钢中铝含量对E级钢铸件脆性断裂的影响

高明才

（牡丹江金缘钩缓制造有限责任公司，黑龙江牡丹江 157013）

1 情况说明

该钩舌材质为E级钢（成分及性能见表1），该产品应用于单车载重139.8 t，牵引240列，总牵引力为3.8万t澳大利亚矿石车。从性能的要求可以看出其对抗拉强度、屈服强度及冲击韧性的要求均高于《机车车辆用车钩、钩尾框》（T B/T 456-2008）的要求（铁标对应数值为：830 MPa、690 MPa、27 J）。故此该产品对裂纹的敏感性高，在生产初期曾多次发生脆性断裂，断口呈“冰糖状”。

表1 化学成分（质量分数，%）及机械性能要求

2 原因分析

2.1 金相分析

通过探伤检查发现存在脆性断裂的铸件浇口部位存在裂纹，该部位金相图片如图1、图2所示。金相分析显示组织为索氏体、基体表层有脱碳（脱碳层深度0.2 mm～0.35 mm）且裂纹两边存在分叉及转向特征，由此可以证明该裂纹为沿晶界断裂。

图1 浇口部位金相1

图2 浇口部位金相2

2.2 成分分析

通过对该批次同炉浇注的铸件进行化学成分光谱分析，发现Al元素质量分数均在0.085%～0.12%之间，比日常控制范围上限高出0.04%，其他元素含量正常。

2.3 电镜及能谱分析

为进一步详细了解铸件脆性断口的特征，对现场铸件的断口进行实物取样，并将试样委托铁科院金化所进行电镜高倍形貌观测、X光能谱元素分析及俄歇能谱表面元素分析，结果见图3～图5.

图3 断口形貌及夹杂图片

图4 断口夹杂的能谱分析图片

图5 断口表面俄歇能谱表面元素分析图片

从图4、图5图可以看出，能谱在晶界位置存在较多的Fe-Mn、Mn等元素能量的突变。形成该现象的原因是由于钢液中存在过多的Al元素，由于Al元素较Mn、Cr元素氧化能力强，造成钢水在还原期、冷却过程中过多的Mn及Cr元素被还原出来，在晶界形成Mn的富集区，造成能量的突变。同时由于Al元素的过剩，致使钢水中的N元素在高温状态下同其形成稳定的AlN，进一部消弱晶间强度。

通过对脆性断口进行分析，证明断口表面有较多的Al2O3、、Mn S和局部富集的Mn；脆性断口上存在 AlN；脆性断口未发现富集的 As、Sn、Sb、Pb等元素。

结论：脆性断裂是由于钢件中存在超量的Al元素，造成其在晶界形成AlN，割裂了钢件基体。

3 Al元素质量分数对脆性断裂的影响

为进一步找到钢中铝质量分数对铸件产生脆性断裂的规律，从而确定出钢中合理的Al元素质量分数。现场采用手工插铝的方法浇注出不同铝质量分数的试棒，并采用锤击的方式获得断口，制作出宏观断口图片见图6.

图6 不同质量分数的Al对宏观断口的影响

从图6可以看出E级钢铸件Al质量分数在0.080%左右时，脆性断口开始呈现出“冰糖状”，当其质量分数达到0.22%时断口形成圆周形脆性“冰糖状“断口，而且该趋势的产生在Al质量分数接近0.09%产生突变。

Al元素质量分数在0.020%～0.055%之间时，断口组织致密，强度成各向同性，故此通过锤击的方式获得断口十分困难；当Al元素质量分数在0.060%～0.080%之间时断口通过肉眼可以观察到存在“分层”特征，其强度成单向异性，通过锤击的方式获得断口较为容易；当Al元素质量分数超过0.080%或更高时，断口明显存在“冰糖状”大颗粒，断层鲜亮成“放射状”，由于其脆性大，故此通过锤击的方式获得断口十分容易。

4 结论

1）通过实验表明虽然当钢中Al的质量分数达到0.080%时已经在金相边界产生AlN，但此时铸件的机械性能却可以达到标准要求，只是冲击性能的富余量不足。故此为保证铸件的综合性能，同时发挥Al元素脱氧的作用，对E级钢而言，铝的质量分数应控制在0.02%～0.07%。

2）Al元素作为钢水冶炼过程中强脱氧剂，其所得率具有不稳定性。为了能够稳定地控制并检测其在钢水中的含量，建议采取吹氩喂丝工艺加铝，同时在钢水浇注到整包的1/4时浇注成品样，在检测浇注末期的残Mn样的同时检测最终Al含量。

3）通过实验证明：对于E级钢铸件而言，一旦钢中因Al含量过高形成晶界AlN，采用重新热处理的方式是无法消除的。

4）该种因Al含量过高产生的脆性断裂缺陷只会发生在E级钢或低合金钢急冷铸件，对其他钢种或非淬火铸件暂不具备指导意义。

［1］高美兰，白树金.ZG 310-570铸件脆性断裂分析［J］.新技术新工艺，2008（4）：66-67.

［2］MT罗利（美）.国际铸件缺陷图谱［M］.南京：江苏科学技术出版社，1983.

［3］蔡启舟，吴树森.铸造合金原理及熔炼［M］.北京：化学工业出版社，2010.

［4］支良生，党光清.新编中外常用金属材料手册［M］.西安：陕西科学技术出版社，2012.