铬镍钼铜高强度铸钢断口缺陷分析

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1984.03.004 北京钢铁学院学报 1984年第3期 铬镍钼铜高强度铸钢断口缺陷分析 铸工教研室高瑞珍赵雨 摘 要 在镍铬钼铜低合金高强度铸钢的生产中经常因出现异常断口而降低铸件的塑性和韧性。 这种断口缺陷无法用热处理办法消除。作为一种冶金缺陷，探讨其产生的原因和消除办法是 生产急待解决的问题。本文以扫描电镜为主要工具，对这种断口的性质、特征和产生的原 因作了初步探讨。 实验的结果认为：铬镍钼铜低合金高强度铸钢中的异常断口为贝壳状断口。它的宏断形 貌是淡灰色无金属光泽的碎石状粗晶组织，微观形貌是大小不等的韧窝，属于韧性晶界断裂。 产生贝壳状断口的原因是第二类硫化物和氮化钛的沿晶分布，它降低了晶间结合力并作 为裂纹的核心，促使晶间断裂的产生和发展。 加入稀土和硅钙可以控制硫化物形态和消除贝壳状断口。 一、前言 生产屈服强度为70~80kg/mm?级的低合金高强度钢铸件时，除要求化学成分和机械 性能合乎标准外，还要求断口的纤维量（最大壁厚130mm)大于80%。某厂生产的铸钢件 在尺寸为130×130×300mm试块的断口检查中，纤维状断口仅达到20~30%，其余均为非 正常断口。这种异常断口用热处理的办法无法消除。它的出现给铸件的塑性和韧性带来不利 的影响。作为一种冶金缺陷探讨其产生的规律和消除办法，是生产上急待解决的问题。本文 以扫描电镜为主要工具，对这种断口的性质、特征和产生的原因作了初步探讨。 二、实验方法 试验材料为铬镍钼铜低合金钢，含有微量的钛(0.03%)和稀土(0.015%)，在碱性 电弧炉中熔炼，用铝终脱氧。 用130×130×300mm的试块做断口检查。从不同断口处截取10×10×55mm的U形缺口 试样做冲击试验，以检查断口对材料韧性的影响。用打断后的冲击试样作断口形貌的微观分 析。试样均经过950℃×7小时空冷，900℃×7小时水冷和650×10小时水冷的正火和调质处理。 用扫描电镜观察断口形貌，用X射线波长谱仪测定合金元素的枝晶偏析。偏析比Is用枝 晶间溶质最大含量和枝干间溶质最小含量之比表示，即：Is=Cmax/Cmin。 23

北 京 钢 铁 举 院 学 报 年 第 期 铬镍钥铜高强度铸钢断 口 缺陷分析 铸工 教研 室 离瑞珍 赵 雨 摘 要 在镍铬钥铜低 合金 高强度铸钢 的生 产中经常因出现异常断 口 而降低铸件 的塑性和 韧性 。 这 种断 口 缺 陷无 法用热 处理办法消除 。 作为一种冶金 缺 陷 ， 探讨 其产生的原 因和 消除办法是 生 产急待解决的问 题 。 本 文 以扫描电镜 为主 要工 具 ， 对这 种断 口 的性质 、 特 征和 产 生 的 原 因作了初 步探讨 。 实验的结果 认为 铬镍钥 铜低合金高强度铸钢 中的异常断 口 为贝壳状 断 口 。 它 的 宏断形 貌是淡灰 色无 金属 光 泽的碎石状粗 晶组织 ， 微观形 貌是大小 不 等的韧窝 ， 属 于 韧 性 晶界断 裂 。 产生贝 壳状断 口 的原因是 第二 类硫化物和 氮化钦 的沿 晶分布 ， 它降低 了 晶 间结 合力并 作 为裂纹 的 核心 ， 促使 晶间断裂 的产生和发 展 。 加入 稀土 和 硅 钙可 以控 制硫化物形 态和 消 除贝壳状断 口 。 一 、 前 口一叫 口 生产屈 服强 度 为 一 “ 级的低合金 高强 度钢铸件时 ， 除要求化学成分 和机械 性能合乎标准外 ， 还 要求断 口 的纤维量 最大壁 厚 大于 。 某厂 生 产的 铸钢件 在尺 寸 为 。 。 试块 的断 口 检查 中 ， 纤维状断 口 仅 达 到 ， 其余均 为非 正常断 口 。 这 种异常断 口 用 热 处理 的办法无法消除 。 它 的 出现给铸件的 塑性 和 韧性带来 不利 的影 响 。 作 为一 种冶金 缺 陷探讨 其产生的规 律和 消除办法 ， 是 生 产 上急待解决 的问题 。 本文 以扫描 电镜 为主 要 工具 ， 对这 种断 口 的性质 、 特 征和 产生 的原 因作 了初 步 探讨 。 二 、 实验 方 法 试验材料 为铬镍钥 铜低 合金 钢 ， 含有微量 的钦 和 稀土 ， 在碱性 电弧炉 中熔炼 ， 用 铝 终脱氧 。 用 的试块做断 口 检查 。 从不 同断 口 处截取 的 形缺 口 试样做冲 击试验 ， 以检查断 口 对材料韧 性 的影响 。 用打 断后 的 冲击试样 作断 口 形 貌的 微 观分 析 。 试样 均经过 ℃ 小 时空冷 ， ℃ 小时水 冷和 叼 、 时水冷 的正火和 调 质处理 。 用 扫描 电镜观 察断 口 形 貌 ， 用 射线 波长谱 仪测定合金 元素 的枝 晶偏 析 。 偏 析比 用 枝 晶间溶质最大含量 和 枝干 间溶质最小含量 之 比表示 ， 即 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1984．03．004

非金属夹杂物用光学显微镜测定其光学性质，用扫描电镜观察其形貌并用能谱仪测定其 成分。 三、试验结果 1.断口分析 断口的宏观形貌是由纤维状断口和异常断口组成。纤维状断口呈暗灰色，无金属光泽， 看不到颗粒形状。异常断口的特征是 颜色浅灰，无金属光泽，表面高低不 平，由许多粗大的沿晶界断裂面组 成，形状似碎石块一般。见图1。 纤维状断口位于试块的表面，异 常断口出现于试块的内部和中心。 经过测量，纤维状断口占断口总 面积的32%，异常断口占68%。 由断口处取金相试样在显微镜下 观察，异常断口区的磨片上发现裂纹 沿着奥氏体晶界，穿过非金属夹杂物 图1断口的宏观形貌 向前延伸。如图2所示。而纤维断口 区则观察不到裂纹。 将冲击试样的断口在扫描电镜下 观察，进行断口形貌的微观分析。发 现纤维状断口和异常断口都由大小不 等的韧窝组成，韧窝底部有圆形和方 形及枝晶排列的各种夹杂物。经X射 线能谱分析，证明圆形夹杂物为稀土 硫化物和稀土氧化物，方形夹杂物为 图2穿过夹杂物的沿晶裂纹 氨化钛，成枝晶排列的是第二类硫化 物。纤维状断口与异常断口微观形貌的主要差别是前者韧窝大而深，大小均匀，后者韧窝小 而浅，大小不均匀。（见图3、图4）说明前者的韧性大于后者。后者小而密布的韧窝， 说明有第二相质点密集，并有明显的沿晶断裂特征。裂纹由微孔洞聚集而成。 以上观察说明，异常断口断裂的途径是沿奥氏体晶界的，属于韧性沿晶断裂。 由纤维状断口开始向异常断口方向顺序取6个U形缺口冲击试样检查断口对材料韧性的 影响，试验结果如表1所示。 断口由纤维状变为异常断口后，冲击韧性逐步下降，由22kg·m/cm2下降到14kg·m/ cm2,下降了t。 2.成分偏析检查 （1)宏观偏析 由纤维状断口处向异常断口选择不同区域作了A1,Ti,RE,P,S,五元素的成分分 析，结果见表2： 24

非金属夹杂 物用 光 学显 微 镜测定 其光学性 质 ， 用 扫描 电镜观察 其形 貌 并用 能谱 仪测定 其 成分 。 三 、 试验 结果 断 口 分 析 断 口 的宏观 形 貌 是 由纤 维状 断 口 和 异常断 口 组成 。 纤 维状断 口 呈 暗灰 色 ， 无 金属 光 泽 ， 看不 到颗 粒 形 状 。 异 常断 口 的 特 征 是 颜 色浅灰 ， 无 金属 光 泽 ， 表面 高低不 平 ， 由 许 多 粗大 的沿 晶界断 裂面 组 成 ， 形 状 似 碎石块 一般 。 见 图 。 纤维 状 断 口 位于 试块 的 表面 ， 异 常断 口 出现于 试块 的 内部和 中心 。 经过 测 量 ， 纤维状断 口 占断 口 总 面 积 的 ， 异常断 口 占 。 由断 口 处取 金相 试 样 在显微 镜下 观 察 ， 异常断 口 区 的磨片 上发 现裂纹 沿 着奥 氏体 晶界 ， 穿过 非金 属 夹 杂 物 向前延 伸 。 如 图 所 示 。 而纤 维断 口 区 则观 察不 到裂 纹 。 将冲击试样 的断 口 在 扫描 电镜 下 观 察 ， 进行 断 口 形 貌 的 微 观 分析 。 发 现纤 维状 断 口 和 异常 断 口 都 由大小 不 等的韧 窝组成 ， 韧 窝底 部有 圆形和 方 形 及枝 晶排 列 的各种夹 杂 物 。 经 射 线 能谱分析 ， 证 明 圆形夹 杂物 为稀 土 硫化物和 稀 土 氧化物 ， 方形夹 杂 物为 氮化钦 ， 成枝 晶排 列 的是 第二 类硫 化 图 断 口 的宏 观 形 貌 暴辉 图 穿过 夹杂物的沿 晶裂纹 物 。 纤维状 断 口 与异 常断 口 微 观形 貌的主 要 差别 是前者 韧 窝大 而深 ， 大 小均 匀 ， 后者 韧 窝小 而浅 ， 大小不 均 匀 。 见 图 、 图 说 明前者 的韧 性大于后 者 。 后者 小 而密布 的 韧 窝 ， 说 明有第二 相质点密 集 ， 并有明显 的沿 晶断 裂特征 。 裂 纹 由微孔 洞 聚集而成 。 以 上观 察说 明 ， 异 常断 口 断裂 的途径 是沿 奥 氏体 晶界的 ， 属 于韧 性沿 晶断 裂 。 由纤 维状 断 口 开 始 向异 常断 口 方 向顺 序取 个 形 缺 口 冲 击试样检 查断 口 对材料韧性 的 影响 ， 试验 结果如 表 所示 。 断 口 由纤维 状 变 为异常断 口 后 ， 冲击韧性逐 步下降 ， 由 ’ “ 下降 到 · “ ， 下降 了古 。 成分偏析检查 宏观偏析 由纤维状断 口 处 向异 常断 口 选 择不 同区域 作 了 ， ， ， ， ， 五 元 索的 少戈分 分 析 ， 结果 见 表

255182●K050U 20州. 19KU 50 006 图3纤维状断口的微观形貌×500 图4异常断口的微观形貌×500 表1 取样部位 纤维状断口 纤维状一异常 断口过渡区 常断 试样 编号 1# 2# 3* 4# 5# 6# kg·m/cm2 冲击值aK 22 21.84 20.7 19.4 17.2 14 表2 元素 AI Ti RE P 分析区域 1#(纤维状区) 0.03 0.03 0.015 0.013 0.009 2“纤维状一异常 断口过渡区) 0.04 0.03 0.017 0.014 0.009 3#(异常断口区) 0.03 0.03 0.015 0.013 0.009 分析结果表明，除纤维状断口一异常断口的过渡区A1,P,RE略高一些外，基本无 宏观成分偏析。 (2)微观偏析 用奥勃试剂腐蚀试样，在光学显微镜下观察，发现试样虽然经过正火和调质处理，但仍 然存在明显的枝晶偏析（见图5、图6），而且异常断口的枝晶偏析比纤维断口的要严重。 前者完整地保留了铸态的枝晶结构，而后者的枝晶组织只是隐约可见。 为了精确测定试样的枝晶偏析，在JEOL,JC×A-733X射线波长谱仪上测试了不同断 I1处枝干和枝晶间Cr,Mo,Ni,A1,Ti的含量，各测10点，取其平均值，并计算了其偏 析度Is。实验结果见表3。 从表3可以乃出异常断口处Cr,Mo,Ni,Cu的偏析比Is都比纤维断口处大。 25

图 纤维 状 断 口 的微观 形 貌 图 异 常断 口 的微观 形 貌 表 取 样 部 位 纤 维 状 断 口 纤维 状 一 异李 断 口 过 渡区 异 常 断 口 井 林 井 一 “ 冲击值 一 兀 素 分析 区域 一 …。 ” · ‘ …。 · 。 。 ， 。 纤维 状 区 。 。 一 纤维 状 一 异常 ‘ 断 口 过 渡 区 分析结果 表明 ， 除纤维状 断 口 － 异常断 口 的过渡 区 ， ， 略高一 些外 ， 基本无 宏观 成 分偏析 。 微 观 偏析 用奥勃试 剂 腐蚀 试样 ， 在光 学显微 镜下观 察 ， 发现试样 虽然 经过 正 火和 调 质 处 理 ， 但仍 然存 在明显 的枝 晶偏析 见 图 、 图 ， 而且异常断 口 的枝 晶偏析比纤维 断 口 的 要严 重 。 前者 完 整 地保 留了 铸 态 的枝 晶结 构 ， 而后者 的枝晶组织只 是 隐约可见 。 为了 精确测 定 试样 的 枝 晶偏析 ， 在 ， 又 一 射线 波长谱 仪 上测 试 了不 同断 日 处枝干 和 枝 品 间 ， 。 ， ， ， 的 含量 ， 各测 点 ， 取 其平均值 ， 并计 算了 其偏 析度 。 实验 结 果 见 表 。 从 表 一 可以 看 出异 常断 口 处 ， 。 ， ， 的偏析比 都比纤维断 口 处大

图5异常断口区枝晶偏析 (深色部分为技晶间，浅色 部分为枝千)×25 图6纤维状断口枝晶偏析 (深色部分为枝晶间)×25 表3 各元素 偏析度 Cr Mo 断口部位 A B Is A B Is 枝晶间 枝干 A/B 枝晶间 枝 A/B 纤维状断口 1.17 1.09 1.07 0.514 0.443 1.16 异常断口 1.336 1.156 1.16 0.78 0.48 1.54 各元素 Ni 偏析度 Cu 断口部位 A B Is A B 枝晶间 枝干 A/B 枝晶间 枝干 A/B 纤维状断口 1.966 1.847 1.06 0.937 0.833 1.13 异常断口 2.254 1.790 1.26 1.355 0.731 1.82 注：因为A1和Ti的值不稳定，因此未列入表内。 3.非金属夹杂物检查 26

晶偏浅析色 ， 异部枝分常干 断为妇技佗口 晶区枝间 色为 图 深 部分 图 纤维 状 断 口 枝 晶偏 析 深 色部分 为枝 晶 间 表 各元 素 、 口 乐俨 厂 一 百 一 ‘ 一 一歹一而 一 一 一 百 一 一 一 一 纤维 状 断 口 异常断 口 枝 晶间 枝 干 枝 晶 间 枝 干 · 各元 素 一 偏 析度一 断 口 部 位 纤维 状 断 口 一 一丁 一一丁一一 亏 一一而一 一 百 一 枝 晶 间 枝 干 枝 晶间 枝 干 异常 断 口 注 因为 和 的值 不稳 定 ， 因此未列入 表 内 。 非 金 属夹杂 物检查

川光学显微镜和扫描电镜分别观察了纤维状断口和吊常断「门处非：金属夹杂物的特征和形 貌，并作了能谱分析。表4列举了钢中存在的非金属夹杂物种类，它们的形态、分布和光学 性质。 表4 晶系及钢中 在钢中 光学性质 夹杂名称 分布部位 存在形式 分部情况 明 场 暗场 偏光 氧化铅 异常断口 六方晶系聚集成群 紫灰色 透明亮黄色 各向异性 Al203 区较多 氨化钛 分布于树枝 不 透 明 正常断口 立方晶系 金黄色 各向同性： 及异常断 TiN 晶间和晶界 周围有亮边 口区都行 化亚锰 立方晶系 在薄尽 各向同性 显不规则 聚集成群 灰 同上 MnO 形状 中透明 枯贵色 铬铁 立方晶系 薄层透明有 呈规则几 灰色带紫 各向国性 d FeO.G:O3 何形状 红色的内反射 稀土硫比物 浅灰色上有黑 及硫氧化物 球 形 任意分布 块，浅灰色为 各向同性 RES,黑块为 血红色 同上 RES+RE2O2S RE2O2S 血红色 硫化锰 沿晶界 稍透明 透 明 只分布于 立方晶系 浅灰色 常断口 MnS 分 布 呈黄绿色 各向同性 区 (1)钢中有较多的MnO,颗粒大，聚集成群，还有少量的FeO.CrzO3,说明此钢怡炼 时有较严重的过氧化现象，或出钢浇注时受到二次氧化。见图7和8。 25522●KU 图7MnO夹杂的形貌×800（光学显微镜）图8MnO夹杂的形貌×3000（扫描电镜） 27

川 光 学显 微 镜和 扫 描 电镜分别 观 察 了纤维 状 断 口 和 异常 断 一 处 一 余属 臾杂物 的特 征 和形 貌 ， 并 作了能谱 分析 。 表 列 举 了钢 中存在 的非金属 夹 杂 物种 类 ， ’ 已们 的形 态 、 分布和 光 学 生质 。 表 夹杂 名称 品系 及钢 中 存 在形 式 在 钢 中 分 部情 况 … 分布 部 位 氧 化 铝 氮 化 钦 「 权化 亚锰 六方 晶系 一聚集成群 立 方 晶系 分布 于 树枝 晶间和 晶界 光 学 性 质 … 孚下可吓荞刃压不刃 · · · 垂 金 黄 色 一…一 … …霄 围馨 亮翼… 各厅可同个 异常 断 口 区 较 多 正 常断 口 及异常 断 口 区都有 立 方 晶系 呈 不 规 则 聚集 成群 灰 色 形 状 在 薄 层 中 透 明 各向 同性 ， 桔 黄 色 知 全各 铁矿 立何呈形规方状则晶系几 了 一 灰 色带 紫 薄层透 明有 红 色的 内反 射 稀 土 硫 比 物 及 硫氧 化 物 ， 任 意 分布 浅灰 色 上有黑 块 浅灰 色为 ， 、 。 ， 黑 块 为 … ， 川 礼 二 司 、 一 形 一 一 球 硫 化 锰 沿 晶界 立 方 晶系 分 布 浅 灰 色 稍 透 明 呈黄 绿 色 各向同性 仇 红 色 透 明 各向同性 只 分布 于 异常 断 口 区 钢 中有较 多的 ， 颗粒大 ， 聚集成群 ， 还 有 少量 的 ， 说明此 钢 冶炼 时有 较严 啾 的过 氧 化现象 ， 或 出钢 浇 注时受 到二 次 氧 化 。 见 图 和 。 图 夹杂衡的形 貌 光 学显微镜 图 夹杂的 形 貌 扫描 电镜