35CrMo鋼錠樣坯裂紋成因分析

李志霞,王秋萍,蘇斯燕,白嘉偉

(1.機械工業蘭州石油化工設備檢測所有限公司,甘肅 蘭州 730070;2.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司,甘肅 蘭州 730070)

圖1(a)為某公司訂購的一批材質為35CrMo的液壓式鋼錠樣坯,其工藝路線為:下料→鍛造→粗加工→調質(油淬+回火)→精加工。精加工時發現坯孔內壁有多條細微裂紋,滲透檢測(PT)后,裂紋形貌如圖1(b)所示,長度為3～5 mm。該液壓室主要用于壓力車液壓系統的連接構件,成品制造完成以后需做水壓試驗,承受水壓為30～40 MPa。孔內壁出現裂紋無法滿足使用,判定為廢品。為查找液壓式鋼錠樣坯裂紋形成的原因,對其進行相關的理化檢驗與分析。

(a)加工件;(b)裂紋形貌

1 理化檢驗

1.1 化學成分分析

依據標準GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定火花放電原子發射光譜法(常規法)》對35CrMo液壓式鋼錠樣坯進行化學成分分析。分析結果符合標準GB/T 3077—2015《合金結構鋼》[1]中對材質35CrMo的要求,見表1。

表1 35CrMo鋼的化學成分(質量分數,%)

1.2 低倍檢驗

在液壓式鋼錠樣坯裂紋位置切取橫截面試樣進行低倍檢驗,依據標準GB/T 1979—2001《結構鋼低倍組織缺陷評級圖》及GB/T 226—2015《鋼的低倍組織及缺陷浸蝕檢驗法》進行檢驗。試樣經20%硫酸銨冷蝕后檢查:一般疏松1.0級,中心疏松1.0級,錠型偏析1.5級。約在橫斷面T/4的位置發現多條微裂紋,呈不規則分布,如圖2(a)和圖2(b)所示。依據標準GB/T 226—2015評判為白點在鋼坯橫向的表現形式[2]。為了驗證裂紋在縱向的表現形式,在圖2(a)裂紋的位置縱向取樣進行彎曲試驗(帶有V型缺口),在彎曲設備上壓斷試樣,在斷裂位置發現圓形的銀白色斑點,如圖2 (c)所示,為白點缺陷在鋼坯縱向斷口的主要特征。

(a)低倍組織;(b)局部放大;(c)彎曲試樣

1.3 金相檢驗

依據標準GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定》進行非金屬夾雜物的評級,試樣拋光態裂紋形貌見圖3(a)。裂紋以鋸齒狀存在,裂紋附近存在較多的長條狀灰色夾雜物,見圖3(b)。近裂紋處非金屬夾雜物檢測結果為:A 1.5,B 0.5,C 0.5,D 1.0,Ds 0.5,非金屬夾雜物評定結果符合標準GB/T 3077—2015《合金結構鋼》中的相關要求。

(a)裂紋全貌(拋光態);(b) 裂紋局部(拋光態);(c)裂紋局部(侵蝕態);(d)遠離裂紋處(侵蝕態)

依據標準GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗方法》及GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》對試樣進行組織檢驗和晶粒度評級,試樣經4%硝酸酒精腐蝕后,圖3(c)為腐蝕態裂紋局部-穿晶裂紋。圖3(d)為遠離裂紋處的基體組織。裂紋局部組織與基體組織一致,均為調制態的回火索氏體,奧氏體晶粒度級別為7.5級,屬于調質后合金鋼的正常組織。未發現晶粒粗大、魏氏組織和脫碳等異常現象。

1.4 EDS分析

對裂紋附近灰色夾雜物進行能譜點掃描分析,結果見圖4。灰色夾雜物的元素含量見表2。灰色夾雜物主要由硫元素和錳元素組成,該灰色夾雜物可能是MnS。

表2 點掃能譜分析中元素含量(質量分數,%)

圖4 裂紋附近灰色夾雜物的EDS分析結果Fig.4 EDS analysis results of gray inclusions near cracks

2 分析與討論

化學成分分析結果表明,該液壓室鋼錠樣坯的化學成分符合標準GB/T 3077—2015 《合金結構鋼》中對35CrMo材質的要求。

低倍檢驗發現在橫向受檢面存在多條細微的裂紋,見圖2(a)和2(b),裂紋形貌與加工時發現的一致。白點缺陷特征是在橫向呈細小裂紋,在縱向斷口上以圓形銀白色的斑點存在[3]。近裂紋處與基體顯微組織均為回火索氏體,見圖3(c)和3(d),組織與鋼坯的熱處理調制狀態相符。在裂紋兩側未發現脫碳和過熱過燒等現象。

能譜點掃描分析發現,在裂紋附近有較多的條狀灰色夾雜物MnS(見圖4),雖然非金屬夾雜物的評定級別符合標準GB/T 3077—2015《合金結構鋼》中對該材質的要求。但非金屬夾雜物的含量較高,這些夾雜物對氫的溶解度大,夾雜物在鍛件中也會成為白點的形成核心。尤其是硫化物本身具有塑性,隨著鍛件的熱加工一起發生變形,并以熱變形方向為主呈條狀分布。條狀分布的硫化錳夾雜物割裂了金屬連續性的基體。原本存在于夾雜物周圍的氫已在夾雜物與金屬基體之間的空隙中形成較大的氫壓力,結合鍛件中的熱應力在夾雜物的周邊產生應力集中,并且以夾雜物為核心形成了空間拉應力的應力場。在空間應力場的綜合作用下,溶解在夾雜物中的氫可以溶入鋼坯中,而氫反過來向應力場聚集。因此增加了鋼坯中局部區域的氫濃度,使更多的氫氣積聚在夾雜物的尖端,從而促使液壓式鋼錠樣坯在鍛造過程更易在夾雜物尤其是硫化錳存在的周邊產生白點缺陷[4-5]。

該液壓室鋼錠樣坯內孔壁微裂紋主要是白點在鋼坯橫向的表現形式。鎳鉻鋼和鎳鉻鉬等合金鋼為白點缺陷的敏感材質,主要是由于這類材質的鋼坯有較為明顯的組織應力。白點是常見的一種冶金缺陷,是在鋼錠中未逸散的氫原子、相變時產生的組織應力與鍛造后冷卻速度過快產生的熱應力等共同作用下產生的。當疊加的應力超過了鋼的強度極限就在鋼件的內部形成裂紋,即白點缺陷[6]。白點的形成以氫為主要因素,尤其是非金屬夾雜較多和冶金質量較差的材質中更易產生白點缺陷。白點缺陷的存在會破壞鋼材基體的連續性,降低鋼的塑性和零件成品的強度。白點缺陷本身就是應力集中點,尤其在應用到交變載荷的工況中,白點極易成為疲勞裂紋源區而導致疲勞破壞。鍛造的原材料是不允許出現內部缺陷的[7]。在生產過程中,一旦發現鋼件中存在白點缺陷,必須報廢或改鍛成更小型的鋼材,使白點焊合,否則不能投入產品使用[8]。

3 結論及預防措施

該35CrMo鋼錠樣坯內壁孔裂紋是白點在橫向上的表現形式,條狀MnS對白點缺陷的形成起促進作用。提出預防35CrMo鋼錠樣坯中白點缺陷的主要措施。

1) 控制夾雜物的含量。在冶煉或澆注過程中盡量減少夾雜物的來源;讓鋼液中已形成的夾雜物最大限度上浮到冒口區,后期切除冒口;在鍛造過程中,采用合理的鍛造工藝使粗大的夾雜物減少并使密集的夾雜物分散[9]。

2) 控制鋼中氫含量。煉鋼時采用真空脫氣或真空澆鑄的方法。對某些有更高要求的鍛件,可采用電渣重熔的工藝進一步提高鋼材的純凈度。鍛后進行去氫退火,使鋼中的氫擴散出去[10]。

3) 控制鋼中的內應力,尤其是組織應力。應調整熱處理工藝,尤其是在氫擴散最快的溫度區間長時間保溫,使氫能從鋼坯中充分的擴散出來[11]。