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    鉻-鎳奧氏體不銹鋼排氣歧管開裂原因和預防措施




    奧氏體不銹鋼排氣歧管在鑄造生產和高溫臺架試驗時均發生開裂。分析表明,鑄型退縮性、碳化物分布不良和夾雜物是導致排氣歧管鑄件開裂的主要原因。據此,采取了去除鑄件中夾雜物等預防排氣歧管鑄件開裂的措施。熱沖擊試驗結果表明,排氣歧管鑄件質量符合要求,已批量生產。

    ZG40Cr25Ni20Si2是排氣歧管的常用材料,耐熱溫度可達到1 000℃以上,基體組織為奧氏體+微量鐵素體。ZG40Cr25Ni20Si2鋼的化學成分見表1,ZG40Cr25Ni20Si2鋼的力學性能見表2。鑄造生產中在厚薄交叉部位出現過熱裂、冷裂紋,重則報廢,微觀裂紋不易發現,但微觀裂紋在高溫臺架試驗時形成熱裂源,而導致中斷試驗。排氣歧管鑄件圖如圖1所示。

    1耐熱鋼排氣歧管鑄件裂紋產生的原因

    耐熱鋼排氣歧管結構復雜,壁厚差大,管壁厚46mm,法蘭處壁厚2030mm,鑄件經常在壁厚交叉的地方出現裂紋。法蘭盤與管壁交叉處產生裂紋如2所示,這種裂紋產生的原因可能有兩種:熱裂和冷裂。

    (1)熱裂

    熱裂是高溫凝固階段產生的裂紋,即從線收縮開始溫度到凝固結束溫度階段,如果收縮受阻,拉應力增大,產生裂紋的傾向會更大。

    (2)冷裂

    冷裂是指鑄件凝固后冷卻到彈性狀態時,因局部鑄造應力大于極限強度而引起的裂紋。

    熱裂和冷裂在鑄件驗收的時候很難區分是什么狀態下產生的,因此統稱為鑄造裂紋。凡是發現有鑄造裂紋的產品從本體取拉力試棒,強度和伸長率都達不到規定的要求。當然,鑄造缺陷(縮松、氣孔)也可以引起鑄造裂紋。這些裂紋有宏觀的也有微觀的,宏觀缺陷目測能夠發現,微觀缺陷目測不易發現,微觀缺陷給后續的臺架試驗和正常使用留下了隱患。

    2鑄造裂紋的預防

    (1)熱裂紋是鑄件凝固受阻,拉應力增大,晶間開裂形成的。耐熱鋼排氣歧管采用負壓殼型鑄造,殼型的高溫強度、潰散性是不一樣的。為了減少鑄件收縮時的阻力,選擇合適的覆膜砂,提高覆膜砂的潰散性,減少鑄件的收縮阻力。

    (2)改變鑄件結構,使線性更流暢,薄、厚交叉處增大鑄造圓角,減少拉應力。

    (3)控制鑄件順序凝固、熱節部位用激冷砂及冷鐵的都可以有效地防止熱裂紋的產生。

    (4)鑄件清理時,在外觀上發現的輕微裂紋相當一部分是冷裂紋。鑄件澆注后沒有及時在短時間內開箱,鑄件在脆性轉變區間停留時間越長,晶粒越粗大,脆性越大,強度降低越嚴重。因此,控制好扒箱時間也是一個關鍵工序。

    (5)冶金質量對鑄造裂紋有直接影響,爐料不純凈、高溫停留時間過長及鐵液氧化嚴重等都會使材料的力學性能降低,加劇裂紋產生。

    (6)鑄造工藝設計不合理,夾渣、縮松及氣孔等都會造成凝固過程的應力集中,形成裂紋源。

    3鑄件的固溶強化

    冷裂紋的產生與扒箱時間有密切的關系,扒箱時間越早越好,扒箱時間早實際是對鑄件的一種固溶強化處理。Y型試塊,一組隨型冷卻到室溫后扒箱,一組凝固后高溫下扒箱后空冷或水冷,其力學性能不一樣,前者力學性能低,后者力學性能高??焖偻ㄟ^脆性轉變溫度可有效地防止冷裂紋的產生。對于1 000℃以上的工況條件,固溶強化看起來沒有直接作用,但是可以提前預防冷裂紋的產生。在耐熱鋼排氣歧管標準中規定鑄態供貨,是基于控制扒箱時間對鑄件的固溶強化處理,減少了熱處理工序。不同的開箱時間、冷卻方法對ZG40Cr25Ni20Si2力學性能的影響見表3。

    4臺架試驗裂紋

    排氣歧管在冷熱交變的高、低溫下反復進行熱沖擊試驗300h,在許多情況下,試驗還沒有結束,排氣歧管已面目皆非。試驗參數選擇的合適與否,與排氣歧管的耐高溫性能有很大的關系。試驗參數設置是否合理,不是本文研究的課題。前面講到鑄造裂紋是開裂的宏觀原因,驗收時發現不了的微觀裂紋會導致臺架試驗中斷。碳化物形態和晶間缺陷也是導致臺架失效的原因之一。試驗開裂件如圖3所示,熱沖擊試驗工藝參數如圖4所示,裂紋處金相圖片如圖5所示。從圖5可以看到,斷裂處有夾雜物。

    5熱疲勞斷裂分析

    熱疲勞斷裂是奧氏體不銹鋼鑄件的主要失效形式和縮短其使用壽命的主要因素,高溫熱疲勞性能是評定耐熱不銹鋼高溫性能的重要指標。通過試驗驗證,Cr-Ni奧氏體耐熱鑄鋼試樣經過一定次數的熱循環,在設定的上限溫度都會產生裂紋。在上、下限溫度范圍內進行反復的熱循環,在規定時間內排氣歧管鑄件不出現裂紋或在允許的位置出現輕微的裂紋都算試驗通過。除了鑄造裂紋對臺架試驗有影響外,碳化物分布和晶間夾雜物對裂紋的產生也有重要的影響。

    5.1碳化物分布

    試樣中的大塊連續碳化物會造成應力集中,一般認為,在碳化物處產生應力集中的原因是基體與碳化物在冷、熱交變時,由于碳化物與基體的膨脹系數不同,所以當鋼由高溫冷卻至室溫時,就會在碳化物周圍產生附加應力,因而促使碳化物與基體脫開,形成顯微裂紋??梢詳喽ňчg碳化物與奧氏體基體的界面是熱疲勞裂紋形核的有利部位。同時,一個可以進一步長大的微觀裂紋核往往出現在界面碳化物鏈處,表明熱疲勞裂紋與碳化物的大小、分布有密切關系,那些尺寸較大且沿晶界呈連續鏈狀分布的碳化物不易變形且阻礙位錯運動,位錯在晶界處塞積,從而導致微裂紋沿晶界萌生并擴展。奧氏體枝晶間的碳化物形態及分布是影響奧氏體耐熱鋼熱疲勞抗性的關鍵因素。碳化物分布越均勻細小,越有利于提高鋼的熱疲勞抗性。高溫下的快速冷卻恰恰使碳化物析不出來而固溶在奧氏體基體中,既提高了力學性能,又使碳化物呈細小彌散的顆粒分布,減少了碳化物與基體的膨脹系數不同所產生的附加應力,提高了耐熱鋼的疲勞應力,降低了斷裂風險。

    5.2晶間夾雜物

    不銹鋼中夾雜物主要指鋼中非金屬夾雜物,一般認為鋼中非金屬夾雜物常以下列形式存在:FeO、Fe2O3、MnO、Al2O3、SiO2MgO等氧化物;MnS、FeS等硫化物;FeSiO4、MnSiO4FeO·Al2O3·SiO2等硅酸鹽;AlN、Si3N4等氮化物。

    鋼中的非金屬夾雜物來源于兩個方面:一是隨冶煉過程產生,即在出鋼時加入鐵合金的脫氧產物和澆注過程中鋼液和空氣的二次氧化產物,稱內生夾雜物,此類夾雜物一般顆粒細小,在鋼中分布均勻;二是因種種原因從外界帶入的,稱為外來夾雜物,此類夾雜物外形多不規則、尺寸較大且分布不均勻,是產生裂紋的主要原因,對鋼的危害性較大;無論是內生夾雜物還是外來夾雜物,在鋼中的影響和對鋼性能的破壞的結果是一樣的。

    6臺架試驗裂紋件分析

    在斷口附近用線切割的方式取樣,腐蝕后在掃描電鏡下觀察基體形態,發現晶界上有大量連續分布的夾雜物,晶界上的夾雜物相當于很多個微裂紋,割裂了基體,破壞了鑄件基體組織的連續性和均勻性,降低了鑄件性能。通過做能譜分析,確定晶間夾雜物的物質。

    通過能譜分析,檢測夾雜物主要為MnSAl2O3非金屬夾雜物,均屬于內生夾雜物。在非金屬夾雜物中,使鑄鋼件產生裂紋的主要原因是MnSAl2O3夾雜,這些夾雜物常常和其他元素共同作用,增大鑄鋼件裂紋的傾向,而硫化物夾雜與鋼的脫氧程度以及鋼中殘留鋁量有關。

    7解決措施

    雖然非金屬夾雜物在鋼中總量很少,但對鋼的影響卻很大。因鋼的冶煉、澆注、凝固和結晶是一個復雜的物理-化學過程,由于復雜的化學反應的結果,鋼液中的金屬元素如Fe、Mn、Al、Cr、Ti等與S、P、O、N等物質結合后生成化合物,就從本質上失去了金屬的性質[7]。這些化合物總是與基體相對獨立存在,在結構上與鋼的基體無任何聯系,鑲嵌在鋼中分割了金屬元素之間的緊密聯系狀態,破壞了基體的致密性,形成非金屬夾雜物[4]。要想獲得高品質的鑄件,必須采取措施減少鋼中的夾雜物含量和鋁含量,并在冷卻過程中通過快速冷卻的方式,使夾雜物來不及析出固溶在奧氏體晶粒中,提高鑄件的性能;因為在不銹鋼的凝固過程中由于非平衡凝固而在最后結晶的晶界處形成部分富鉻的晶界碳化物,這些富鉻晶界碳化物的形成不僅顯著降低了鋼的力學性能還會導致出現嚴重的晶間腐蝕。

    為了更好地去除鋼中的夾雜物采取以下改進措施:

    (1)熔煉時選擇低硫原材料,廢鋼及回爐料在使用前拋丸處理,防止產生外來夾雜物。其他合金在合金烘干爐中預熱,縮短熔煉時間。

    (2)快速熔煉,并在爐底通入氬氣保護鋼液,防止鋼液在熔煉過程中的氧化。

    (3)采用復合脫氧劑替代單一脫氧劑。

    (4)為了有利于夾雜上浮排除,除了保證足夠的鋼液溫度外,出鋼后鋼液在鋼包內要適當靜置。

    嚴格按照改進措施生產,鑄件的晶界上基本沒有夾雜物,常溫性能也得到了提升,提交的樣件順利通過熱沖擊試驗,目前已批產且產品質量穩定,改進后的鑄件基體組織如圖8所示。

    8結論

    (1)用于生產Cr-Ni奧氏體鑄鋼的覆膜砂強度不能過高,潰散性要好。

    (2)奧氏體枝晶間的碳化物形態及分布是影響奧氏體耐熱鋼熱疲勞抗性的關鍵因素。碳化物分布越均勻細小,越有利于提高鋼的抗熱疲勞性能。

    (3)鋼液中的夾雜物是鑄鋼件產生裂紋的主要原因之一。為減少鋼液中的非金屬夾雜物及防止鑄鋼件裂紋,切實做好原材料準備、冶煉工藝、脫氧操作及鋼包靜置等工作。

    (4)采用復合脫氧劑替代單一脫氧劑,是減少鋼液中非金屬夾雜物,減少鑄鋼件裂紋的有效方法。

    (5)冷卻方式不同,鑄件常溫性能不同,冷卻速度快的性能優于冷卻速度慢的性能。




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