16Mn管板超聲檢測不合格分析

郭洪斌

(中國一重鑄鍛鋼事業部，黑龍江161042)

碳錳鋼因具有較高的耐磨性及應力性，在水利發電、船舶制造、石油化工等行業中被廣泛應用。我公司生產多種碳錳鋼，如16Mn、20Mn、20SiMn、25Mn、50Mn等，2016～2017年，我公司生產的多支碳錳鋼類產品在超聲檢測時出現多處單個或密集超標缺陷而報廢，給公司造成了很大的經濟損失和負面影響。為了系統研究缺陷產生機理，提高產品合格率，我們對近期報廢的16Mn管板進行了解剖分析。

1 技術要求及工藝要點

1.1 技術要求

部件名稱為壓力容器上管板，材質為16Mn。

16Mn壓力容器上管板的化學成分按GB/T 223規定的方法進行分析，化學成分如表1所示。

產品按NB/T 47008—2010 Ⅳ級的相關要求進行檢驗，冒口面檢測均發現?2～?3 mm密集缺陷，深度40～185 mm，并發現較多?4～?9 mm單個缺陷，被判定為不合格。

1.2 工藝要點

精煉包底鋁塊預脫氧。鋼水兌入后加石灰、螢石并吹氧造高鋁渣。采用鋁粉擴散脫氧。

2 檢測定位取料

根據檢測報告，在報廢產品上找到5處當量較大缺陷，編號為1#、2#、3#、4#、5#。5處缺陷具體信息如表2所示。

表1 16Mn化學成分(質量分數，%)Table 1 Chemical composition of 16Mn steel (mass fraction, %)

表2 缺陷信息Table 2 Defect information

3 檢測分析

3.1 缺陷端口面宏觀分析

試料以標記的缺陷為中心經鋸床加工成30 mm×30 mm方形截面，根據檢測報告的缺陷位置將試料加工成拉力試棒，在試棒缺陷處加工深3～7 mm的凹槽，并沿凹槽處打開斷口進行分析。缺陷區斷口形貌如圖1所示。

通過對1～5#試料缺陷處斷口宏觀形貌觀察，可以看出，1#、3#、5#試料缺陷斷口處存在相似的、不同于正常金屬形態的組織，但無法判斷是否為引起檢測超標的夾雜物，需借助掃描電鏡進一步觀察分析。

3.2 掃描電鏡分析

(a)1#試料

(b)2#試料

(c)3#試料

(d)4#試料

(e)5#試料圖1 斷口宏觀形貌Figure 1 Macroscopic appearance of fracture

經電鏡對5塊試樣的分析，其中3#、4#試樣未在斷口處發現缺陷存在，這可能是由于檢測存在誤差而未定位到缺陷的準確位置引起的。在1#、2#和5#試樣上均發現了不同程度的超標缺陷，其中在2#試樣上發現除了存在與1#、5#類似的片狀的密集形缺陷外，同時存在顆粒狀夾雜物，具體形貌如圖2所示。

(a)1#試樣夾雜物形貌

(b)2#試樣夾雜物形貌

(c)2#試樣顆粒狀夾雜物形貌

(d)3#試樣斷口形貌

(e)4#試樣斷口形貌

(f)5#試樣夾雜物形貌圖2 試樣斷口夾雜物形貌Figure 2 Appearance of inclusions in fracture

3.3 缺陷化學成分分析

為確定缺陷種類，我們對斷口缺陷進行了能譜成分分析，經分析1#、2#、5#試樣的片狀密集型缺陷的主要化學成分為Mn、S，2#試樣中的顆粒狀缺陷的主要化學成分為Mg、Al、O，能譜分析如圖3所示。

(a)1#試樣夾雜物

(b)5#試樣夾雜物

(c)2#試樣片狀夾雜物

(d)2#試樣顆粒狀夾雜物圖3 試樣斷口缺陷能譜成分分析Figure 3 Energy spectrum composition analysis of defects in fractures

4 缺陷產生原因分析

經過上述理化試驗分析，發現引起此次16Mn檢測不合格主要是由于Mn、S偏析生成MnS夾雜，并伴生少量的Al、Mg氧化物。

4.1 MnS夾雜

Mn元素和S元素有著很強的親和力，因此鋼中的S不可避免的與Mn形成MnS。相關文獻表明，鋼中的MnS按形態和分布大致可分為3類，Ⅰ類，球狀，無規則分布，主要存在于不用鋁脫氧的鋼中；Ⅱ類，沿晶界分布或呈扇形狀分布，主要存在于用少量鋁脫氧的鋼中；Ⅲ類，片狀，無規則分布，主要存在于加鋁量高且有殘余鋁元素存在的鋼中[1]。MnS夾雜的析出溫度低于鋼的液相線溫度，即在鋼液處于固液兩相區時MnS夾雜物開始析出。隨著鋼液溫度降低，S的溶解度也隨之降低，導致鋼中殘留的S含量較高，并富集偏析在晶界處，使S、Mn平衡反應偏移，生成MnS夾雜物[2]。由于該鋼種本身Mn含量較高，同時存在易偏析元素S，且使用過量鋁進行深脫氧，因此鋼錠在凝固過程中不可避免地形成不規則片狀MnS夾雜。

4.2 Al/Mg氧化物夾雜

MnS被視為本生性夾雜，而Mg/Al氧化物類夾雜則更多視為偶生性夾雜。這類夾雜的生成具有不確定性和偶然性。其主要來源有：

(1) 脫氧造渣材料中的Al與O在鋼水中形成氧化物，未能充分上浮。

(2) 精煉包用鎂碳磚侵蝕剝落進入鋼水中，未能及時上浮。

5 結論

為有效緩解C-Mn鋼因MnS偏析引起的檢測不合格問題，我們認為應采取以下措施：

(1)冶煉過程中通過深脫氧深脫硫，降低S含量，以達到降低MnS夾雜生成的目的。

(2)通過加入變性劑，如硅鋇鋁或硅鈣線，對MnS的形核物質Al2O3進行變性，使其生成熔點低、顆粒大、更容易上浮的鈣鋁酸鹽復合氧化物，從根本上杜絕MnS的生成。

(3)降低澆注溫度，減輕鋼錠的凝固偏析。

(4)采用較小噸位錠型，加快鋼錠凝固速度，減輕偏析。

參考文獻

[1] 李洪生，高輝.鋼中硫化錳的形態及對鋼性能的影響[J].一重技術，2004(4)：26-28.

[2] 李躍，時一均，楊建春.C-Mn類大型鍛件試塊缺陷的檢測分析[J].一重技術，2016(3)：65-69.