P91钢锻造管坯中心“网状裂纹”分析

2014-09-13刘洪波杨云志徐咏梅

冶金与材料 2014年6期

关键词：管坯钢锭网状

刘洪波, 杨云志, 徐咏梅

(北满特殊钢有限责任公司，黑龙江齐齐哈尔 161041)

高压锅炉管用P91钢，国内牌号为10Cr9MoVNb，属马氏体耐热不锈钢。该材料现已在我国的超(超)临界火电机组上普遍采用。其使用温度达到了600℃，对钢的冶金质量要求非常严格。

P91钢锻造管坯低倍检验时在试片中心区发现“网状裂纹”，分布范围大都在中心区域Φ100mm以内，裂纹特征不是很清晰。为弄清其产生原因在炉号为09303080210的P91锻造管坯上取片进行分析。

1 检验分析

1.1 金相检验

在酸浸后的横向低倍试样上，中心区域100mm范围内表现为弯曲的不连续的“网状裂纹”(见图1)。在10倍放大镜下观察似裂非裂。

图1 缺陷低倍形貌

在低倍试样的缺陷区取金相试样在不腐蚀的情况下观察，没有发现裂纹，有条状硫化物夹杂聚集。用4%的硝酸酒精腐蚀后肉眼观察没有裂纹，只有与低倍“网状状裂纹”相对应的弯曲的纹理条带。在显微镜下观察，这种纹理是一些不易被腐蚀的亮带，横向呈网状，纵向呈条带，其上分布着条状硫化物和颗粒状碳化物(图2)。

图2 缺陷区碳化物和硫化物聚集条带形貌100×

将高倍试样重新进行低倍腐蚀后，又出现类似“网状裂纹”的缺陷(见图3)。为了弄清裂纹的形成过程，将金相试样进行连续低倍腐蚀观察，每间隔较短时间的低倍腐蚀后在显微镜下观察，在腐蚀时间较短时为沿铸态晶界断续分布的，大小不一的腐蚀坑(图4)，随着腐蚀时间的延长，腐蚀坑相互连接变成腐蚀沟。说明类似“网状裂纹”并不是真正裂纹，而是低倍腐蚀形成的腐蚀坑或腐蚀沟。

图3 高倍试样经低倍酸浸后缺陷形貌

图4 高倍试样经低倍腐蚀后抛光后缺陷形貌100×

1.2 扫描电镜观察

将缺陷纵向断口试样在扫描电镜下观察，并进行能谱分析，缺陷区主要是硫化物夹杂和碳化物的聚集。硫化物属于(Mn，Fe，Cr)S型，其中锰、铁、铬的成分有一定的变化(见图5、6)。碳化物主要是铬和铌的碳化物(见图7-10)。

图5 缺陷区MnS夹杂物形貌

图6 图5硫化物的能谱图

图7 缺陷区Nb的碳化物聚集形貌

2 讨论分析

通过以上低倍、金相和扫描电镜检验结果可以看出，P91钢低倍轴心部位在酸浸后出现的“中心网状裂纹”，与夹杂物(主要是硫化物)、碳化物及合金元素的聚集有关，钢液凝固末期，夹杂物及低熔点物质、合金元素被推移到轴心区域，由于T91属于亚包晶钢，在结晶过程中，由于凝固温度范围窄而易形成柱状晶区，致使中心等轴晶区较小，且杂质含量多。当钢锭中心等轴晶区结晶基本完成时，一部分等轴晶之间还残留少量富含杂质液相，此时中心等轴区和附近的部分柱状晶发生δ-γ相变，引起相变比容变化使中心等轴晶区产生高温热撕裂裂纹。残留富含杂质液相向裂纹填充。钢锭在锻造过程中如果变形比不足，就会在钢材上保留裂纹；如果锻造变形比足够，裂纹处不聚集较多的低熔点夹杂物，裂纹可以焊合，这时在钢材就不再有裂纹，如钢坯裂纹处有较多的低熔点夹杂物、碳化物及合金元素的聚集，经变形后虽然裂纹得以焊合，但夹杂物、碳化物不会消失，在低倍酸浸时硫化物和碳化物优先溶解形成腐蚀坑，并随着腐蚀程度的增加连续扩展形成腐蚀沟，体现在低倍试片上为中心区域的“网状裂纹”。

图8 图7Nb的碳化物能谱图

图9 缺陷区Cr的碳化物聚集形貌

图10 图9Cr的碳化物能谱图

此种缺陷的产生主要与浇注工艺及锭型有关，浇注温度越高，锭型越大，钢锭冷却速度越慢，则在钢锭中心区域硫及合金元素的偏析越严重，最终在管坯上出现“网状裂纹”。因此，在保证管坯锻造比的情况下，尽可能选用较小的钢锭，适当增加钢锭模的锥度，避免高温浇注，保证钢液有良好的顺序结晶，同时提高钢水的纯净度，减少钢中夹杂物含量，可有效减轻此类缺陷的产生。在加工方面，增加锻造加热保温时间，进行高温扩散，减轻钢中的偏析。同时，锻造过程采用大压下量锻造，以锻合芯部缺陷。