某受力耐磨铸钢件脆性断裂的原因分析及改善措施

周子龙，白冬冬，潘多龙，杜天彬，吕昌略

（江苏朗锐茂达铸造有限公司，江苏江阴 214445）

某受力耐磨铸钢件材质为ZG35CrMnSi，热处理工艺为油淬+高温回火调质处理工艺。该产品是采煤机重要的支承装置和高强度受力耐磨部件；由于煤矿井下地质条件恶劣，在工作过程中该铸钢件受力复杂，在服役过程中，曾发生服役早期即产生断裂现象，铸钢件断面粗糙无明显塑性变形，呈脆性断裂特征。

1 原因分析

1.1 化学成分分析

在铸钢件断口附近取样进行化学成分分析，铸钢件化学成分符合要求，具体结果见表1。

表1 断裂铸钢件的化学成分 ωB/%

1.2 宏观分析

经对铸钢件断口部位进行宏观分析，铸钢件断面粗糙，无明显塑性变形，整体呈脆性断裂特征，其形貌见图1。在10 倍放大镜下观察，断口呈典型的岩石状断裂，裂纹沿初生奥氏体晶界扩展，晶粒尺寸约5～10mm，其形貌见图2。

图1 断口实物形貌

图2 断口放大形貌

1.3 金相分析

在铸钢件断口部位进行取样，进行非金属夹杂物和金相组织检查，非金属夹杂物评定级别为Ⅰ、Ⅲ型细系1 级，粗系0.5 级；Ⅳ型0.5 级。非金属夹杂物符合要求，具体见图3。断口处组织未回火索氏体+贝氏体，表面组织为回火索氏体，奥氏体晶粒度约8 级，未见过热、过烧现象。金相组织符合要求，具体见图4～6。

图3 非金属夹杂物

图4 断口处组织500×

图5 表面组织100×

图6 表面组织500×

1.4 外观形貌和能谱分析

对铸钢件断口部位取样进行微观形貌分析，分析结果显示断口表面初生奥氏体晶界棱面清晰可见，部分棱面上可见沿一定位向分布的小刻面，小刻面光滑无异物，具体见图7、图8。

图7 断口微观形貌

图8 断口微观形貌

对铸钢件断口部位取样进行能谱分析，能谱在晶界位置存在较多的Fe-Mn 等元素能量的突变，具体见图9。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，造成钢水在冷却过程中过多的Mn、Cr 元素被还原出来，在晶界形成Mn 的富集区，造成能量突变[1]。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氮化铝而使晶界脆化。

氮化铝在奥氏体晶粒形成时以粗大薄膜状析出于晶界，产生组织缺陷，降低铸钢件的塑性和韧性，增加晶间产生裂纹的倾向。这种粗大薄膜状氮化铝与其他弥散分布的夹杂物不同，其形态是厚度为0.05μm，其他尺寸不大于5μm 的薄膜，这种形态的氮化铝夹杂物沿晶界分布，大大减弱了晶间的结合力，从而影响铸钢的力学性能[2]。

综上所述，该耐磨铸钢件因工况恶劣受力复杂，同时因钢中形成氮化铝晶界脆化，导致铸钢件在服役早期产生脆性断裂。

图9 断口能谱分析

2 改善措施

2.1 控制钢中氮含量

铸钢中的氮含量与铸钢熔炼工艺、操作、原材料等有密切关系，对于中频感应电炉而言，降低钢中氮含量最直接的方法有以下几种方式：

（1）严格控制废钢的清洁度和干燥度；

（2）严格控制回炉料的使用比例，回炉料加入量不能超过50%；

（3）在扒渣过程中尽量减少或避免钢液裸露，减少钢液吸气；

（4）采用炉外精炼手段降低气体含量，这是去除钢液中气体的有效方法。

2.2 控制钢中残铝量

（1）熔炼过程中严格控制脱氧铝加入量进行钢水终脱氧，确保残余铝含量控制在0.03%～0.06%为宜。纯铝脱氧是当前中频感应炉脱氧所采用的非常成熟的工艺。用硅、锰脱氧后，用铝进行脱氧时，铝的加入量应严格控制在0.08%到1.2%之间。

（2）采用复合脱氧工艺替代铝终脱氧。采用由稀土、硅、钙等为基本成分的复合脱氧剂+铝进行终脱氧，减少铝的加入量。采用复合脱氧剂对钢中非金属夹杂物进行了变质处理，且由于钢液凝固过程中Ca2N2领先于氮化铝析出，不会对晶间的结合力产生较大影响。同时采用复合脱氧工艺减少铝的加入量控制了残余铝含量，避免了氮化铝的形成，达到防止脆性断口的目的。

3 结论

（1）铸钢中如果残铝量过高，钢液凝固过程中析出氮化铝致使晶界脆化，工件在服役过程中容易产生脆性断口。

（2）控制好钢中氮含量和残余铝含量，尤其是残余铝含量不超过0.06%就可以避免氮化铝的形成，从而减少或消除脆性断口发生的可能。