直很穩定，很少發現有內部缺陷.但是，在熔鑄大型厚大斷面鑄件(D＞Φ500 mm)時發現軸心區域質量不穩定，個別鑄件超聲波探傷超標.本文結合電渣熔鑄的生產實際，通過實驗手段，對大型鑄件內部質量不合格的原因進行分析和研究，找出了其產生原因并及時發現生產中存在的不穩定工藝因素，使大型鑄件內在質量得到進一步的穩定與提高.

1 實驗方法

在探傷不合格部位心部取樣，進行化學成分分析和金相檢驗.制備拉伸試樣，拉斷后進行斷口形貌觀察和組織分析.金相試樣經研磨拋光，用加熱至70～80℃的50%鹽酸水溶液腐蝕30～40 min，之后和斷口試樣一起用四氯化碳進行超聲波清洗，利用掃描電鏡、能譜儀對鑄件斷口形貌、夾雜物和顯微組織進行觀察和分析.

2 實驗結果

2.1 成分檢驗

鑄件化學成分(質量分數/%)檢驗的結果及其成分標準見表1，表明鑄件的化學成分符合標準，化學成分并不是引起超聲波探傷不合格的原因.

2.2 金相檢驗

低倍試樣未經任何化學試劑腐蝕，肉眼就可發現試樣斷面中心部位出現長短不等的細小裂紋，經研磨拋光，再用鹽酸水溶液腐蝕30～40 min后，斷面上呈現蜘蛛網狀或放射狀的細小裂紋，類似“軸心晶間裂紋［1］”的形態，如圖1所示.

表1 金屬元素化學成分(質量分數)Table 1 The chemical element of ZG0Cr13Ni5Mo alloy(mass fraction) %

圖1 酸浸試樣Fig.1 Specimen of acid dipping

圖2 裂紋的酸浸形貌Fig.2 Crack appearance of acid dipping

在酸浸低倍試樣上取金相試樣，在掃描電鏡下低倍觀察，可發現試樣基體組織為細的板條馬氏體，裂紋呈斷續和鋸齒狀，其中的夾雜物大部分已經被鹽酸腐蝕掉，有些小圓球依附在裂紋側壁上，如圖2所示.磨去金相試樣被熱酸腐蝕的表面，重新研磨拋光后在掃描電鏡下觀察，發現在裂紋中有成片的點狀夾雜物和半徑大小不一的圓球，其形貌如圖3所示.經能譜分析表明，裂紋中的夾雜物主要成分為Al2O3、MnS、SiO2等.

2.3 拉伸斷口觀察

圖3 裂紋的形貌Fig.3 Appearance of crack

圖4 斷口上的空穴區Fig.4 Cavity of fracture

拉伸試樣在拉伸試驗機上拉斷后，發現試樣沿著原有的細小裂紋走向斷開.觀察斷口表面形貌時發現大量的空穴區，此區內有恰如“葡萄串”的圓球聚集，如圖4所示.在此區域中選擇一個典型視場放大觀察，其微觀形貌如圖5所示.能譜分析表明，圓球表面粘附著許多夾雜物，主要有硫化物、氧化物等，且存在成分偏析.后經試驗證實，這些聚集的金屬球被AC紙粘掉后，露出平滑的表面，且表面上分布著大量的硫化物和氧化物，這表明它與金屬基體的聯系并不十分緊密，是金屬液在凝固收縮后期形成的.

正常斷口區域有如下特征［2，3］:表面有明顯的酒杯狀韌窩，在微坑內存在第二相粒子，說明第二相粒子對微坑的形核具有重要作用，且韌窩在斷口上呈網狀相連，在網內局部存在解理面和細小的裂紋，屬韌窩狀斷口，如圖6所示.

3 分析與討論

圖5 圓球聚集區微觀形貌Fig.5 Microstructure of crown area

圖6 正常斷口區域的微觀形貌Fig.6 Microstructure of normal fracture

在生產過程中，由于下面的因素可能導致空穴的形成:封閉在內的氣泡，熔體中非金屬夾雜物的聚集［4］.

電渣熔鑄過程中，由于氣體(N2、H2、O2)在固態金屬和液態金屬中具有不同的溶解度，在金屬凝固過程中過飽和的氣體不斷由固相排到液相，沿結晶前沿形成氣泡.另外，在電渣熔鑄異型鑄件的生產過程中，由于鑄件結構的復雜性，中途更換電極與結晶器在所難免.若操作間隔時間過長，渣池溫度過低表面結黑殼，渣池中氣體的溶解度比鋼液中低，會使渣池中的氣體返吸，沿結晶前沿形成氣泡.

若結晶前沿的凝固速度大于氣泡生成速度，氣孔就會被封閉，形成閉合空腔.在水冷結晶器的作用下，金屬不斷凝固收縮，空腔內溫度隨著下降的同時，其內部壓力也相應下降，導致空腔內形成部分真空，吸入液體.被吸入的這部分液體在封閉的體積內凝固，當達到足夠的過冷度時，在表面張力的作用下，以枝晶自由表面為基底形核，形成半徑大小不等的等軸晶——圓球，同時由于選擇結晶的作用，使低熔點組元、氣體、夾雜物以及偏析元素被推向圓球表面.

渣洗精煉提純是電渣熔鑄提高內部冶金質量的重要途徑之一.電渣熔鑄去除非金屬夾雜物，主要是在熔鑄過程中夾雜物自金屬熔池的浮升.當夾雜物的浮升速度大于鑄件的凝固速度時，夾雜物從金屬熔池中能浮出.反之，當夾雜物的浮升速度小于鑄件的結晶速度時，夾雜物殘留在鑄件中.

斷口裂紋中大量空穴和夾雜物存在的主要原因是金屬凝固界面向前推移時析出的氣體和排出的低熔點夾雜物(如硫化物)在上浮時受阻，致使鑄件中存在大量微小氣孔和夾雜物，出現顯微內裂紋，破壞了金屬基體的致密性和連續性.這不僅會吸收超聲波的能量，也使超聲波產生了亂反射，因而出現了超聲波探傷無底波的現象.

4 結論

縱向強制冷卻凝固是電渣熔鑄工藝提高鑄件內在冶金質量的主要途徑.通過調整水冷結晶器的冷卻強度和熔鑄電流大小的匹配關系，使金屬熔池達到預期的形狀和深度，保證鑄件的生長速度適宜，從而可避免了大型鑄件軸心部位氣孔的產生和夾雜物的偏聚，獲得了良好的內部冶金質量，使得大型鑄件內在質量得到了進一步的穩定與提高.

［1］理化檢驗編輯部出版.金相檢驗［M］.1983:34－35.

［2］上海交通大學金屬斷口分析編寫組.金屬斷口分析［M］.北京:國防工業出版社，1979:89－136.

［3］冶金工業部鋼鐵研究院.北京鋼廠.齊齊哈爾鋼廠合編.合金鋼斷口分析金相圖譜［M］.北京:科學出版社，1979:40－66.

［4］L.恩格，H.克林格著.金屬損傷圖譜－金屬失效的掃描電子顯微鏡研究［M］.孟錫明譯，金元生校.北京:機械工業出版社，1991.

Analysis of electroslag casting large－scale cast inner crack

JIANG Guo-sen，LI Bao-dong，CHEN Rui，LI Xu-dong，WANG Hong-feng

(Shenyang Research Institute of Foundry，Shenyang 110022，China)

The author analyzed the fracture morphology、impurity and microstructure of 0Cr13Ni5Mo low －carbon martensite stainless steel electroslag casting to investigate the character and the cause of large－scale cast inner crack by S－3400N scanning electron microscope and EDAX energy spectrometer.The result shows that the crack was mainly caused by plenty of gas porosity and segregation of nonmetal impurity in the axis zone of the cast.

electroslag casting;inner crack;gas porosity;fracture

TF142.4

A

1671-6620(2011)S1-0055-03

2010-10-15.

高檔數控機床與基礎制造裝備科技重大專項資助 (2009ZX04006－031)

蔣國森 (1972—)，男，工程師，電話:024－25852311－320.