馬氏體不銹鋼鑄件冷彎開裂問題分析

李永新，馬 進，趙國偉

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

水輪機設備工作條件嚴苛，而轉輪作為水輪機核心部件，已被列入《國家首臺(套)重大技術裝備推廣應用指導目錄》。大型水輪機轉輪通常是有上冠、下環和13～17 個葉片鑄鋼件組焊而成。這類鑄鋼件要求尺寸精度高、承載能力強、抗腐蝕性好，從而對鑄件生產企業提出嚴峻挑戰。批量鑄件生產中，檢測鑄件的附鑄試塊，會發現約有3%的試樣，抗拉強度、延伸率和沖擊韌性等各項指標均符合標準要求，但90°彎曲時會在受彎面外側出現不同程度的小孔洞或小裂紋。為進一步提高產品質量，本文對此問題進行檢測分析解決。

1 產品介紹

這些鑄鋼件材質為Cr13Ni4Mo，是一種低碳馬氏體不銹鋼。該類材質具有良好的鑄造和耐蝕性能，且通過相應的熱處理工藝，可以得到較高的綜合力學性能，因此，被廣泛運用于水輪機組轉輪鑄鋼件上。這些鑄鋼件熔煉工藝通常采用EAF+LF+VOD，化學成分要求如表1 所示。

表1 鑄件化學成分要求 ωB/%

另外要求P≤0.028%,S≤0.008%，N≤150×10-4%,H≤3×10-4%,O≤60×10-4%，控制殘余元素Al、V、Cu 等。

這些鑄鋼件所要求的常溫力學性能見表2。

表2 鑄鋼件的常溫力學性能要求

2 檢測分析

通過對這些彎曲有缺陷的試樣的生產過程調查核實，并取樣進行相應的檢測分析，同時和沒有出現彎曲裂紋的試樣對比，總體來說，大致有以下幾個方面的常見原因：（1）非金屬夾雜物等級較高，或同時有外來夾雜物，如圖1 所示；（2）金相組織中有δ-鐵素體存在，如圖2 所示；（3）試樣中有氣孔、縮松等微小鑄造缺陷，如圖3、4 所示。

圖1 非金屬夾雜物

圖2 金相組織

圖3 試樣上的氣孔

圖4 試樣上的縮松

3 原因分析

金屬彎曲試驗是測定金屬材料承受彎曲載荷時其彎曲塑性變形能力的試驗方法，是材料機械性能試驗的基本方法之一。彎曲試驗主要用于測定脆性和低塑性材料（如鑄鐵、高碳鋼、工具鋼等）的抗彎強度并能反映塑性指標的撓度，對于脆性材料彎曲試驗一般只產生少量的塑性變形即可破壞。而對于塑性材料則不能測出彎曲斷裂強度，但可檢驗其延展性和均勻性。塑性材料的彎曲試驗通常稱為冷彎試驗，試驗時將試樣加載，使其彎曲到一定程度，觀察試樣表面有無裂縫。但對于高塑性材料，彎曲試驗通常達不到其破壞程度，故一般不做彎曲強度試驗。

彎曲試驗還可用來檢查材料的表面質量。彎曲試驗時，試樣斷面上的應力分布是不均勻的，表面應力應變最大，而心部最小，故可以比較靈敏地反應材料表面缺陷情況，因此常用來檢測材料表面質量，比較和鑒別滲碳層和表面淬火層等表面熱處理后工件的質量和性能。還可以檢驗材料或焊接接頭受拉面上的塑性變形等能力及缺陷的顯示能力。

圖5 模擬冷彎過程應力情況

圖6 彎曲試樣

圖5 所示為使用有限元ABAQUS 軟件模擬材料在冷彎過程中的變形受力情況。

根據以上彎曲試驗自身特點介紹以及軟件模擬結果可知，冷彎試樣受彎曲載荷時，冷彎試樣斷面上的應力分布是不均勻的，表面應力應變最大，而心部最小。尤其是彎曲試樣受彎部位外側表面受很大的拉應力。此時，如果試樣內非金屬夾雜物較多，而且夾雜物尺寸較大且帶有棱邊棱角，據介紹[1-3]，夾雜物對金屬基體起到割裂作用，破壞了金屬基體的連續性，在夾雜物周邊產生應力集中，使金屬產生顯微孔隙并隨著外力加大逐步延伸擴展成為裂紋源，使金屬基體彼此分離而導致裂紋產生。再加上夾雜物自身塑韌性較差，較脆，抵抗變形的能力和基體金屬不同，從而導致夾雜物處易產生裂紋，使彎曲樣彎曲不合格。

另外，如果鑄件基體組織中含有δ-鐵素體這種非正常組織，也會降低彎曲性能。因為δ-鐵素體屬于鑄件凝固過程中高溫階段形成的組織，屬于軟化相，經試驗室檢測，δ-鐵素體的硬度約為HV10165，而經兩次回火后的馬氏體組織硬度約為HV10240。當試樣受彎外側表面受很大的拉應力時，如果試樣基體內存在δ-鐵素體，則因為各組織相的硬度及其他性能不一致時，會降低整體的抗塑性變形能力并優先在δ-鐵素體相區產生裂紋源并擴展，使彎曲樣彎曲不合格。

而對于試樣自身有缺陷的，比如微小氣孔或縮松、渣孔等，能夠破壞金屬連續性和致密性的這些缺陷，在試樣上無論是外漏還是在次表層存在，尤其是存在于彎曲試樣受彎外側，必然極大地降低試樣抵抗彎曲變形的能力，缺陷局部存在較大的應力集中，且成為先天性的裂紋源，很容易使彎曲不合格。

由此可見，如果鑄件的彎曲試樣上存在以上一種或多種缺陷時，就很容易降低彎曲性能，使彎曲試驗不合格或不合格的風險加大。當然，導致彎曲不合格的也還有其他因素，比如彎曲試樣的機加工制樣不規范，尺寸不合適、加工應力較大、表面粗糙度較差或有加工刀痕，試樣的原始表面氧化脫碳、滲碳、滲金屬、晶粒粗大混晶[4、5]、組織不均勻等，也有可能導致彎曲性能變差，彎曲不合格。

4 解決措施

（1）降低鑄件內非金屬夾雜物等級。主要是提高鋼液純凈度，澆注時澆口及鑄件砂型內采用惰性氣體保護，防止澆注時鋼液的二次氧化。造型及合箱等工序保證砂型內干凈無散砂雜物等，合理設計澆注系統防止沖砂，同時澆注時鋼液量充足，保證澆包內有足夠的余鋼，避免下渣。最終保證鑄件內非金屬夾雜物等級較低，無論是粗細夾雜物，等級盡可能≤1.5 級,避免外來夾雜物。

（2）控制鑄件組織，除了保證鑄件基體組織主要是均勻的回火馬氏體外，一般將組織內δ-鐵素體含量控制在3%以下。δ-鐵素體屬于金屬液體凝固過程中在高溫下產生的共析相，一旦產生，后續的正常的熱處理很難將其消除。理論上，在較高溫度的奧氏體單相區對鑄件進行高溫擴散退火處理，可以消除部分甚至全部δ-鐵素體，但是經高溫長時間擴散退火處理后，材料的晶粒粗大，鑄件燒損、變形嚴重，不適合實際生產。因此，對于馬氏體不銹鋼這種材料，需要通過設計材料合金成分中的Nieq/Creq 比例來控制最終組織中δ-鐵素體含量。根據理論計算和對目前所生產的砂型鑄件實際統計，當Nieq/Creq≥0.42 時，鑄態下材料中基本沒有δ-鐵素體。其中Nieq=Ni+30（C＋N）+0.5Mn，Creq=Cr+Mo+1.5Si。

（3）提高試塊試樣自身致密性，杜絕試樣缺陷。鑄造工藝設計時，選取合適試塊尺寸及形狀，對于附鑄試塊，在鑄件的放置位置也要注意，避免試塊放置在鑄件易積渣、掛渣或者容易沖砂部位，如無特殊要求不要將試塊放置在熱節部位，避免試塊及其周邊部位沖型憋氣，必要時試塊上加小出氣管。另外造型時加強試塊型腔砂子的緊實度以及涂料的刷涂質量，避免澆注后試塊粘砂。合箱前仔細檢查清理試塊型腔內的砂子及異物。當然，對于后期取樣試塊，亦可以提前進行外觀檢查，對于有氣孔、渣孔以及粘砂嚴重的試塊可以報廢不用。除此之外，表面沒有問題的試塊還可以鏟磨后進行UT、MT 檢測，但因為微小的孔型或線性小缺陷UT 有可能檢測識別不出，所以主要還是從源頭上控制試塊試樣質量。

另外盡可能保證鑄件組織均勻，晶粒大小合適，能夠按照標準要求加工制樣，保證試樣尺寸、外形及表面粗糙度等達到要求，彎曲試驗過程規范等。采取以上措施，會顯著地提高試樣彎曲性能符合率。

5 結束語

針對低碳馬氏體不銹鋼鑄件力學性能檢測中冷彎不合的問題，通過實際檢測分析研究總結，找出了發生問題的主要原因及其應對的主要措施，經過實際運用驗證，取得了較好的效果，提高了產品質量，滿足了顧客要求。