铜镍铬锰铸钢裂纹的形成原因

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1986.03.002 北京钢铁学院学报 1986年9月 Journal of Beijing University No.3 第3期 Sept.1986 of Iron and Steel Technology 铜镍铬锰铸钢裂纹的形成原因 高瑞珍 陈慧青· (铸1教馆) 摘 要 制锦铬锰铸钢是一种高强度低合金钢，用于造船工业。它在制造过程中常因裂 纹缺陷而报废。本义利用金相显微镜、扫描电镜.电子探}及俄数谱仪等于设，研 究了铜镍铬锰铸钢裂纹的性质及其产生的原因。试翁结米表阴裂纹属于沿晶的脆性 断裂，裂纹的产生是内为候周时形玻的显微偏析导致YPe十(F0.C.M0)C失： 沿奥氏体的外析出所致。碳扩大凝固温度间隔和降低合金元术的平衡分配系数因· 而增加了铬的偏析比。因此降低碳和硫的含景，授高剂液的纯沾度利和加速转州的减 调速度是消除晶间共晶和裂纹的有效措施。 关健词，脆性沿品断裂.显微偏析，共品碳化物 On the Causes of Cracks of Cast Cu-Ni-Cr-Mn steel Gao Ruizhen;Chen Huiqing; Abstract Cu-Ni-Cr-Mn cast steel is a kind of low alloyed high tensile steel, which is used in ship industry.It often become worthless due to the crack defect.An investigation on the particularity and the causes of crack formation in this steel has been carried out with optical microscope, seanning electric microscope,microprobe and Auger spectroscope.Results show that the crack is a intergranular brittle fracture caused by eutectic phases Y Fe+(Fe,Cr,Mn )aC precipiting at the austinite grain boundaries because of solidification microsegregation.With broadening solidification interval and decreasing the partition coefficient,caused by 。孙力.梁背参加实险工作 1985一09一07收到 月

年 月 北 京 钢 ‘ 铁 学 院 学 报 。 。 铜镍玲锰铸钢裂纹的形成原因 高瑞珍 陈慧青 ‘ 铸 工教研 几社 摘 要 铜 镍洛锰铸钢 是一种高强度低合金钢 ， 用于 造 船工 业 它在制造 过 程 ，常 囚裂 纹缺陷而很废 木文利 目金 相显微镜 扫描电镜 电子 探针及俄歇谱仪等于段 研 究 了铜镍铬锰铸钢裂纹的性质及其产生的原 因 试验结果表 明裂 纹属于 沿晶 的 脆性 断 裂 裂 纹的产生是 因 为凝 固时形成的显微偏析 导致下 共战 沿奥氏体 品 界析出所致 碳扩大凝 固温度 间 隔和 降低合金元素的平衡分配 琴熬二成 而增加 了铬的偏析比 因 此 降低碳和 硫的 含最 ， 固速度是消除晶间共 晶和 裂纹的有效措施 提高钢 液的纯洁度和 加过线拭南丽 二 芍 弓 洪翻词 脆 性沿晶断裂 显微偏析 、 共 晶碳化物 一 一 一 ， 一 一 一 ， ， ， 只 一 ， ， 俘 ， 一 一 一孙力 梁青参加实验工 作 色 一 ，一 收 到 甘匆 声 护 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1986．03．002

arbon,segregation index Cm/Cmin of the alloying element,such as Cr. .ncrease consequently In presence of sulfur,the segregation index of Cr is increased by sulphide formation.In order to prevent the precipitation of eutectic phase and eliminate the crack,the concentration of carbon and sulfur must be decreased and the increase of cooling rateof castings will be helpful. Key words,brittle intergranular fracture;microsegregation,eutectic carbide. 前 言 铜镍铬锰铸钢是一种低合金高强度的船用钢。该钢在铸造或热处理机加工后经常在 铸件的表面发现宏观大裂纹和细小的微裂纹，致使铸件报废、成为生产上急待解快的问 题。本文针对铜镍铬锰钢拉焊头壳体铸件的裂纹成因进行了分析，寻找了裂纹产生的原 因，影响因素和防止措施。 1,试验方法及试验结果 该钢是在电孤炉中用废钢氧化法治炼的。化学成分为：C:0.17%、S,0.43%、 Mn:0.98%、Cr:0.98%、Ni:1.80%、Cu:1.71%、V:0.087%、S:0.010%、 P,0.026%。 铸件经过920℃正火+900℃水淬及680℃回火的处理。机械性能为：σb=700MN/ m(70Kg/mm2),o,=610MN/m2(61Kg/mm2),≥4,0%，ak(-40℃)=7.36J/ cm2(0.75kg"m/cm2,夏普V型缺口)，（标谁规定，中≥40%，ak(-40℃)≥6kg·m/ cm2)塑性及韧性极差。 为了寻找裂纹形成的原因，先后采用了金相，扫描电镜，电子探针和俄歇谱仪等检 查。检查结果分述于下： 1.1裂纹的宏观及微观形貌 断裂发生在冒口下面的热结点处，为一粗大裂纹。裂纹的走向蜿蜓曲折，断口犬牙 交错，凸凹不平，有沿晶撕裂的痕迹，见图1一a和b。断口上有氧化色，初步判定为 铸件凝固时由于收缩受阻产生的热裂纹。 由于裂纹断口氧化严重、用冲击试样断口在日立S550电子扫描镜上观察断口微观 形貌。从其微观形貌上（图2一b)可肴出断口是由平滑的晶界断口和一些浅韧窝断口 组成。这说明裂纹是沿晶界一个区域内扩展的，平滑的晶界断口是脆性断裂，浅韧窝断 口表示多少还有一些范性。从图2一b还可看到许多微裂纹沿晶界扩展。 1.2非金属夹杂物和显微组检查： 将试样磨光，在金相显微镜和扫描电镜下观察非金属夹杂物的数量、种类、形状和 分布，发现钢中的夹杂物较多，有聚集成群的A12O(图3)，沿晶分布的第Ⅱ类硫化 锰、（图4一a、b)和Ti(CN)(图5一a、b),此外在未浸蚀的试样上还发现 7

， 二 ‘ 。 ， · ， ‘ 。 礴 ， 。 。 。 。 ‘几 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 ， 。 、 。 了 全 ， 主 ， 前 ‘ 铜镍铬锰铸钢是 一种低合金高强度的船用钢 。 该钢在铸造 或热处理机加工后经常在 铸件的表面发现宏 观大裂纹和细小 的微裂纹 ， 致使铸件报废 、 成为生 产上 急待解决的问 题 。 本文针对铜镍铬锰钢拉焊 头壳体铸件的裂纹成 因进行 了分析 ， 寻找 了裂纹产生 的原 因 ， 影响 因素和 防止措施 。 ， 试验方法及试验结果 该钢是在电孤炉 中用废钢氧化法冶炼的 。 化学成分 为 、 、 、 、 、 、 沁 、 、 ， 。 。 铸件经过 ℃正火 十 ℃水淬及 ℃ 回火 的处理 。 机 械 性能为 “ “ ， “ “ ， 砂 ， ， 一‘ ℃ “ · ， 夏普 型缺 口 ， 标准规定， 劝》 ， 、 一 ℃ 》 · 塑性及韧性极差 。 为 了寻找裂纹形成的原因 ， 先后采用 了金 相 ， 扫描 电镜 ， 电子 探针和俄歇谱仪等检 查 。 检查结果分述于 下 裂纹的宏观及微观形貌 断裂发生在 冒 口 下面的热结点处 ， 为一粗大裂纹 。 裂纹 的走 向蜿蜓 曲折 ， 断 口 犬牙 交错 ， 凸 凹 不平 ， 有沿 晶撕裂的痕 迹 ， 见 图 一 和 。 断 口上 有氧化色 ， 初 步判 定 为 铸件凝固时 由于 收缩受阻产生的热裂纹 。 由于裂纹断 口氧化严重 、 用 冲击试样断 口在 日立 电子 扫描镜上观察断 口 微 观 形貌 。 从其微观形貌上 图 一 可看 出断 口 是 由平滑 的 晶界断 口和一些浅 韧窝 断 口 组成 。 这说 明裂纹是沿 晶界 一个 区域内扩展 的 ， 平滑的 晶界断 口 是 脆性断裂 ， 浅韧窝断 口表示 多少还有一些范性 。 从 图 一 还可看到许 多微裂纹沿 晶界扩展 。 。 非 金 属夹杂物和显微组检查 将试样磨光 ， 在 金相显微镜和 扫描 电镜下观察非金属夹杂物的数量 、 种类 、 形状和 分布 ， 发现钢 中的夹杂物较多 ， 有聚集 成群的 图 ， 沿 晶分布的第 类硫化 锰 、 图 一 、 和 图 一 、 ， 此 外 在 未 浸蚀的试样上 还 发 现

图1。裂纹的宏观形貌 图1b裂纹断口的侧视图 Fig.1a Macro-appearance of tho Cracks Fig,1b Fraoture profile of eraeka 图2。冲击断口的宏观形貌 图2b神击断口的微观形貌50X Fig,2a Macro-appoarance of Impact Fracture Fig.2b Micro-appearance of Impact Fracture 50X 有亮白色相以碗化锰和Ti(C、N)为核心沿 奥氏体晶界折出。 :将试样用4%硝酸酒精腐蚀，发现亮白色 相成断续网状沿晶分布，在三晶粒汇交处呈现 出共晶形貌（见图6一a、b和图T一a、b)。 试样上有许多微裂纹，裂纹主要沿奥氏体晶界 跟随白色相向前延伸（见图8）。 为了观察热处理对共晶相的影响，将试样 加热到1050℃长时间保温，(10h)重复多次， 未发现共晶的形态和尺寸有什么改变。 图3群爽的氧化物800X 8 Fig.3 Oxide Cluster 800X

图 裂纹断口的侧视图 。 二 。 。 ￡ 。 ‘ 图 冲击断 口 的宏观形貌 一 一 二 。 图 冲击断 口 的微观形貌 。 。 一 。 。 。 有亮 白色相 以硫化锰和 叹 、 为杨乙 沿 奥氏体 晶界折 出 。 乳 几 将试 样用 硝酸酒精腐蚀 ， 发现亮 白色 相 成断续 网状沿 晶分 布 ， 在三 晶粒汇交处呈现 出共 晶形貌 见 图 一 、 和 图 一 、 。 试样上有许 多微裂纹 ， 裂纹主要沿奥氏体晶界 跟随 白色相 向前延伸 见 图 。 为 了观察热处理对共 晶相的影响 ， 将试样 加热 到 。 ℃ 长时 间保温 ， 、 重复 多次 ， 未发现共 晶的形 态和尺寸有什么改变 。 图 群聚的氧化物 一

hD 20-APR8511:31:25 PEAK IDE7 RATE:.1735CPS TIME 45LSEC 00-20KEV:10EV/CH PRST 188LSEC 1262 F1899E:A,200 p2 o4 [06 [oa N E CURSOR (keV)=04.48 图4■第Ⅱ类硫化物的二次电子像1044X Fig.4a 图46第Ⅱ类硫化物的能谱曲线 Secondary electrograph of Type II Fig.4b sulfides 1044X Energy spectra curve of TypeI sulfides 2a-85t28899928 RATE: 00-20KEV:10EV/CH PRST 100LSEC A:A262 B: 27台路80 至 CURSOR kev)=06.40 EDAX 图5。T1(C,N)的三次电子像1140X 图5bT(C。N)的能谱曲线 Fig.5a Fig.5b Secondary electrograph of Ti(C.N) Energy Speotra Curvo of Ti(C.N) 9

、 · 藻，右自 黔，操时翔 署盛 ，今 曙之的 一 耳获口 协二 红 弥 学、，· ，叫 ， 图 第 兀 类 硫 化 物 的 二 次 电 子 像 兀 二 图 ‘ 第 兀 类 硫 化 物 的 能 谱 曲 线 。 ‘ 了 一 ， 一 一 训，阅 口 勺 日 之 一 乐 ， 护 艺 从 双 斤人 己 朗 梅今 那 吸 … 图 一 的 二 次 电 子 椒 、 ， 图 卜 王 。 的 能 带 曲 线 。 双 盯 ， “ ，， 吵，‘ 对

图6b图68的二次电子像912X Fig.6b 图64沿奥氏体温界分布的白色相100X Secondary electrograph of preeipitates in Fig.6a White precipitatos at grain boundaries Fig.6n 912X of Austenite 100X 图7b图7a的二次电子像912X Fig7b Secondary eleetrogrsph of eutectie in 图7。三晶粒交界处的共晶400X Fig.7a 912X Fig.7a Eutectic at the grain boundaries 400X 10

瓢黝 侧 口‘ ，， 图的 图 的二次电子像 又 。 图 沿奥氏体晶界分布的白色相 、 。 ， 。 。 ‘ 。 人 二 。 云 。 州 侧内 图 三晶拉交界处的共晶 如。 。 。 ‘ 魂 图 ‘ 图 的二次电子像