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550A磨球钢圆钢断裂原因分析

2019-11-26叶德新邓湘斌周成宏刘年富

热处理技术与装备 2019年5期
关键词:扫描电镜断口钢材

叶德新,邓湘斌,周成宏,刘年富

(宝武集团广东韶关钢铁有限公司,广东 韶关 512123)

550A属于高碳磨球用钢,主要作为生产制造矿山选矿用球磨机中的易损件磨球。韶钢生产的出口用550A圆钢在国外港口卸装时发现圆钢断裂,该质量问题对客户造成很大的影响,同时使韶钢产品质量形象受损。为防止此类问题的再次发生,对断裂圆钢生产过程进行详细调查;同时对断裂试样进行宏观形貌、成分、金相组织、扫描电镜等理化性能检测分析,找到圆钢断裂的原因,并采取了相应的措施。

1 理化检测

圆钢断裂试样如图1所示。为了确认圆钢断裂原因,对试样进行成分、低倍、金相组织等分析。

1.1成分分析

使用直读光谱仪对断裂圆钢进行化学成分分析,分析结果如表1所示。检测结果表明试样成分控制较好,在产品控制要求范围内。

(a)断口形貌;(b)缺陷试样图1 断裂圆钢(a) fracture morphology; (b) defected specimenFig.1 Fractured steel rod

元素CSiMnPSCrMo标准要求0.78~0.850.25~0.400.55~1.05≤0.025≤0.0200.97~1.050.030~0.080实测值0.820.290.990.0200.0041.010.057

1.2氧氮氢分析

采用ONH836氧氮氢联合测定仪进行氧氮氢分析,分析结果如表2所示,检测结果表明试样其它含量控制较好。

表2 气体含量

1.3低倍检验

在样品断裂断口的另一端取2个低倍样进行酸洗,按GB/T 1979 对试样进行检验评级。酸洗后的低倍试样观察低倍组织正常,无异常缺陷。酸洗后组织及评级结果分别如图2、表3所示。

表3 低倍评级

图2 低倍组织Fig.2 macrostructure

图3 显微组织试样Fig.3 Sample for microstructure

1.4金相分析

在断裂断口端部处垂直于轧制方向取样进行组织分析,从试样上可以看到明显的裂纹,裂纹几乎贯穿整个试样,裂纹在试样中心开口较大,边部开口小,结合正反面及侧面可以看出裂纹呈螺旋走势。试样如图3所示。

试样经过研磨抛光后使用莱卡金相显微镜进行观察分析。观察试样裂纹内及周围无夹杂物存在,如图4所示;经4%硝酸酒精溶液腐蚀后,裂纹两侧无脱碳现象,裂纹处组织与基体组织一致,均为正常组织,其基体组织为渗碳体+珠光体,如图5所示。

1.5扫描电镜分析

将试样沿裂纹扩展方向打断,用酒精清洗后,用扫描电镜观察断口形貌。观察结果显示断口上无明显的非金属夹杂物,其断裂形式为脆性解理断裂[1],如图6所示。

(a)裂纹处形貌1; (b)裂纹处形貌2图4 裂纹形貌(a) crack morphology 1; (b) crack morphology 2Fig.4 Crack morphology

(a)裂纹处组织; (b)基体组织图5 显微组织(a) microstructure at cracks; (b) matrix structureFig.5 Microstructure

(a)裂纹断口1; (b)裂纹断口2图6 裂纹断口形貌(a)crack fracture 1; (b) crack fracture 2Fig.6 Fracture morphology

2 生产过程情况

通过对磨球钢轧制过程进行详细调查,该材料在加热、轧制过程中各工艺参数符合要求,整个过程未发现明显异常。在调查过程中发现,由于圆钢要求弯曲度≤ 4 mm/m,对于平直度符合要求的圆钢快速收集打包,下线堆冷,堆冷温度大于350 ℃;而对于在轧制过程中弯曲度不符合要求的圆钢(约6%)单独收集(温降大),生产结束后,堆放在待处置区域,安排矫直,使弯曲在外力作用下矫直,产品达到合格状态。通过对断裂圆钢过程流转对应分析,发现所有存在断裂问题的材料均是经过了矫直工序。

3 分析与讨论

通过化学成分分析,材料成分控制正常。通过对材料气体、低倍等性能指标的分析,材料各类性能指标正常,说明材料不是由于性能异常导致的断裂。在断口附近取样发现明显的裂纹,裂纹由中心扩展呈螺旋走势。通过对裂纹显微组织的分析,裂纹处及周围无夹杂物,裂纹组织与基体组织一致,无异常组织,因此夹杂物及内部组织均不是造成裂纹的原因。

通过扫描电镜对裂纹的形貌分析,裂纹为脆性解理断裂,解理断裂是在正应力作用产生的一种穿晶断裂,解理断裂通常是具有体心立方(珠光体中铁素体)和密排六方金属在冲击载荷和应力集中情况下发生[2]。

磨球碳含量高,且含有较高的合金元素,裂纹敏感性强,快速冷却过程钢中组织应力较大,圆钢弯曲后在矫直过程中将产生矫直应力,矫直应力与组织应力叠加,后期运输过程中,如果受到较大的外力(如严重的挤压、碰撞),将导致圆钢应力超过钢材断裂韧度,使圆钢产生裂纹甚至断裂[3-4]。

4 工艺改进

针对550A磨球钢圆钢断裂问题,通过分析提出工艺改进措施,对弯曲圆钢进行退火热处理,使钢材中的应力得到了有效的释放[5-6],同时降低了钢材的硬度,使矫直变得更容易。通过以上措施,钢厂再未接到客户类似质量投诉。

5 结论

1)造成圆钢断裂的主要原因是弯曲圆钢单独收集温降快,矫直前没有进行去应力处理,导致钢材内部应力大于钢材断裂韧度。

2)通过对弯曲钢材矫直前去应力退火,有效地避免的圆钢断裂。

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