馬氏體不銹鋼鑄件冷彎開裂問題分析

李永新，馬 進(jìn)，趙國偉

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

水輪機(jī)設(shè)備工作條件嚴(yán)苛，而轉(zhuǎn)輪作為水輪機(jī)核心部件，已被列入《國家首臺(tái)(套)重大技術(shù)裝備推廣應(yīng)用指導(dǎo)目錄》。大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪通常是有上冠、下環(huán)和13～17 個(gè)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(qiáng)、抗腐蝕性好，從而對(duì)鑄件生產(chǎn)企業(yè)提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。批量鑄件生產(chǎn)中，檢測鑄件的附鑄試塊，會(huì)發(fā)現(xiàn)約有3%的試樣，抗拉強(qiáng)度、延伸率和沖擊韌性等各項(xiàng)指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但90°彎曲時(shí)會(huì)在受彎面外側(cè)出現(xiàn)不同程度的小孔洞或小裂紋。為進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量，本文對(duì)此問題進(jìn)行檢測分析解決。

1 產(chǎn)品介紹

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

表1 鑄件化學(xué)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(xué)性能見表2。

表2 鑄鋼件的常溫力學(xué)性能要求

2 檢測分析

通過對(duì)這些彎曲有缺陷的試樣的生產(chǎn)過程調(diào)查核實(shí)，并取樣進(jìn)行相應(yīng)的檢測分析，同時(shí)和沒有出現(xiàn)彎曲裂紋的試樣對(duì)比，總體來說，大致有以下幾個(gè)方面的常見原因：（1）非金屬夾雜物等級(jí)較高，或同時(shí)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(yàn)是測定金屬材料承受彎曲載荷時(shí)其彎曲塑性變形能力的試驗(yàn)方法，是材料機(jī)械性能試驗(yàn)的基本方法之一。彎曲試驗(yàn)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(qiáng)度并能反映塑性指標(biāo)的撓度，對(duì)于脆性材料彎曲試驗(yàn)一般只產(chǎn)生少量的塑性變形即可破壞。而對(duì)于塑性材料則不能測出彎曲斷裂強(qiáng)度，但可檢驗(yàn)其延展性和均勻性。塑性材料的彎曲試驗(yàn)通常稱為冷彎試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)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(duì)于高塑性材料，彎曲試驗(yàn)通常達(dá)不到其破壞程度，故一般不做彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)。

彎曲試驗(yàn)還可用來檢查材料的表面質(zhì)量。彎曲試驗(yàn)時(shí)，試樣斷面上的應(yīng)力分布是不均勻的，表面應(yīng)力應(yīng)變最大，而心部最小，故可以比較靈敏地反應(yīng)材料表面缺陷情況，因此常用來檢測材料表面質(zhì)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(zhì)量和性能。還可以檢驗(yàn)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(yīng)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(jù)以上彎曲試驗(yàn)自身特點(diǎn)介紹以及軟件模擬結(jié)果可知，冷彎試樣受彎曲載荷時(shí)，冷彎試樣斷面上的應(yīng)力分布是不均勻的，表面應(yīng)力應(yīng)變最大，而心部最小。尤其是彎曲試樣受彎部位外側(cè)表面受很大的拉應(yīng)力。此時(shí)，如果試樣內(nèi)非金屬夾雜物較多，而且夾雜物尺寸較大且?guī)в欣膺吚饨牵瑩?jù)介紹[1-3]，夾雜物對(duì)金屬基體起到割裂作用，破壞了金屬基體的連續(xù)性，在夾雜物周邊產(chǎn)生應(yīng)力集中，使金屬產(chǎn)生顯微孔隙并隨著外力加大逐步延伸擴(kuò)展成為裂紋源，使金屬基體彼此分離而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)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(dǎo)致夾雜物處易產(chǎn)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(huì)降低彎曲性能。因?yàn)棣?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(jīng)試驗(yàn)室檢測，δ-鐵素體的硬度約為HV10165，而經(jīng)兩次回火后的馬氏體組織硬度約為HV10240。當(dāng)試樣受彎外側(cè)表面受很大的拉應(yīng)力時(shí)，如果試樣基體內(nèi)存在δ-鐵素體，則因?yàn)楦鹘M織相的硬度及其他性能不一致時(shí)，會(huì)降低整體的抗塑性變形能力并優(yōu)先在δ-鐵素體相區(qū)產(chǎn)生裂紋源并擴(kuò)展，使彎曲樣彎曲不合格。

而對(duì)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(xù)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(cè)，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(yīng)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(shí)，就很容易降低彎曲性能，使彎曲試驗(yàn)不合格或不合格的風(fēng)險(xiǎn)加大。當(dāng)然，導(dǎo)致彎曲不合格的也還有其他因素，比如彎曲試樣的機(jī)加工制樣不規(guī)范，尺寸不合適、加工應(yīng)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(dǎo)致彎曲性能變差，彎曲不合格。

4 解決措施

（1）降低鑄件內(nèi)非金屬夾雜物等級(jí)。主要是提高鋼液純凈度，澆注時(shí)澆口及鑄件砂型內(nèi)采用惰性氣體保護(hù)，防止?jié)沧r(shí)鋼液的二次氧化。造型及合箱等工序保證砂型內(nèi)干凈無散砂雜物等，合理設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)防止沖砂，同時(shí)澆注時(shí)鋼液量充足，保證澆包內(nèi)有足夠的余鋼，避免下渣。最終保證鑄件內(nèi)非金屬夾雜物等級(jí)較低，無論是粗細(xì)夾雜物，等級(jí)盡可能≤1.5 級(jí),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(nèi)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(chǎn)生的共析相，一旦產(chǎn)生，后續(xù)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(qū)對(duì)鑄件進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散退火處理，可以消除部分甚至全部δ-鐵素體，但是經(jīng)高溫長時(shí)間擴(kuò)散退火處理后，材料的晶粒粗大，鑄件燒損、變形嚴(yán)重，不適合實(shí)際生產(chǎn)。因此，對(duì)于馬氏體不銹鋼這種材料，需要通過設(shè)計(jì)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(jù)理論計(jì)算和對(duì)目前所生產(chǎn)的砂型鑄件實(shí)際統(tǒng)計(jì)，當(dāng)Nieq/Creq≥0.42 時(shí)，鑄態(tài)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(shè)計(jì)時(shí)，選取合適試塊尺寸及形狀，對(duì)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(jié)部位，避免試塊及其周邊部位沖型憋氣，必要時(shí)試塊上加小出氣管。另外造型時(shí)加強(qiáng)試塊型腔砂子的緊實(shí)度以及涂料的刷涂質(zhì)量，避免澆注后試塊粘砂。合箱前仔細(xì)檢查清理試塊型腔內(nèi)的砂子及異物。當(dāng)然，對(duì)于后期取樣試塊，亦可以提前進(jìn)行外觀檢查，對(duì)于有氣孔、渣孔以及粘砂嚴(yán)重的試塊可以報(bào)廢不用。除此之外，表面沒有問題的試塊還可以鏟磨后進(jìn)行UT、MT 檢測，但因?yàn)槲⑿〉目仔突蚓€性小缺陷UT 有可能檢測識(shí)別不出，所以主要還是從源頭上控制試塊試樣質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)要求加工制樣，保證試樣尺寸、外形及表面粗糙度等達(dá)到要求，彎曲試驗(yàn)過程規(guī)范等。采取以上措施，會(huì)顯著地提高試樣彎曲性能符合率。

5 結(jié)束語

針對(duì)低碳馬氏體不銹鋼鑄件力學(xué)性能檢測中冷彎不合的問題，通過實(shí)際檢測分析研究總結(jié)，找出了發(fā)生問題的主要原因及其應(yīng)對(duì)的主要措施，經(jīng)過實(shí)際運(yùn)用驗(yàn)證，取得了較好的效果，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，滿足了顧客要求。