铸钢试棒力学性能不合格原因分析

程年云 (武汉江岸车辆厂,武汉430012)

摘　要:对日常检测中材料ZG230-450两类力学性能不合格现象的试棒进行了宏观检验和显微组织分析。结果表明,试棒中出现残余铸态组织、集中夹杂物和显微缩松等缺陷是造成这两类力学性能不合格的原因。提出了改进措施。

关键词:力学性能半导体除湿;残余铸态;集中夹杂;显微缩松

1　概况

我厂在对ZG230-450钢试棒进行力学性能试验过程中,经检验与统计,除85%的试棒力学性能合格外,还有15%的试棒力学性能不合格。我们对力学性能不合格的试棒进行了统计归纳,发现主要有两类力学性能不合格:①屈服点不明显或偏低,拉断后试棒表面出现皱纹,但其塑性能达到规定数值,该类试棒的典型实物见图1;②有屈服点且合格,但塑性达不到规定数值,该类试棒的典型实物见图2。两种试棒的力学性能数据与标准值见表1。

2　检验及结果

2.1　断口宏观检验

对第一类试棒进行观察,发现颈缩现象明显,试样表面出现明显皱纹,表明试棒断裂前曾发生过明显屈服现象,塑性良好。观察第二类试棒,颈缩现象不明显,试样表面光滑无折皱,表明其有屈服但不明显,塑性指标较差。

图1　屈服点不明显或偏低试棒(第一类) 图2　有屈服点但塑性低试棒(第二类)

2.2　化学成分分析

对两类试棒取样进行化学成分分析,分析结果(质量分数)与标准值数据见表2。

由表2数据对比可见,虽然第二类试棒化学成分在合格范围之内,但较第一类试棒的成分偏高,且含碳量偏上限。

2.3　金相组织检验

分别对两类试棒制备金相试样,在XJG205大型光学显微镜下观察。在第一类试棒及部分第二类试棒中出现明显的残余铸态组织,见图3;第二类试棒中发现集中夹杂物和显微缩松,见图4和图5。

图3　残余铸态组织　100×

3　原因分析

综上分析得知,两类力学性能不合格试棒都出现了残余铸态组织,这说明铸钢件在完全退火时,其退火加热温度过低或保温时间不足,使得原奥氏体晶粒晶界上的铁素体未能固溶,退火后金相组织中出现针状铁素体及不等轴珠光体,且珠光体呈网状分布。按TB/T2450-1993判别,图3为5～6级残余铸态组织,属不允许出现的金相组织。

图4　集中夹杂及显微缩松　100× 图5　图4经侵蚀后的显微组织　100×

图6　备用试棒退火正常组织　100×

我们将完全出现残余铸态组织的第一类现象的备用试棒,严格按要求进行退火,再进行力学性能试验,测得屈服点σs为295MPa,抗拉强度σb为505MPa,伸长率δ5为26%,断面收缩率ψ为43%,与表1中第一类试棒力学性能相比,强度、塑性得到了根本的改善;再次用断裂试棒制备金相试样,结果为正常的退火组织,按TB/T2450-1993判别,为退火3级组织(8级晶粒度的铁素体+呈网状分布的细小块状珠光体),见图6。

在第二类试棒中除部分有残余铸态组织外,所有试棒均出现集中夹杂和显微缩松,按TB/T2451-1993判别为Ⅱ型夹杂物4级,属于不合格(图4)。原因是一般浇注试棒都选择在浇注后期,此时钢水的温度梯度小,残留的液态金属是按照同时凝固的方式进行凝固。凝固开始时,在整个液态金属内出现许多细小的晶粒。随着温度降低和晶粒长大以及新的晶粒产生,使正在凝固部分与外界液态金属通道被许多已凝固成形的晶粒完全隔绝,随着温度的逐渐降低,又使液态金属的粘度逐渐增大,使液态金属很难通过细小的通道给予补缩。因此,这些虽未被晶粒完全孤立的液态金属也几乎处于孤立状态。在晶粒之间及枝晶之间也残存了许多被孤立的液态金属,这些液态金属凝固时将产生更多和更加细小的孔洞,即产生了显微缩松。同时碳含量偏上限,使珠光体较铁素体的相对量增多,进一步导致钢的强度增高,塑性降低。几种因素的综合,导致第二类试棒的塑性指标下降。

4　结论与建议

(1)第一类力学性能不合格试棒无屈服点或有屈服点但偏低的主要原因是退火温度过低或保温时间不足。

(2)第二类力学性能不合格试棒有屈服点但塑性偏低,是由含碳量偏上限和组织中出现严重的集中夹杂物与显微缩松,加上部分试棒存在退火温度过低或保温时间不足共同造成的。

(3)建议浇注试棒时严格控制温度范围,建立合适的浇注、冒口和冷铁系统,保证顺序凝固;冒口尺寸要适当,冒口与铸件的连接部分要正确。

(4)旋流沉砂器控制铸钢件的化学成分,尤其是碳含量要适当。

(5)严格控制退火温度和保温时间,加强控温仪表的检测,防止仪表失控及测温不准现象的发生。

35CrMo钢拉杆显微组织与性能

孙维连，杨钰瑛(河北农业大学机电工程学院，河北保定　07100.)

摘要:研究了35CrMo钢拉杆显微组织中出现的带状偏析、网状铁素体、粗大晶粒等对其力学性能的影响。采用

金相法分析了35CrMo钢拉杆校直出现断裂的原因。结果表明，由于原材料存在带状组织偏析、平镦加热组织粗

大、铁素体网状分布等组织缺陷，应在拉杆淬火加热前增加一道正火或退火工序。通过细化晶粒，消除网状铁素体和带状组织，可进一步提高材料的力学性能。

　拉杆主要应用于大型建筑的框架结构。拉杆材料为35CrMo钢，尺寸为<100mm×6m，要求其抗拉强度≥750MPa、屈服强度≥550MPa、伸长率≥17%、断面收缩率≥50%、冲击功≥50J。拉杆采用螺纹连接方式，在拉杆的两端采用加热平镦工艺使其直径达到120mm。热处理工艺为850℃加热淬火，550℃回火。

热处理后对该试件进行了拉伸和冲击试验。结果表明，材料的拉伸强度、伸长率、断面收缩率达到技术要求，但冲击韧度不足。另外，在拉杆镦粗过程中，出现了弯曲变形，在采用1000t压力机校正时，拉杆在变径处出现断裂(见图1)。为了寻失效原因和解决塑性、韧性低的问题，对拉杆的原材料、热处理工艺和热处理前后的金相组织进行了分析。

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图1　35CrMo钢拉杆断裂形貌　×0.5

1　试验材料与方法

1.1　试验材料及工艺

采用化学滴定法分析了35CrMo钢原材料的化学成分，结果见表1。试验工艺为①850℃淬火+550℃回火；②正火+850℃淬火+550℃回火。

1.2　试验方法

用金属带锯机在经平镦、校直后断裂的试件上取样，取样部位距中心25mm处纵、横截面位置上。用DMP23A10自动研磨抛光机制备金相试样，并用硝酸酒精溶液腐蚀。采用HR150硬度计测量零件宏观硬度。采用MH26显微硬度计测量显微硬度，载荷砝码200g，保持时间5s。在CSS244000万能试验机和JB2300B冲击试验机进行拉伸和冲击试验。

2　结果与分析

图2　35CrMo钢拉杆纵截面 (a)和横截面 (b)金相组织　×100

图2所示为拉杆纵横截面金相组织。由图2a可见，纵截面的组织为珠光体与铁素体，呈连续带状分布，按GB/T13299—1991《钢的显微组织评定方法》中带状组织C系列评级标准，确定其带状组织达到5级，组织中铁素体晶界清晰可见，珠光体带宽窄不一。

由图2b可见横截面的组织为铁素体与珠光体，各占约50%，晶粒较粗大，按GB/T6394—1986《金属平均晶粒度测定方法》测定其晶粒度为(4～5)级。试验中还发现平镦断裂的试样纵、横截面有轻微的魏氏组织存在，按GB/T13299—1991《钢的显微组织评定方法》中魏氏组织B系列评级标准评定其魏氏组织为1级，见图3。

图3　断裂件金相组织中魏氏组织形貌　×100

图4为经不同工艺处理后35CrMo钢试样的金相组织。由图4a可见，经工艺①处理后试样的纵截面有带状组织偏析痕迹，黑白带状区域分明；另外试验中还发现试样的横截面也有明显的块状黑组织分布痕迹。其中，白区保留明显的马氏体位向，显微硬度为超滤膜清洗287HV(30HRC)；黑区无马氏体位向，显微硬度362HV(39HRC)。由图4b可见，按工艺②先经正火处理后，其金相组织为等轴晶粒的铁素体和珠光体(晶粒度为6级)，然后再经淬火回火后可得到均匀的索氏体组织，显微硬度362HV(39HRC)。两种经不同工艺处理后试样拉伸和冲击试验结果见表2。

(a)锁扣工艺①，process①　×100 (b)工艺②，process②　×500

图4　35CrMo钢试样经工艺处理后的金相组织

3　讨论

由于35CrMo钢在高温下具有较高的持久强度和蠕变强度，低温韧性好，较高的静强度、冲击韧度和疲劳强度，淬透性良好，无过热倾向，淬火畸变小，冷变形时塑性尚可，切削性能一般，但有第一类回火脆性，焊接性能不好。试验中发现该钢拉杆原始组织沿轧制方向(试样的纵截面)存在较严重的带状组织，对材料的塑性和韧性有较大的影响(各向异性)。直接淬火和回火后，试样的纵截面仍保留明显的带状特征，黑白条状区域明显，组织显微硬度出现差异。根据组织形貌和显微硬度可断定，出现黑、白区是由于碳浓度分布不均匀，从而造成硬度不同。这表明直接采用淬火回火工艺并不能消除带状缺陷，并对性能会产生不利的影响。采用在淬火前增加一道正火工序，可消除带状缺陷。

校直过程中，钢拉杆变径处断裂主要由于平镦前局部加热温度过高(工件表面氧化皮严重)，造成组织粗大，晶粒度达到2级，脆性增大。组织中铁素体呈网状分布，有轻微的魏氏组织，使得晶粒间的强度大大降低，校直时造成沿晶断裂，图1中结晶状断口形貌可以证实这一点。出现此类情况，应采用细化晶粒的退火或正火处理加以解决。

4　结论

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由于35CrMo钢原材料带状组织偏析严重，使材料承载能力具有明显的方向性。原始材料存在带状组织缺陷，调质处理前不进行消除带状组织处理，冲击功不能满足技术要求。平镦前局部加热温度过高，组织中铁素体呈轻微的魏氏组织形貌网状分布，使得晶粒间的强度大大降低，脆性明显增大，是校直时造成了沿晶断裂的主要原因。平镦后增加正火工艺，细化了晶粒、消除了网状铁素体和带状组织，再经调质处理，提高了材料的力学性能，满足零件技术要求。

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