MnS夾雜物引起16Mn鍛件白點缺陷的原因分析

師虎軍，史 偉，楊 莉，石永祥,王麗娜

(1.蘭州蘭石集團有限公司鑄鍛分公司，甘肅 蘭州 730314； 2.蘭州蘭石檢測技術有限公司，甘肅 蘭州 730314； 3.甘肅省機械裝備材料表征與安全評價工程研究中心，甘肅 蘭州 730314； 4.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730314； 5.蘭州交通大學材料科學與工程學院，甘肅 蘭州 730070)

冶煉和澆注過程中氫在鋼液中的溶解度隨溫度下降而降低，部分過飽和而應該析出的氫不能及時析出產(chǎn)生的缺陷稱作白點[1-3]。白點缺陷是鋼材中一種非常致命的缺陷，一旦出現(xiàn)就會造成產(chǎn)品報廢[4-5]。隨著冶煉工藝的發(fā)展，白點缺陷的成因、控制已相對成熟，通過成分控制、析氫處理等手段，白點缺陷得到了有效控制。

在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)某批次16Mn筒體鍛件中化學成分符合標準要求，鋼錠經(jīng)過析氫處理，在鍛造后探傷發(fā)現(xiàn)密集型缺陷，解剖分析為MnS夾雜物引起的白點缺陷。本文對MnS夾雜物造成白點缺陷的原因進行分析，探討其形成機理，并提出控制措施，以期為生產(chǎn)提供指導。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

研究對象為16Mn筒體鍛件，鍛造前經(jīng)加熱、鐓粗、沖孔、拔長至壁厚為120 mm，鍛件始鍛溫度為1240 ℃，保溫3 h，機加工表面時經(jīng)UT檢測，發(fā)現(xiàn)16Mn筒體多處存在密集性缺陷，密集性缺陷深度超出標準NB/T 47008—2017《承壓設備用碳素鋼和合金鋼鍛件》中表4的規(guī)定，該筒體鍛件不合格。取樣進行化學成分分析見表1，成分符合標準NB/T 47008—2017《承壓設備用碳素鋼和合金鋼鍛件》中對16Mn材質(zhì)的要求，其中H元素含量未見明顯異常，見表1。

表1 16Mn鍛件化學分析(質(zhì)量分數(shù)，%)

1.2 宏觀檢驗

在16Mn鍛件的密集型缺陷處取樣進行低倍組織觀察，弧形鍛面的內(nèi)壁至T/2范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)多處存在疏松和小裂紋，小裂紋幾乎和鍛造方向平行，如圖1所示。放大觀察到小裂口兩端稍尖、略呈鋸齒狀。在密集型缺陷處縱向取樣進行彎曲試驗，發(fā)現(xiàn)斷口存在明顯白點缺陷特征[5]，如圖2所示。

圖1 缺陷處宏觀組織

圖2 白點缺陷

1.3 金相檢驗

拋光態(tài)裂紋局部形貌如圖3所示，裂紋呈鋸齒狀發(fā)紋，與白點缺陷形態(tài)一致。裂紋附近有較多的灰色夾雜物和疏松，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，顯微組織為貝氏體+少量鐵素體，裂紋兩側未發(fā)現(xiàn)脫碳現(xiàn)象，如圖4所示。裂紋兩側顯微組織具有一定連續(xù)性，表明開裂發(fā)生在最終熱處理后。圖5為遠離裂紋處的顯微組織，為鐵素體+珠光體+少量貝氏體，非金屬夾雜物檢測結果為：A 0.5，B 0.5，C 0.5，D 1.0，Ds 0.5。采用掃描電子顯微鏡觀察夾雜物處的顯微組織，如圖6所示。存在長條狀的MnS夾雜物，微裂紋走向與MnS長度方向一致，且MnS夾雜物尖端與基體存在一定的空隙。

圖3 裂紋拋光態(tài)形貌

圖4 裂紋兩側顯微組織

圖5 遠離裂紋處顯微組織

圖6 夾雜物SEM

1.4 能譜分析

對顯微組織中存在的夾雜物進行能譜點分析，如圖7所示，夾雜物成分為S和Mn元素，其中S元素相對含量為36.11%，Mn元素相對含量為63.89，夾雜物為MnS，與金相檢驗結果一致。

圖7 夾雜物能譜分析結果

2 分析與討論

2.1 結果分析

化學成分分析結果表明：16Mn筒體鍛件的化學成分符合標準NB/T 47008—2017《承壓設備用碳素鋼和合金鋼鍛件》中對16Mn材質(zhì)的要求，S、Mn和H元素含量未見異常。宏觀檢測發(fā)現(xiàn)缺陷處有許多細小的裂紋，呈鋸齒狀，裂紋兩側未發(fā)現(xiàn)脫碳和過熱現(xiàn)象，裂紋穿晶擴展，具有明顯冷裂紋特征[6]，顯微組織為貝氏體+少量鐵素體，周圍存在灰色的MnS夾雜物，與能譜分析結果一致。遠離裂紋處的顯微組織為鐵素體+珠光體+少量貝氏體。掃描電子顯微鏡觀察微小裂紋沿著MnS的方向形成，MnS夾雜物尖端與基體存在一定的空隙。能譜分析結果與金相檢驗結果一致，可以確定產(chǎn)生的密集型缺陷為白點缺陷[7-8]。

2.2 MnS夾雜物形成原因

如果冶煉工藝得當，16Mn材質(zhì)鍛件中MnS夾雜物級別應該控制在0.5級之內(nèi)，S和Mn應該以固溶原子的形式或細小、彌散分布的夾雜物形態(tài)存在，而不是長條狀的MnS夾雜物。如果在鑄造過程中，澆鑄溫度過高、鋼液凝固速度過慢、產(chǎn)生鑄坯偏析等情況，就會有足夠長的時間使得元素發(fā)生擴散、聚集，導致MnS夾雜物形核、長大，故而在鋼中形成較大尺寸的MnS夾雜物。

2.3 白點缺陷形成原因

鑄造形成的MnS夾雜物為顆粒狀或圓形，在鍛造時由于硫化物具有塑性，在受力情況下能伸長生成條狀夾雜物，而MnS夾雜物尖端一般會與基體形成一定的空隙，即使鋼中的H原子含量比較低，但是此時的硫化物作為弱捕H劑將更多氫元素逐漸積集在夾雜物的尖端，形成巨大的局部壓力。由于該處形成的空隙較為尖銳，則容易形成應力源造成應力集中，導致微觀空隙發(fā)展成內(nèi)部裂紋，最終在鍛造后產(chǎn)生白點缺陷[9]，使鍛件報廢。

2.4 預防措施

由于該白點缺陷的產(chǎn)生與MnS夾雜物的存在密切相關，采用調(diào)整化學成分、消氫處理等方式并不能避免缺陷的產(chǎn)生。應當嚴格控制冶煉工藝，采用適宜的澆鑄溫度、避免鑄坯偏析、凝固過程控制等措施降低夾雜物含量或偏析程度，使S和Mn以固溶原子的形式存在，或者使MnS夾雜物尺寸細小、均勻彌散分布在鋼中[10-12]，避免成為大尺寸的MnS夾雜物，從而避免白點缺陷的產(chǎn)生。

3 結論

在冶煉過程中由于冶煉工藝控制不當，形成大量MnS夾雜物，鍛造后MnS作為弱捕H劑使得鋼中少量氫原子在其尖端空隙處聚集，形成巨大的局部壓力；另外，MnS夾雜物與基體間空隙較為尖銳，造成應力集中，導致微觀孔隙發(fā)展在鋼材內(nèi)部形成裂紋。因此，以MnS夾雜物尖端為裂紋源，會導致白點缺陷的產(chǎn)生。