ZG20SiMn鑄件的脆性斷裂分析

宋 勇

(大連華銳重工集團股份有限公司，遼寧 大連 116013)

0 前言

ZG20SiMn因其強度高、塑性與韌性好而被廣泛用于水壓機立柱、橫梁、工作缸、水輪機轉輪、冶金車輛各種車輪等構件。多年的使用證明，在正常使用條件下服役不會出現脆性斷裂。

某ZG20SiMn大型鑄件在吊運過程中 (已經過熱處理)，在距地面約800mm處意外墜地而開裂。為查明鑄件失效原因，通過對兩種缺口及裂紋試樣的示波沖擊試驗和金相觀察，分析了失效ZG20SiMn鑄件脆性裂變的原因，并提出了改進措施。

1 材料的原始狀態及檢驗方法

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

整個熱處理過程及記錄曲線符合工藝要求，沒有發現異常現象。

取自失效的ZG20SiMn鑄件斷口附近與鑄件附體試塊作為試驗用料。化學成分見表1，沖擊試樣尺寸為10 mm×55 mm，其中缺口分別為標準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。沖擊試驗采用Ciem-3-D-cpc型電子測量沖擊試驗機。對斷口附近試樣進行了重新熱處理，其工藝為:930℃，0.5～3h，空冷:640℃，500 min。對熱處理前后的試樣進行了金相觀察。

表1 試驗用鋼的化學成分Tab.1 Chemical composition of steel under test

2 試驗結果及分析

2.1 示波沖擊試驗

示波沖擊試驗結果見表2。圖1為沖擊試驗的載荷-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，而其中的塑性變形功，尤其是裂紋擴展功才真正影響材料的韌脆性質。

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

表2 示波沖擊試驗結果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缺口與實際裂紋三種試樣的裂紋擴展韌性均較低，無明顯差別，表明材料斷裂前塑性變形能力較小，一旦出現裂紋將很快擴展斷裂。

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準要求，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，但鑄件斷裂部位實際溫度并未達到指示溫度，圖3為重新熱處理后的正常組織。

對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，主要分布在晶界上，少量在晶內，符合標準要求。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導致材料低應力脆斷。因而失效鑄件脆性的主要原因是正火溫度不夠或保溫時間不足，未能完全消除鑄態組織，存在殘余鑄造內應力。

經過以上分析認為:

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

(2)鑄件的正火溫度偏低，沒有達到超過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到奧實體化溫度，但是鑄件內部溫度沒有達到規范要求，沒有實現奧實體化，即沒有真正達到熱處理目的，是造成鑄件開裂的直接原因。

3 改進措施

根據以上原因分析，針對該件做如下工藝調整

(1)提高正火溫度，達到910℃;

(2)根據《GBT9452-2003熱處理爐有效加熱區測定方法》對熱處理爐進行爐溫均勻性測定;

(3)將升溫速度降低到75℃/h以下;

(4)延長保溫時間，達到16小時。

經過測定爐溫均勻性，將該件在檢測效果好的熱處理爐中進行重新處理，然后進行相應的檢驗。具體結果見表3。

表3 改進后鑄件機械性能Tab.3 Mechanical properties of test cast after secondary heat treatment

本體金相檢驗結果如圖4所示。

圖4 改進后鑄件金相組織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，屬于該類材質的典型組織，并且晶粒度達到8級，屬于細晶組織。通過重行的性能熱處理徹底消除了原始的魏氏體組織，達到了預期目的。

4 結束語

失效鑄件呈脆性的主要原因是正火溫度不夠及保溫時間不足，導致晶類粗大，鑄態組織未完全消除。經重新熱處理，其沖擊韌性提高，組織正常，符合標準要求。

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