550A磨球鋼圓鋼斷裂原因分析

葉德新，鄧湘斌，周成宏，劉年富

(寶武集團(tuán)廣東韶關(guān)鋼鐵有限公司，廣東 韶關(guān) 512123)

550A屬于高碳磨球用鋼，主要作為生產(chǎn)制造礦山選礦用球磨機(jī)中的易損件磨球。韶鋼生產(chǎn)的出口用550A圓鋼在國外港口卸裝時(shí)發(fā)現(xiàn)圓鋼斷裂，該質(zhì)量問題對客戶造成很大的影響，同時(shí)使韶鋼產(chǎn)品質(zhì)量形象受損。為防止此類問題的再次發(fā)生，對斷裂圓鋼生產(chǎn)過程進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查；同時(shí)對斷裂試樣進(jìn)行宏觀形貌、成分、金相組織、掃描電鏡等理化性能檢測分析，找到圓鋼斷裂的原因，并采取了相應(yīng)的措施。

1 理化檢測

圓鋼斷裂試樣如圖1所示。為了確認(rèn)圓鋼斷裂原因，對試樣進(jìn)行成分、低倍、金相組織等分析。

1.1成分分析

使用直讀光譜儀對斷裂圓鋼進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果如表1所示。檢測結(jié)果表明試樣成分控制較好，在產(chǎn)品控制要求范圍內(nèi)。

(a)斷口形貌；(b)缺陷試樣圖1 斷裂圓鋼(a) fracture morphology; (b) defected specimenFig.1 Fractured steel rod

元素CSiMnPSCrMo標(biāo)準(zhǔn)要求0.78～0.850.25～0.400.55～1.05≤0.025≤0.0200.97～1.050.030～0.080實(shí)測值0.820.290.990.0200.0041.010.057

1.2氧氮?dú)浞治?/p>

采用ONH836氧氮?dú)渎?lián)合測定儀進(jìn)行氧氮?dú)浞治?，分析結(jié)果如表2所示，檢測結(jié)果表明試樣其它含量控制較好。

表2 氣體含量

1.3低倍檢驗(yàn)

在樣品斷裂斷口的另一端取2個(gè)低倍樣進(jìn)行酸洗，按GB/T 1979 對試樣進(jìn)行檢驗(yàn)評級(jí)。酸洗后的低倍試樣觀察低倍組織正常，無異常缺陷。酸洗后組織及評級(jí)結(jié)果分別如圖2、表3所示。

表3 低倍評級(jí)

圖2 低倍組織Fig.2 macrostructure

圖3 顯微組織試樣Fig.3 Sample for microstructure

1.4金相分析

在斷裂斷口端部處垂直于軋制方向取樣進(jìn)行組織分析，從試樣上可以看到明顯的裂紋，裂紋幾乎貫穿整個(gè)試樣，裂紋在試樣中心開口較大，邊部開口小，結(jié)合正反面及側(cè)面可以看出裂紋呈螺旋走勢。試樣如圖3所示。

試樣經(jīng)過研磨拋光后使用萊卡金相顯微鏡進(jìn)行觀察分析。觀察試樣裂紋內(nèi)及周圍無夾雜物存在，如圖4所示；經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，裂紋兩側(cè)無脫碳現(xiàn)象，裂紋處組織與基體組織一致，均為正常組織，其基體組織為滲碳體+珠光體，如圖5所示。

1.5掃描電鏡分析

將試樣沿裂紋擴(kuò)展方向打斷，用酒精清洗后，用掃描電鏡觀察斷口形貌。觀察結(jié)果顯示斷口上無明顯的非金屬夾雜物，其斷裂形式為脆性解理斷裂[1]，如圖6所示。

(a)裂紋處形貌1； (b)裂紋處形貌2圖4 裂紋形貌(a) crack morphology 1; (b) crack morphology 2Fig.4 Crack morphology

(a)裂紋處組織； (b)基體組織圖5 顯微組織(a) microstructure at cracks; (b) matrix structureFig.5 Microstructure

(a)裂紋斷口1； (b)裂紋斷口2圖6 裂紋斷口形貌(a)crack fracture 1; (b) crack fracture 2Fig.6 Fracture morphology

2 生產(chǎn)過程情況

通過對磨球鋼軋制過程進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，該材料在加熱、軋制過程中各工藝參數(shù)符合要求，整個(gè)過程未發(fā)現(xiàn)明顯異常。在調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，由于圓鋼要求彎曲度≤ 4 mm/m，對于平直度符合要求的圓鋼快速收集打包，下線堆冷，堆冷溫度大于350 ℃；而對于在軋制過程中彎曲度不符合要求的圓鋼(約6%)單獨(dú)收集(溫降大)，生產(chǎn)結(jié)束后，堆放在待處置區(qū)域，安排矯直，使彎曲在外力作用下矯直，產(chǎn)品達(dá)到合格狀態(tài)。通過對斷裂圓鋼過程流轉(zhuǎn)對應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)所有存在斷裂問題的材料均是經(jīng)過了矯直工序。

3 分析與討論

通過化學(xué)成分分析，材料成分控制正常。通過對材料氣體、低倍等性能指標(biāo)的分析，材料各類性能指標(biāo)正常，說明材料不是由于性能異常導(dǎo)致的斷裂。在斷口附近取樣發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋，裂紋由中心擴(kuò)展呈螺旋走勢。通過對裂紋顯微組織的分析，裂紋處及周圍無夾雜物，裂紋組織與基體組織一致，無異常組織，因此夾雜物及內(nèi)部組織均不是造成裂紋的原因。

通過掃描電鏡對裂紋的形貌分析，裂紋為脆性解理斷裂，解理斷裂是在正應(yīng)力作用產(chǎn)生的一種穿晶斷裂，解理斷裂通常是具有體心立方(珠光體中鐵素體)和密排六方金屬在沖擊載荷和應(yīng)力集中情況下發(fā)生[2]。

磨球碳含量高，且含有較高的合金元素，裂紋敏感性強(qiáng)，快速冷卻過程鋼中組織應(yīng)力較大，圓鋼彎曲后在矯直過程中將產(chǎn)生矯直應(yīng)力，矯直應(yīng)力與組織應(yīng)力疊加，后期運(yùn)輸過程中，如果受到較大的外力(如嚴(yán)重的擠壓、碰撞)，將導(dǎo)致圓鋼應(yīng)力超過鋼材斷裂韌度，使圓鋼產(chǎn)生裂紋甚至斷裂[3-4]。

4 工藝改進(jìn)

針對550A磨球鋼圓鋼斷裂問題，通過分析提出工藝改進(jìn)措施，對彎曲圓鋼進(jìn)行退火熱處理，使鋼材中的應(yīng)力得到了有效的釋放[5-6]，同時(shí)降低了鋼材的硬度，使矯直變得更容易。通過以上措施，鋼廠再未接到客戶類似質(zhì)量投訴。

5 結(jié)論

1)造成圓鋼斷裂的主要原因是彎曲圓鋼單獨(dú)收集溫降快，矯直前沒有進(jìn)行去應(yīng)力處理，導(dǎo)致鋼材內(nèi)部應(yīng)力大于鋼材斷裂韌度。

2)通過對彎曲鋼材矯直前去應(yīng)力退火，有效地避免的圓鋼斷裂。