MnS夹杂物引起16Mn锻件白点缺陷的原因分析

2023-02-25师虎军石永祥王丽娜

热处理技术与装备 2023年1期

师虎军，史伟，杨莉，石永祥,王丽娜

(1.兰州兰石集团有限公司铸锻分公司，甘肃兰州 730314； 2.兰州兰石检测技术有限公司，甘肃兰州 730314； 3.甘肃省机械装备材料表征与安全评价工程研究中心，甘肃兰州 730314； 4.兰州兰石重型装备股份有限公司，甘肃兰州 730314； 5.兰州交通大学材料科学与工程学院，甘肃兰州 730070)

冶炼和浇注过程中氢在钢液中的溶解度随温度下降而降低，部分过饱和而应该析出的氢不能及时析出产生的缺陷称作白点[1-3]。白点缺陷是钢材中一种非常致命的缺陷，一旦出现就会造成产品报废[4-5]。随着冶炼工艺的发展，白点缺陷的成因、控制已相对成熟，通过成分控制、析氢处理等手段，白点缺陷得到了有效控制。

在生产中发现某批次16Mn筒体锻件中化学成分符合标准要求，钢锭经过析氢处理，在锻造后探伤发现密集型缺陷，解剖分析为MnS夹杂物引起的白点缺陷。本文对MnS夹杂物造成白点缺陷的原因进行分析，探讨其形成机理，并提出控制措施，以期为生产提供指导。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

研究对象为16Mn筒体锻件，锻造前经加热、镦粗、冲孔、拔长至壁厚为120 mm，锻件始锻温度为1240 ℃，保温3 h，机加工表面时经UT检测，发现16Mn筒体多处存在密集性缺陷，密集性缺陷深度超出标准NB/T 47008—2017《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》中表4的规定，该筒体锻件不合格。取样进行化学成分分析见表1，成分符合标准NB/T 47008—2017《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》中对16Mn材质的要求，其中H元素含量未见明显异常，见表1。

表1 16Mn锻件化学分析(质量分数，%)

1.2 宏观检验

在16Mn锻件的密集型缺陷处取样进行低倍组织观察，弧形锻面的内壁至T/2范围内发现多处存在疏松和小裂纹，小裂纹几乎和锻造方向平行，如图1所示。放大观察到小裂口两端稍尖、略呈锯齿状。在密集型缺陷处纵向取样进行弯曲试验，发现断口存在明显白点缺陷特征[5]，如图2所示。

图1 缺陷处宏观组织

图2 白点缺陷

1.3 金相检验

抛光态裂纹局部形貌如图3所示，裂纹呈锯齿状发纹，与白点缺陷形态一致。裂纹附近有较多的灰色夹杂物和疏松，近裂纹处非金属夹杂物检测结果为：A 1.5，B 0.5，C 0.5，D 1.0，Ds 0.5，显微组织为贝氏体+少量铁素体，裂纹两侧未发现脱碳现象，如图4所示。裂纹两侧显微组织具有一定连续性，表明开裂发生在最终热处理后。图5为远离裂纹处的显微组织，为铁素体+珠光体+少量贝氏体，非金属夹杂物检测结果为：A 0.5，B 0.5，C 0.5，D 1.0，Ds 0.5。采用扫描电子显微镜观察夹杂物处的显微组织，如图6所示。存在长条状的MnS夹杂物，微裂纹走向与MnS长度方向一致，且MnS夹杂物尖端与基体存在一定的空隙。

图3 裂纹抛光态形貌

图4 裂纹两侧显微组织

图5 远离裂纹处显微组织

图6 夹杂物SEM

1.4 能谱分析

对显微组织中存在的夹杂物进行能谱点分析，如图7所示，夹杂物成分为S和Mn元素，其中S元素相对含量为36.11%，Mn元素相对含量为63.89，夹杂物为MnS，与金相检验结果一致。

图7 夹杂物能谱分析结果

2 分析与讨论

2.1 结果分析

化学成分分析结果表明：16Mn筒体锻件的化学成分符合标准NB/T 47008—2017《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》中对16Mn材质的要求，S、Mn和H元素含量未见异常。宏观检测发现缺陷处有许多细小的裂纹，呈锯齿状，裂纹两侧未发现脱碳和过热现象，裂纹穿晶扩展，具有明显冷裂纹特征[6]，显微组织为贝氏体+少量铁素体，周围存在灰色的MnS夹杂物，与能谱分析结果一致。远离裂纹处的显微组织为铁素体+珠光体+少量贝氏体。扫描电子显微镜观察微小裂纹沿着MnS的方向形成，MnS夹杂物尖端与基体存在一定的空隙。能谱分析结果与金相检验结果一致，可以确定产生的密集型缺陷为白点缺陷[7-8]。

2.2 MnS夹杂物形成原因

如果冶炼工艺得当，16Mn材质锻件中MnS夹杂物级别应该控制在0.5级之内，S和Mn应该以固溶原子的形式或细小、弥散分布的夹杂物形态存在，而不是长条状的MnS夹杂物。如果在铸造过程中，浇铸温度过高、钢液凝固速度过慢、产生铸坯偏析等情况，就会有足够长的时间使得元素发生扩散、聚集，导致MnS夹杂物形核、长大，故而在钢中形成较大尺寸的MnS夹杂物。

2.3 白点缺陷形成原因

铸造形成的MnS夹杂物为颗粒状或圆形，在锻造时由于硫化物具有塑性，在受力情况下能伸长生成条状夹杂物，而MnS夹杂物尖端一般会与基体形成一定的空隙，即使钢中的H原子含量比较低，但是此时的硫化物作为弱捕H剂将更多氢元素逐渐积集在夹杂物的尖端，形成巨大的局部压力。由于该处形成的空隙较为尖锐，则容易形成应力源造成应力集中，导致微观空隙发展成内部裂纹，最终在锻造后产生白点缺陷[9]，使锻件报废。

2.4 预防措施

由于该白点缺陷的产生与MnS夹杂物的存在密切相关，采用调整化学成分、消氢处理等方式并不能避免缺陷的产生。应当严格控制冶炼工艺，采用适宜的浇铸温度、避免铸坯偏析、凝固过程控制等措施降低夹杂物含量或偏析程度，使S和Mn以固溶原子的形式存在，或者使MnS夹杂物尺寸细小、均匀弥散分布在钢中[10-12]，避免成为大尺寸的MnS夹杂物，从而避免白点缺陷的产生。