25Cr2NiMo1V中低压转子淬火开裂原因分析

2021-11-07李浩然

大型铸锻件 2021年6期

李浩然冉玲

(1.国机重装成都重型机械有限公司，四川610000；2.二重(德阳)重型装备有限公司，四川618000)

某厂制造的材质为25Cr2NiMo1V中低压复合转子，制造路线为：钢包精炼→真空注锭→锻造→锻后热处理→超声检测→性能热处理，性能热处理前超声检测合格，无记录缺陷。在性能热处理淬火冷却过程中低压侧轴端法兰及轴颈开裂，为了防止裂纹进一步扩展，及时对开裂的锻件进行了回火处理。

1 试验方法

沿开裂方向将开裂部分分为两部分，观察断裂面，断裂源区清晰可见，位于法兰端，见图1；划线切取1#横低倍、2#纵低倍、3#高倍及断口、4#化学试样，见图2。

2 检验结果

2.1 低倍检验结果

1#横向低倍(1#-1、1#-2、1#-3、1#- 4、1#-5)、2#纵向低倍(2#-1、2#-2、2#-3、2#- 4)共九件低倍试片，50%盐酸水溶液浸蚀后观察，九件低倍试片上均有不同程度的偏析，未发现裂纹及其它冶金缺陷，见图3。

图3 低倍组织形貌Figure 3 Macroscopic structure morphology

2.2 化学成分分析结果

在断口面边缘取试进行化学成分分析，试样编号为4#-1～4#-7。成品分析结果显示，4#-2、4#- 4、4#-5等三处位置的C或Mo元素超标，见表1。

表1 化学成分分析结果(质量分数，%)Table 1 Chemical composition analysis results(mass fraction, %)

2.3 高倍检验结果

磨制3#-1横向高倍试样，未腐蚀观察，试样表面有淡黄色的析出物，见图4(a)。4%硝酸酒精溶液腐蚀后观察，试样表面有偏析，析出物不受腐蚀且分布在偏析区内，见图4(b)；高倍观察，偏析区内分散着边角尖锐的析出物，见图4(c)。偏析区组织为回火索氏体+碳化物，见图4(d)，非偏析区组织为回火贝氏体，见图4(e)。

图4 显微组织Figure 4 Microstructure

2.4 断口检验结果

断裂源区高温氧化严重，用四氯化碳清洗+磷酸酐煮沸40 min，未能清除断裂源区表面的高温氧化层，未能观察到断口的真实形貌，见图5，能谱分析见图6。

图5 断裂源区微观形貌Figure 5 Micromorphology of fracture source area

2.5 高倍能谱分析结果

高倍试样偏析区内的析出物，经扫描电镜能谱分析，主要成分为Mo、Nb，见图7。

3 分析与讨论

(1)低倍检验结果，试片表面存在偏析，其余未发现裂纹及其它冶金缺陷。

(2)化学成分分析结果，断裂源区附近的C、Mo元素超标。C、Mo元素偏析增加了断裂源区材质的脆性[1-2]。

(3)高倍检验结果，断裂源区有明显偏析，偏析区分散着边角尖锐的析出物，能谱分析结果证实，偏析区内析出物为Mo、Nb元素的化合物。偏析区显微组织为回火索氏体+碳化物，非偏析区显微组织为回火贝氏体，即偏析区组织在淬火冷却过程中转变为淬火马氏体，周围的非偏析组织在淬火冷却过程中转变为贝氏体，那么偏析区在淬火过程中会产生较大的相变应力和组织应力，加之断裂源(偏析区)位于轴径和法兰过渡处，亦存在热应力，在上述应力的叠加下，偏析区边角尖锐脆性较大的含Mo的析出物会引起应力集中，产生裂纹源，在其本身脆性和周围马氏体基体塑性差[3]的双重加持下，裂纹扩展能量无法被吸收，裂纹迅速扩展，导致锻件开裂。

(4)从断口检验结果可知，由于断口面的严重生锈和高温氧化，未能观察到断口的真实形貌。但可以看到，断裂源位于法兰和轴颈的过渡圆弧的纵深处，是应力最集中的部位。

综上所述，在相变应力，组织应力和热应力的作用下，偏析区内边角尖锐、脆性较大的含Mo的析出物引起应力集中，形成裂纹源，由于裂纹源周围的马氏体基体塑性较差，裂纹得以迅速扩展，导致锻件开裂。