30CrNiMo鑄鋼件沖擊性能不合格原因分析

尹亞豪， 郭 磊， 蘇建鋒， 岳曉燦

(中鋼集團鄭州金屬制品研究院股份有限公司， 河南 鄭州 450001)

30CrNiMo鋼由于具有淬透性高、綜合力學性能好和冷熱加工性能優良等特點，在礦山機械中得到了廣泛應用。某廠生產的30CrNiMo鑄鋼件，生產過程包括鑄態成形、正火(890 ℃×1 h，空冷)、調質(880 ℃保溫1 h,水淬，600 ℃回火2 h)處理，在進行性能檢驗時沖擊吸收能量不合格(檢驗值均不到10 J，遠低于要求值下限34 J)，委托我單位進行檢驗。沖擊試樣取自單鑄試塊，取樣位置如圖1所示。本文通過在實驗室利用掃描電鏡和光學顯微鏡等檢測手段進行檢測和分析，確定了鑄鋼件沖擊吸收能量不合格的原因。

圖1 沖擊試樣取樣位置Fig.1 Sampling location of the impact specimens

1 理化檢驗

1.1 斷口微觀形貌

使用ZEISS EVO15掃描電鏡對沖擊試樣斷口進行形貌觀察，斷口形貌如圖2所示。由圖2可知，其宏觀斷口形貌較為異常，斷口上呈現出許多小平面，屬于明顯的沿晶斷口。在掃描電鏡下觀察，其斷口小平面上分布有許多條紋，對條紋之間進一步放大觀察，呈解理和準解理特征；兩側邊緣處為韌窩形貌。

圖2 試驗鋼正火態SEM斷口形貌(a)宏觀；(b)沿晶斷口；(c)鑄態結晶組織；(d)韌窩形貌Fig.2 SEM fracture morphologies of the normalized tested steel(a) macroscopic； (b) intergranular fracture； (c) as-cast crystalline microstructure； (d) dimple morphology

1.2 能譜面掃描及成分分析

使用X-Max50能譜儀對斷口小平面上條紋處進行微區成分分析，結果如圖3所示。由圖3可知，斷面面掃描結果顯示Nb分布不均勻，存在偏聚現象，定量分析結果顯示條紋處Nb含量為1.74%，條紋間Nb含量太低而未被檢測到，條紋處Nb含量高于周圍非條紋處。

圖3 調質態試驗鋼斷口小平面EDS分析(a)條紋處面掃描結果；(b)條紋處和條紋間定量分析結果Fig.3 EDS analysis at small plane fracture of the quenched and tempered tested steel(a) surface scanning results at fringe; (b) quantitative analysis results at fringe and between stripes

1.3 顯微組織

取同批次鑄態、正火態、淬火態和回火態試件在相同位置制樣，使用體積分數為4%硝酸酒精溶液進行侵蝕，然后使用ZEISS Imager.M2m光學顯微鏡進行顯微組織檢查，結果如圖4所示。鑄態顯微組織為沿晶界分布的條、塊狀鐵素體，晶內為針狀鐵素體+珠光體；正火態為鐵素體+珠光體+粒狀貝氏體；淬火態為馬氏體+粒狀貝光體；調質態為回火索氏體。

圖4 試驗鋼不同熱處理狀態的顯微組織(a)鑄態；(b)正火態；(c)淬火態；(d)回火態Fig.4 Microstructure of the tested steel under different heat treatment states(a) as-cast; (b) normalized; (c) quenched; (d) tempered

對鑄態和淬火態組織進行晶粒度檢驗，結果如圖5所示。鑄態組織晶粒度級別劣于GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》中00級，晶粒尺寸與斷口上小平面尺寸較為接近，淬火態組織晶粒尺寸極不均勻，呈現雙重晶粒度特征。

1.4 化學成分檢驗

在沖擊試樣上取樣，使用5110VDV等離子體發射光譜儀和DK 606紅外碳硫分析儀進行化學成分檢驗，結果見表1。由表1可知，沖擊試樣化學成分符合JB/T 5000.6—2007《重型機械通用技術條件 第6部分：鑄鋼件》中ZG30CrNiMo的要求。

1.5 硬度檢驗

采用FM-310型顯微硬度計對沖擊試樣斷口的解理形貌區域和韌窩形貌區域進行硬度測試，試驗力0.98 N，試驗力保持時間10 s，每個區域選擇5個測試點，解理形貌區域的硬度平均值為334 HV0.1，韌窩形貌區域的硬度平均值為328 HV0.1，兩個區域的硬度未見明顯差異。

2 分析與討論

由化學元素結果可知，鑄鋼件化學成分符合JB/T 5000.6—2007標準中ZG30CrNiMo鋼的要求。由硬度測試結果可排除材料硬度不均勻導致的沖擊吸收能量不合格。

由斷口微觀形貌觀察結果可知，沖擊試樣斷口出現沿晶斷口。沿晶斷口上小平面尺寸與鑄態的原奧氏體晶粒尺寸較為接近，表明鑄鋼件熱處理過程中存在晶界遺傳現象。一般來說，晶界遷移的驅動力與晶界的曲率半徑呈反比，原始晶粒越大，晶界越平直，晶界的曲率半徑幾近無窮大，則隨后加熱時，其遷移的可能性越小，越容易保留完整的原始晶界。由能譜檢驗結果可知，條紋處Nb含量高于周圍非條紋處，表明鋼中存在Nb偏聚，Nb為強碳化物形成元素，在鋼中大部分以碳化物NbC形式存在。當鋼中晶界有析出相時，在一般的熱處理溫度下，析出相因不能完全固溶而很難消除[1]。由金相檢驗結果可知，正火處理時形成了鐵素體+珠光體和粒狀貝氏體組織；對于30CrNiMo鋼，根據相關研究[2]，由于含有較高的Cr、Ni、Mo等合金，在冷速較慢時也存在發生非平衡轉變的可能。一旦生成貝氏體或者馬氏體，根據鋼的組織遺傳現象[3]，可能后續的正火或者調質均不能消除該組織，導致熱處理后試件內部混晶或者晶粒粗大。由于Nb具有增加淬透性和抑制珠光體形成的作用，表明鋼中的合金元素偏析未能通過正火進行消除，后續淬火態晶粒不均勻出現混晶現象也說明合金元素偏聚現象的存在。合金元素在晶界的偏聚能改變晶界的遷移特性。一方面，偏聚于晶界的合金元素能降低晶界的活動性，對晶界遷移起阻礙作用，另一方面，還可能形成較多的第二相粒子起到釘扎晶界、鞏固晶界遺傳的作用[4]。

3 結論及建議

1) 通過對30CrNiMo鑄鋼件沖擊斷口進行檢測分析，發現由于合金元素偏析，使試件出現非平衡轉變組織、發生晶界遺傳是造成試件沖擊吸收能量不合格的直接原因。

2) 針對正火后試件出現貝氏體等非平衡轉變組織，將正火調整為等溫退火，避免發生非平衡轉變，可降低晶界遺傳程度，有效提高試件沖擊性能。