马氏体不锈钢铸件冷弯开裂问题分析

2021-04-07李永新赵国伟

中国铸造装备与技术 2021年2期

李永新，马进，赵国伟

（共享铸钢有限公司，宁夏银川 750021）

水轮机设备工作条件严苛，而转轮作为水轮机核心部件，已被列入《国家首台(套)重大技术装备推广应用指导目录》。大型水轮机转轮通常是有上冠、下环和13～17 个叶片铸钢件组焊而成。这类铸钢件要求尺寸精度高、承载能力强、抗腐蚀性好，从而对铸件生产企业提出严峻挑战。批量铸件生产中，检测铸件的附铸试块，会发现约有3%的试样，抗拉强度、延伸率和冲击韧性等各项指标均符合标准要求，但90°弯曲时会在受弯面外侧出现不同程度的小孔洞或小裂纹。为进一步提高产品质量，本文对此问题进行检测分析解决。

1 产品介绍

这些铸钢件材质为Cr13Ni4Mo，是一种低碳马氏体不锈钢。该类材质具有良好的铸造和耐蚀性能，且通过相应的热处理工艺，可以得到较高的综合力学性能，因此，被广泛运用于水轮机组转轮铸钢件上。这些铸钢件熔炼工艺通常采用EAF+LF+VOD，化学成分要求如表1 所示。

表1 铸件化学成分要求 ωB/%

另外要求P≤0.028%,S≤0.008%，N≤150×10-4%,H≤3×10-4%,O≤60×10-4%，控制残余元素Al、V、Cu 等。

这些铸钢件所要求的常温力学性能见表2。

表2 铸钢件的常温力学性能要求

2 检测分析

通过对这些弯曲有缺陷的试样的生产过程调查核实，并取样进行相应的检测分析，同时和没有出现弯曲裂纹的试样对比，总体来说，大致有以下几个方面的常见原因：（1）非金属夹杂物等级较高，或同时有外来夹杂物，如图1 所示；（2）金相组织中有δ-铁素体存在，如图2 所示；（3）试样中有气孔、缩松等微小铸造缺陷，如图3、4 所示。

图1 非金属夹杂物

图2 金相组织

图3 试样上的气孔

图4 试样上的缩松

3 原因分析

金属弯曲试验是测定金属材料承受弯曲载荷时其弯曲塑性变形能力的试验方法，是材料机械性能试验的基本方法之一。弯曲试验主要用于测定脆性和低塑性材料（如铸铁、高碳钢、工具钢等）的抗弯强度并能反映塑性指标的挠度，对于脆性材料弯曲试验一般只产生少量的塑性变形即可破坏。而对于塑性材料则不能测出弯曲断裂强度，但可检验其延展性和均匀性。塑性材料的弯曲试验通常称为冷弯试验，试验时将试样加载，使其弯曲到一定程度，观察试样表面有无裂缝。但对于高塑性材料，弯曲试验通常达不到其破坏程度，故一般不做弯曲强度试验。

弯曲试验还可用来检查材料的表面质量。弯曲试验时，试样断面上的应力分布是不均匀的，表面应力应变最大，而心部最小，故可以比较灵敏地反应材料表面缺陷情况，因此常用来检测材料表面质量，比较和鉴别渗碳层和表面淬火层等表面热处理后工件的质量和性能。还可以检验材料或焊接接头受拉面上的塑性变形等能力及缺陷的显示能力。

图5 模拟冷弯过程应力情况

图6 弯曲试样

图5 所示为使用有限元ABAQUS 软件模拟材料在冷弯过程中的变形受力情况。

根据以上弯曲试验自身特点介绍以及软件模拟结果可知，冷弯试样受弯曲载荷时，冷弯试样断面上的应力分布是不均匀的，表面应力应变最大，而心部最小。尤其是弯曲试样受弯部位外侧表面受很大的拉应力。此时，如果试样内非金属夹杂物较多，而且夹杂物尺寸较大且带有棱边棱角，据介绍[1-3]，夹杂物对金属基体起到割裂作用，破坏了金属基体的连续性，在夹杂物周边产生应力集中，使金属产生显微孔隙并随着外力加大逐步延伸扩展成为裂纹源，使金属基体彼此分离而导致裂纹产生。再加上夹杂物自身塑韧性较差，较脆，抵抗变形的能力和基体金属不同，从而导致夹杂物处易产生裂纹，使弯曲样弯曲不合格。

另外，如果铸件基体组织中含有δ-铁素体这种非正常组织，也会降低弯曲性能。因为δ-铁素体属于铸件凝固过程中高温阶段形成的组织，属于软化相，经试验室检测，δ-铁素体的硬度约为HV10165，而经两次回火后的马氏体组织硬度约为HV10240。当试样受弯外侧表面受很大的拉应力时，如果试样基体内存在δ-铁素体，则因为各组织相的硬度及其他性能不一致时，会降低整体的抗塑性变形能力并优先在δ-铁素体相区产生裂纹源并扩展，使弯曲样弯曲不合格。

而对于试样自身有缺陷的，比如微小气孔或缩松、渣孔等，能够破坏金属连续性和致密性的这些缺陷，在试样上无论是外漏还是在次表层存在，尤其是存在于弯曲试样受弯外侧，必然极大地降低试样抵抗弯曲变形的能力，缺陷局部存在较大的应力集中，且成为先天性的裂纹源，很容易使弯曲不合格。

由此可见，如果铸件的弯曲试样上存在以上一种或多种缺陷时，就很容易降低弯曲性能，使弯曲试验不合格或不合格的风险加大。当然，导致弯曲不合格的也还有其他因素，比如弯曲试样的机加工制样不规范，尺寸不合适、加工应力较大、表面粗糙度较差或有加工刀痕，试样的原始表面氧化脱碳、渗碳、渗金属、晶粒粗大混晶[4、5]、组织不均匀等，也有可能导致弯曲性能变差，弯曲不合格。

4 解决措施

（1）降低铸件内非金属夹杂物等级。主要是提高钢液纯净度，浇注时浇口及铸件砂型内采用惰性气体保护，防止浇注时钢液的二次氧化。造型及合箱等工序保证砂型内干净无散砂杂物等，合理设计浇注系统防止冲砂，同时浇注时钢液量充足，保证浇包内有足够的余钢，避免下渣。最终保证铸件内非金属夹杂物等级较低，无论是粗细夹杂物，等级尽可能≤1.5 级,避免外来夹杂物。

（2）控制铸件组织，除了保证铸件基体组织主要是均匀的回火马氏体外，一般将组织内δ-铁素体含量控制在3%以下。δ-铁素体属于金属液体凝固过程中在高温下产生的共析相，一旦产生，后续的正常的热处理很难将其消除。理论上，在较高温度的奥氏体单相区对铸件进行高温扩散退火处理，可以消除部分甚至全部δ-铁素体，但是经高温长时间扩散退火处理后，材料的晶粒粗大，铸件烧损、变形严重，不适合实际生产。因此，对于马氏体不锈钢这种材料，需要通过设计材料合金成分中的Nieq/Creq 比例来控制最终组织中δ-铁素体含量。根据理论计算和对目前所生产的砂型铸件实际统计，当Nieq/Creq≥0.42 时，铸态下材料中基本没有δ-铁素体。其中Nieq=Ni+30（C＋N）+0.5Mn，Creq=Cr+Mo+1.5Si。

（3）提高试块试样自身致密性，杜绝试样缺陷。铸造工艺设计时，选取合适试块尺寸及形状，对于附铸试块，在铸件的放置位置也要注意，避免试块放置在铸件易积渣、挂渣或者容易冲砂部位，如无特殊要求不要将试块放置在热节部位，避免试块及其周边部位冲型憋气，必要时试块上加小出气管。另外造型时加强试块型腔砂子的紧实度以及涂料的刷涂质量，避免浇注后试块粘砂。合箱前仔细检查清理试块型腔内的砂子及异物。当然，对于后期取样试块，亦可以提前进行外观检查，对于有气孔、渣孔以及粘砂严重的试块可以报废不用。除此之外，表面没有问题的试块还可以铲磨后进行UT、MT 检测，但因为微小的孔型或线性小缺陷UT 有可能检测识别不出，所以主要还是从源头上控制试块试样质量。

另外尽可能保证铸件组织均匀，晶粒大小合适，能够按照标准要求加工制样，保证试样尺寸、外形及表面粗糙度等达到要求，弯曲试验过程规范等。采取以上措施，会显著地提高试样弯曲性能符合率。