0Cr17Ni4Cu4Nb钢电渣坯裂纹产生原因.pdf

682023年第59 卷PTCAPARTPHYS.TEST.理化检验-物理分册质量控制与失效分析D0I:10.11973/lhjy-wl2023070180Cr17Ni4Cu4Nb钢电渣坏裂纹产生原因刘桂江，孙常亮，滕正德，翟让，赵华龙，刘红林（抚顺特殊钢股份有限公司，抚顺113 0 0 1）摘要：0 Cr17Ni4Cu4Nb钢电渣锭开坏后，在钢坏角部有裂纹产生。采用宏观观察、化学成分分析、金相检验等方法对该钢坏裂纹产生的原因进行分析。结果表明：开裂钢坏中的碳、氮、镍等元素含量较低，导致材料的铁素体含量较高，铁素体条带宽度较大；铁素体富集区的塑性较差，最终导致钢坏发生开裂。提高钢坏中的碳、氮、镍等元素的含量，可以改善钢坏的表面质量，避免产生裂纹。关键词：0 Cr17Ni4Cu4Nb钢；电渣坏；裂纹；铁素体；塑性中图分类号：TB31；T G 115.2文献标志码：B文章编号：10 0 1-40 12（2 0 2 3)0 7-0 0 6 8-0 3Cause of cracks in 0Cr17Ni4Cu4Nb steel electroslag billetsLIU Guijiang,SUN Changliang,TENG Zhengde,ZHAI Rang,ZHAO Hualong,LIU Honglin(Fushun Special Steel Co.,Ltd.,Fushun 113001,China)Abstract:After the opening of the OCr17Ni4Cu4Nb steel electroslag ingot,cracks were found at the cornersof the billet.The cause of the billet cracks was analyzed by means of macroscopic observation,chemical compositionanalysis and metallographic examination.The results show that the content of carbon,nitrogen,nickel and otherelements in the cracked steel billet was relatively low,resulting in a higher ferrite content and a wider ferrite bandwidth in the material.The poor plasticity of the ferrite enrichment zone ultimately led to cracking of the steel billet.Increasing the content of elements such as carbon,nitrogen and nickel in steel billets could improve the surfacequality of the billets and avoid the occurrence of cracks.Keywords:OCr17Ni4Cu4Nb steel;electroslag billet;crack;ferrite;plasticityOCr17Ni4Cu4Nb钢是在Cr17型不锈钢基础上发展起来的低碳马氏体沉淀硬化型不锈钢。经固溶处理（10 2 510 55加热保温十空冷或油冷至室温)后，该钢的组织转变为马氏体，基体中析出了弥散的富铜相，并产生了沉淀硬化作用，从而使该钢被强化；经时效处理（48 0 6 50 保温十空冷）后，该钢的抗拉强度为9 3 0 MPa13 0 0 M P a。该钢具有良好的耐腐蚀性能和耐高温性能，其焊接性能优于马氏体型不锈钢，接近于某些奥氏体不锈钢，被广泛应用于汽轮机叶片、核反应堆部件、紧固件和医疗器械等领域，是用量最多的沉淀硬化型不锈钢1。该钢具有裂纹敏感性高、塑性温度范围窄、导热性差、收稿日期：2 0 2 2-0 9-2 9作者简介：刘桂江（19 8 6 一），男，学士，高级工程师，主要从事金属压力加工及失效分析工作，抗变形能力强、易宽展等特点 2 ，在生产过程中，其质量控制存在一定难度。某钢坏的生产流程为：电炉钢包精炼真空精炼炉模铸电极电渣重熔均热炉加热(1140)轧机开坏空冷表面检查。在生产过程中，发现部分钢坏产生了轧后裂纹（见图1）。笔者采用一系列理化检验方法分析了钢坏产生裂纹的原因，并提出了改进措施，以避免该类问题再次发生。1理化检验1.1宏观观察在开裂钢坏的裂纹处及同批次无裂纹钢坏上分别取样，编号为试样1和试样2，取样位置如图2所示。69刘桂江Cu4Nb钢电渣坏裂纹产生原因理化检验-物理分册a)整体b)局部图1产生轧后裂纹的钢坏宏观形貌a)试样1(开裂钢坏)b）试样2(无裂纹钢坏）图2试样取样位置示意在试样1横截面上取样，对试样进行磨制、抛光、腐蚀处理，然后观察试样的宏观形貌，结果如图3所示。由图3 可知：坏料角部裂纹较为严重，角部发生金属缺失，裂纹内无金属光泽，裂纹与表面的距离大于3 0 mm。a)整体b)局部图3试样1横截面宏观形貌1.2化学成分分析分别在试样1和试样2 的角部取样，对试样进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：试样1和试样2 的化学成分均满足GB/T87322014汽轮机叶片用钢的要求，但试样1中碳、镍、氮等元素的含量明显低于试样2 中碳、镍、氮等元素的含量。表1试样1和试样2 的化学成分分析结果%质量分数项目CMnSiSPNiCrWVMoA1CuNbN试样10.0210.380.350.0010.0284.1515.250.030.090.210.013.280.270.040实测值试样20.0370.380.370.0010.0284.4015.290.030.080.200.013.300.260.047实测值15.003.000.15标准值0.0550.501.003.8016.003.700.351.3金相检验在试样1的角部取样，对试样进行金相检验，结果如图4所示。由图4可知：试样1裂纹内部存在明显高温氧化现象 3-4，坏料未进行退火处理，说明70刘桂江Cu4Nb钢电渣坏裂纹产生原因理化检验-物理分册氧化产生于轧制过程之前；腐蚀后可见裂纹沿铁素体条带开裂，材料整体塑性较弱，组织晶粒无异常长大，无过热或过烧现象试样1和试样2 中铁素体的微观形貌如图5所示。由图5可知：试样1的铁素体含量高于试样2的铁素体含量，试样1的铁素体条带宽度大于试样2的铁素体条带宽度。200um200ma)抛光态b)腐蚀态图4试样1的显微组织形貌100um100uma)试样1(低倍)b)试样2(低倍)E5350um50umc)试样1(高倍)d)试样2(高倍)图5试样1和试样2 中铁素体的微观形貌2综合分析OCr17Ni4Cu4Nb钢中主要含有碳、铬、镍、铜等元素，以及微量的锯、钼、铝、钛等元素。0Cr17Ni4Cu4Nb钢中的碳元素可以促进奥氏体的形成 5，并形成碳化物，具有沉淀强化作用；镍元素不是碳化物的形成元素，不能形成沉淀相，但能形成并稳定奥氏体，从而保证不锈钢具有良好的塑性。钢中碳、锰、镍、氮等元素含量越高，铁素体含量越低；铬、硅、钼、钒、钨等元素可以促进铁素体的形成，其中最主要的是铬元素，随着铬元素含量的增加，铁素体的含量逐渐增加，会使材料的横向韧性降低，进而恶化其热加工性能。郎荣兴等6 对OCr17Ni4Cu4Nb钢中的锻造裂纹进行分析，发现裂纹的产生与加工前材料的表面粗糙度和加工过程中材料的变形量有关，钢中的铁素体含量是影响该钢热加工性能的主要原因，铁素体富集区的塑性较差，易产生裂纹。由上述理化检验结果可知：该开裂钢坏的组织中未见明显晶粒粗大、过热、过烧等现象，可以排除加热温度过高的因素；开裂钢坏和无裂纹钢坏的化学成分存在明显差异，开裂钢坏的铁素体含量高于无裂纹钢坏的铁素体含量；开裂钢坏的铁素体条带（下转第7 4页）74（上接第7 0 页）胡伟勇化退火后轴承套圈锻坏表层的显微组织理化检验-物理分册20um10uma)碳化物球稀b）片状珠光体25um10umc）碳化物球稀与片状珠光体混生d）仿晶界铁素体+碳化物球稀+珠光体图6表面部分脱碳的显微组织形貌20um图7表面全脱碳的显微组织形貌结合球化退火材料表层脱碳层中碳浓度曲线和Fe-C-Cr三元相图，可以说明碳势不同导致表面碳宽度大于无裂纹钢坏的铁素体条带宽度。说明该钢坏裂纹的产生与钢锭成分控制不当有关。3结论与建议（1）该钢坏的化学成分控制不当，导致钢坏角部的铁素体含量过多，从而使铁素体富集区的塑性变差，最终导致钢坏产生裂纹（2）建议调整钢坏中碳、氮、镍等元素的含量，碳元素的质量分数增加0.0 5%，Ni元素的质量分数增加0.2 0%，N元素的质量分数增加0.0 1%，进而改善钢坏的表面质量，避免表面产生裂纹。含量不同，并形成相应的碳浓度曲线，表层显微组织的转变符合该曲线的变化规律。参考文献：1胡伟勇，王峰，黄涛，等.GCr15钢轴承套圈表面脱碳层形成机理 J.理化检验（物理分册），2 0 2 1,57（10）：6-11.2康大韬.物理冶金学原理习题集 M.北京：机械工业出版社，19 8 1.3胡伟勇，王峰，黄涛，等.GCr15轴承钢的碳化物不均匀性缺陷J.理化检验（物理分册），2 0 2 2，58（11）：15-18.参考文献：1翟爱群，杨钢，蔡梅，等.0 Crl7Ni4Cu4Nb沉淀硬化不锈钢锻造裂纹分析 J.特钢技术，2 0 12,18（2)：5-9.2李晓芳，关再兴.0 5Cr17Ni4Cu4Nb锻造产品的试制J.金属加工（热加工），2 0 16（7）：6 6-6 7.3余伟，王俊，刘涛.热轧钢材氧化及表面质量控制技术的发展及应用 J.轧钢，2 0 17,3 4（3）：1-6.4孙彬，曹光明，刘振宇，等.不同热连轧工艺参数条件下三次氧化铁皮的分析 J.物理测试，2 0 10,2 8（6)：1-5.5李兴东，周新灵，张小伍，等.最终时效工艺对17-4PH不锈钢组织和性能的影响 J.理化检验（物理分册），2013,49(6):367-370.6郎荣兴，李贵全，殷春云.0 Cr17Ni4Cu4Nb钢锻造裂纹分析与控制 J.锻压技术，2 0 16，41（9）：18-2 2.