17CrNiMo6钢锭锻裂分析

程书海 赵益洛 胡寒婷

(1.中信重工机械股份有限公司计量检测中心，河南471039； 2.中机十院国际工程有限公司，河南471003)

17CrNiMo6钢锭锻裂分析

程书海1赵益洛2胡寒婷1

(1.中信重工机械股份有限公司计量检测中心，河南471039； 2.中机十院国际工程有限公司，河南471003)

在初锻压下量不大的情况下，发现17CrNiMo6钢锭锭身出现间断分布的横向裂纹，对钢锭开裂原因进行了分析。结果表明，由于锻造加热温度过高，晶界发生熔化，导致初锻时钢锭表面产生裂纹。

钢锭；裂纹；过烧

某公司生产的由同炉钢水浇注的4根钢锭，冷却到700～750℃时热送到加热炉中加热至1200～1250℃，保温6 h后压钳口，挫锭尾，发现4支锭锭尾一圈出现不同程度的裂纹，在1200～1250℃保温22 h后再进行锻造，4支锭的侧面出现间断分布的横向裂纹，因此生产单位委托我们分析裂纹产生原因。

1 理化分析

1.1 宏观分析

在初锻压下量不大的情况下，钢锭表面产生多处深浅不一、大小不等的横向裂纹，尤其是在锭身下部出现较多，且大的裂缝断面有柱状晶开裂特征，如图1。

1.2 低倍分析

在裂纹区取一带有表面裂纹的横向低倍试片，磨制后热酸蚀，其形貌如图2，裂纹分布在外层80 mm范围，在表层沿柱状晶方向向内扩展，深层裂纹分布无明显方向性。将试片沿中间开槽压断，近表层区有粗大的柱状晶结构，表面轻微氧化，紧接其内的结晶断面上密集分布有大小不一的石板状亮块，如图3，这种形貌主要出现在接近表层的区域，内部未见锈蚀色，可推测有封闭的内部裂纹，亮斑应是其宏观表现，心部断口为结晶状。

图1 钢锭表层横向裂纹Figure 1 Transverse crack on the surface layer of steel ingot

图2 裂纹分布形貌Figure 2 Crack distribution morphology

图3 结晶状断面上有石板状亮块Figure 3 Shiny spot pieces near the cystalline fracture surface

1.3 化学分析

化学成分试样在低倍试片上钻取，分析结果如表1。可以看出，化学成分符合要求。

1.4 电镜分析

表1 钢锭化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of steel ingot (Mass, %)

图4 开裂沿柱状晶界扩展Figure 4 Crack extended along columnar grain boundary

图5 柱状晶界上微滴状结构Figure 5 Tiny drop structure on columnar grain boundary

图6 晶间开裂、光滑界面Figure 6 Intergranular fracture, smooth boundary

图7 晶界上自由表面、圆滴状结构和小峰Figure 7 Free surface, round drop structure and small peak formation on grain boundary

图9 三角晶界处宽化形貌Figure 9 Triangle grain boundary broaden morphology

取多个表层柱状晶裂面试样和内部亮斑区试样进行断口观察，表层断裂主要沿柱状晶界，部分表面有薄层氧化物，如图4。放大观察晶面结构为微滴状，如图5。这种结构的存在，表明开裂是在晶界润湿(晶界初熔)的情况下产生的，即高温下产生。同时在如此高的放大倍数下，微滴状形貌清晰可见，也说明裂纹是在初锻后产生，因为如果是钢锭存在原始铸造裂纹，在高温长时加热后，如此形式的微观形貌必然被氧化皮完全覆盖。界面未发现有明显夹杂物和微小析出物。宏观下内部发亮斑块区低倍形貌如图6，在电镜下这些区域发暗，呈多边形，并有大量晶间裂纹，且有宽化现象。高倍放大观察，晶界面有自由凝固光滑表面特征、圆滴状结构和小峰，如图7。图8、图9可看到晶界缝隙内自由表面和三角晶界交会处的宽化自由表面，且在晶面上存在圆滴状结构和小峰。图10为多边形晶界面上的微观特征，可看到晶面有间断光滑表面、折纹与小峰结构。图11可观察到晶界月芽状空隙、空洞及似有熔化金属在晶界流动的条纹，且这些条纹没能完全布满界面。以上这些特征均属于金属过烧晶界初熔条件下开裂的典型微观形貌[1-2]。由于图片要表现整体晶面形貌，放大倍数较小，其上的微滴状结构和小峰结构不易识别，但在放大的情况下，它们都有如图5、图7的类似结构。

图10 晶面间断熔化、自由表面Figure 10 Crystal surface discontinuous melting and free surface

图11 熔溶金属在界面流动形貌Figure 11 Flow morphology of molten metal in interface

1.5 金相分析

从裂纹区和内部各取2个具有代表性的试样进行金相分析，按GB/T 10561—2005进行夹杂物评定，结果为A0.5、B0.5、C0.5、D0.5，表明钢的纯净度较好。对裂纹区裂纹进行观察，外层柱状晶区裂纹内有少量氧化物，如图12，浸蚀后形貌如图13。可见裂纹沿晶界扩展，有间断性的宽化倾向，裂缝内有少量氧化物，无明显脱碳，这也说明裂纹是在锻造后形成的。内层为粗大的等轴晶，平均晶粒度大于1级，主要是发现锻造开裂后停止锻造温度过高所致。

图13 裂纹浸蚀后形貌Figure 13 Morphology after crack etching

2 分析

引起锻造开裂的原因主要有两个方面：一是钢锭质量，包括内部宏观缺陷，钢中微量有害元素，钢中第二相；二是锻造工艺，包括加热温度、变形程度、变形速度、冷却速度、应力状态等。本文中通过 对钢锭开裂进行化学成分、夹杂物、电镜断口分析，可排除由钢锭质量因素而引起的锻造开裂。同时根据钢锭是在初锻压下量较小的情况下发生的开裂，也可以排除由变形程度、变形速度、冷却速度不当而引起的开裂。电镜观察到大量裂纹为晶间开裂，相当部分晶界有自由凝固光滑表面特征，晶界交汇处存在三角空洞、月芽状空隙以及湿润界面(晶界初熔)在高温下因受到拉力开裂形成突出的小峰、自由表面和滴状结构，说明钢锭是在发生过烧情况下的应力开裂。

在热加工温度下，如果有少量液体形核，就会有强烈开裂的可能性，即使液相在整个组织中占很小体积的百分比，也会产生热脆现象，比如少量的液相围绕组织中的晶粒呈包覆形式时，其削弱 组织的作用达到和包覆液体的量不成比例的程度。当然，所有的晶粒被液相完全包覆的组织是不能承受应力的。这种情况导致典型的晶间失效。甚至在液相并没有包围着每一个晶粒，只是存在于孤立的晶间孔穴之中的情况下，也会产生热脆[3]。本文中通过电镜观察可看到晶界初熔受力开裂几乎所有的典型微观形貌，钢锭过烧确定无凝，这是初锻下钢锭表面开裂的原因。柱状晶裂面仅有较薄的氧化层，也说明裂纹是在锻造后形成的，这可以由裂纹两侧没有明显脱碳来证明。

金属中的液相形核一般起始于晶界，首先钢中的Fe-B、Cu-Bi、Ni-S、Fe-P等微量有害元素在长时间加热的情况下向晶界富集，形成一些低熔点的化合物，其次在晶界形核所需要的能量最小，特别是在3个晶粒交界处，所以我们可以在电镜下看到三角晶界空洞以及液相由此处向晶界润湿流动的痕迹。

选择正确的加热温度是防止过热和过烧的根本措施。一般来讲，大部分钢的过烧温度在1350℃以上，低于这个温度可以防止过烧。同时加热炉的气氛的性质，对钢的过热和过烧影响很大。炉内气氛氧化性越强，愈容易引起钢的过烧，这时可以观察到金属表面温度比炉温高，个别情况下可高出几十度，从而造成钢的过热和过烧。本案例中钢锭的工艺规定加热温度1250℃，使用煤气加热，由于燃气炉易存在温度不均，会造成钢锭局部表层可能超过1350℃以上产生过烧。裂纹主要发生在距离表层80 mm以内的范围，推测可能与炉内过高的氧化气氛有关，同时加热炉必须严格校正热工仪表，钢件产生过热和过烧极少是因为工艺规定造成的。

3 结论

钢锭锻造开裂是由于其在加热炉中发生了过烧。

[1] Engel L，Klingele H. 金属损伤图谱[M]. 北京：机械工业出版社，1990：46-49.

[2] 大型铸锻件缺陷图谱编委会. 大型铸锻件缺陷分析图谱[M].1990：160-163.

[3] Rostoker W，Dvorak J R. 金相组织解说[M]. 上海：上海科学技术出版社，1984：69-70.

编辑 杜青泉

Fracture Analysis of 17CrNiMo6 Steel Ingot

ChengShuhai，ZhaoYiluo，HuHanting

Transverse cracks appeared discontinuously in the steel ingot at the beginning of forging under insufficient pressure, and the reason was analyzed. The results show that the forging temperature was too high, and the grain boundary melt, this made the crack appeared on the surface of the steel ingot at the beginning of forging.

steel ingot, crack, over burning

TG115

B

2017—03—21