30CrNiMo铸钢件冲击性能不合格原因分析

尹亚豪， 郭 磊， 苏建锋， 岳晓灿

(中钢集团郑州金属制品研究院股份有限公司， 河南 郑州 450001)

30CrNiMo钢由于具有淬透性高、综合力学性能好和冷热加工性能优良等特点，在矿山机械中得到了广泛应用。某厂生产的30CrNiMo铸钢件，生产过程包括铸态成形、正火(890 ℃×1 h，空冷)、调质(880 ℃保温1 h,水淬，600 ℃回火2 h)处理，在进行性能检验时冲击吸收能量不合格(检验值均不到10 J，远低于要求值下限34 J)，委托我单位进行检验。冲击试样取自单铸试块，取样位置如图1所示。本文通过在实验室利用扫描电镜和光学显微镜等检测手段进行检测和分析，确定了铸钢件冲击吸收能量不合格的原因。

图1 冲击试样取样位置Fig.1 Sampling location of the impact specimens

1 理化检验

1.1 断口微观形貌

使用ZEISS EVO15扫描电镜对冲击试样断口进行形貌观察，断口形貌如图2所示。由图2可知，其宏观断口形貌较为异常，断口上呈现出许多小平面，属于明显的沿晶断口。在扫描电镜下观察，其断口小平面上分布有许多条纹，对条纹之间进一步放大观察，呈解理和准解理特征；两侧边缘处为韧窝形貌。

图2 试验钢正火态SEM断口形貌(a)宏观；(b)沿晶断口；(c)铸态结晶组织；(d)韧窝形貌Fig.2 SEM fracture morphologies of the normalized tested steel(a) macroscopic； (b) intergranular fracture； (c) as-cast crystalline microstructure； (d) dimple morphology

1.2 能谱面扫描及成分分析

使用X-Max50能谱仪对断口小平面上条纹处进行微区成分分析，结果如图3所示。由图3可知，断面面扫描结果显示Nb分布不均匀，存在偏聚现象，定量分析结果显示条纹处Nb含量为1.74%，条纹间Nb含量太低而未被检测到，条纹处Nb含量高于周围非条纹处。

图3 调质态试验钢断口小平面EDS分析(a)条纹处面扫描结果；(b)条纹处和条纹间定量分析结果Fig.3 EDS analysis at small plane fracture of the quenched and tempered tested steel(a) surface scanning results at fringe; (b) quantitative analysis results at fringe and between stripes

1.3 显微组织

取同批次铸态、正火态、淬火态和回火态试件在相同位置制样，使用体积分数为4%硝酸酒精溶液进行侵蚀，然后使用ZEISS Imager.M2m光学显微镜进行显微组织检查，结果如图4所示。铸态显微组织为沿晶界分布的条、块状铁素体，晶内为针状铁素体+珠光体；正火态为铁素体+珠光体+粒状贝氏体；淬火态为马氏体+粒状贝光体；调质态为回火索氏体。

图4 试验钢不同热处理状态的显微组织(a)铸态；(b)正火态；(c)淬火态；(d)回火态Fig.4 Microstructure of the tested steel under different heat treatment states(a) as-cast; (b) normalized; (c) quenched; (d) tempered

对铸态和淬火态组织进行晶粒度检验，结果如图5所示。铸态组织晶粒度级别劣于GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》中00级，晶粒尺寸与断口上小平面尺寸较为接近，淬火态组织晶粒尺寸极不均匀，呈现双重晶粒度特征。

1.4 化学成分检验

在冲击试样上取样，使用5110VDV等离子体发射光谱仪和DK 606红外碳硫分析仪进行化学成分检验，结果见表1。由表1可知，冲击试样化学成分符合JB/T 5000.6—2007《重型机械通用技术条件 第6部分：铸钢件》中ZG30CrNiMo的要求。

1.5 硬度检验

采用FM-310型显微硬度计对冲击试样断口的解理形貌区域和韧窝形貌区域进行硬度测试，试验力0.98 N，试验力保持时间10 s，每个区域选择5个测试点，解理形貌区域的硬度平均值为334 HV0.1，韧窝形貌区域的硬度平均值为328 HV0.1，两个区域的硬度未见明显差异。

2 分析与讨论

由化学元素结果可知，铸钢件化学成分符合JB/T 5000.6—2007标准中ZG30CrNiMo钢的要求。由硬度测试结果可排除材料硬度不均匀导致的冲击吸收能量不合格。

由断口微观形貌观察结果可知，冲击试样断口出现沿晶断口。沿晶断口上小平面尺寸与铸态的原奥氏体晶粒尺寸较为接近，表明铸钢件热处理过程中存在晶界遗传现象。一般来说，晶界迁移的驱动力与晶界的曲率半径呈反比，原始晶粒越大，晶界越平直，晶界的曲率半径几近无穷大，则随后加热时，其迁移的可能性越小，越容易保留完整的原始晶界。由能谱检验结果可知，条纹处Nb含量高于周围非条纹处，表明钢中存在Nb偏聚，Nb为强碳化物形成元素，在钢中大部分以碳化物NbC形式存在。当钢中晶界有析出相时，在一般的热处理温度下，析出相因不能完全固溶而很难消除[1]。由金相检验结果可知，正火处理时形成了铁素体+珠光体和粒状贝氏体组织；对于30CrNiMo钢，根据相关研究[2]，由于含有较高的Cr、Ni、Mo等合金，在冷速较慢时也存在发生非平衡转变的可能。一旦生成贝氏体或者马氏体，根据钢的组织遗传现象[3]，可能后续的正火或者调质均不能消除该组织，导致热处理后试件内部混晶或者晶粒粗大。由于Nb具有增加淬透性和抑制珠光体形成的作用，表明钢中的合金元素偏析未能通过正火进行消除，后续淬火态晶粒不均匀出现混晶现象也说明合金元素偏聚现象的存在。合金元素在晶界的偏聚能改变晶界的迁移特性。一方面，偏聚于晶界的合金元素能降低晶界的活动性，对晶界迁移起阻碍作用，另一方面，还可能形成较多的第二相粒子起到钉扎晶界、巩固晶界遗传的作用[4]。

3 结论及建议

1) 通过对30CrNiMo铸钢件冲击断口进行检测分析，发现由于合金元素偏析，使试件出现非平衡转变组织、发生晶界遗传是造成试件冲击吸收能量不合格的直接原因。

2) 针对正火后试件出现贝氏体等非平衡转变组织，将正火调整为等温退火，避免发生非平衡转变，可降低晶界遗传程度，有效提高试件冲击性能。