高强度矿用紧凑链立环应力腐蚀断裂行为研究

彭世丹

(宝钢特钢长材有限公司 上海：201900)

矿用紧凑链是煤矿刮板输送机的重要部件，其占用空间小、承载能力大，在不改变输送设备链道尺寸的情况下，采用高强度矿用紧凑链可使输送设备的功效升级，提高输送设备的输送能力。随着刮板运输机的进步,对于大规格高强度紧凑链立环的要求也越来越高[1-3]。紧凑链中相邻的两环外宽不同，相同直径的情况下立环的外宽比平环小，是紧凑链的关键零件，其机械性能及质量直接影响了采煤面的产量。

某煤机公司使用牌号为23MnNiMoCr54K钢质高强度矿用紧凑链条，规格为φ48×152mm。在使用过程中出现1只立环疲劳断裂，共服役约103天；经排查另有1只立环肩顶部存有裂纹。本文对矿用链条立环的化学成分、显微组织、断口形貌、硬度等进行了分析，以查找链条断裂失效的原因，并提出了综合解决方案。

1 实验方法

1.1 实验样品

为便于分析，将23MnNiMoCr54K钢质矿用紧凑链条肩部断开的立环样品标记为1#样品，而存有裂纹的立环标记为2#样品，在其顶部靠近内侧处可见裂纹。

该煤机链条的生产工艺为：下料-加热弯环-焊接-热处理-拉伸-配对-检验，其中立环工艺为：下料-加热-锻造-冲孔、切边-热处理-喷丸。其中，立环热处理是正火，而链条热处理则采用淬火+回火。

1.2 试验方法

采用ARL 4460电火花直读光谱仪、LEICA M205A体视显微镜、ZEISS Axioplan2光学显微镜、配有能谱仪的JEOL JSM-6490LV扫描电镜、KB150R硬度计等设备对矿用链条立环的化学成分、显微组织、断口形貌、硬度等进行分析，以分析23MnNiMoCr54K钢质矿用紧凑链条立环断裂的原因。

2 实验结果

2.1 宏观形貌观察与分析

对1#和2#高强度矿用链立环进行化学成分分析，并与相关标准进行比较，结果见表1。可见立环成分符合相关钢材标准DIN 17115-2012中的23MnNiMoCr5-4及GB/T 10560-2017中的23MnNiMoCr54K要求[4,5]。

表1 23MnNiMoCr54K钢矿用链条化学成分及相关标准要求(wt%，其余为Fe)

2.2 宏观形貌观察与分析

肉眼可见23MnNiMoCr54K钢立环肩部附近存有深浅不一的麻坑，且内侧有摩擦痕迹，如图1(a)所示。对破断的1#来样切取断口进行分析，断口宏观形貌见图1(b)，箭头指向正面断裂起源，可见断口面已遭到撞击。断口外侧有剪切唇，无明显缩颈。断裂样品表面存有腐蚀坑洞，深度可达0.6mm。

图1 1#立环及其断口

将1#样品纵向切开后，可见纵向裂纹，将其打开，可知纵向起裂源处于靠近表面约5mm处，断裂起源处颜色较深几近黑色。

将存有裂纹的2#样品纵向切割后可见存有多条裂纹，其中一条裂纹为横向，与外表面相通；另一条较短的纵向裂纹，存在样品内部。将其横向裂纹样品打开，断口宏观形貌结果与1#样品相近，裂纹面大体呈黑色(新鲜断口为浅灰色)，裂纹源处于靠近立环表面的样品内部。

2.3 微观形貌观察与分析

将1#样品清洗后置于扫描电镜中进行分析，起裂源处形貌结果见图2。可见1#样品断裂起源于立环内部，具有沿晶特征。对断口起裂源附近微区进行能谱(EDS)分析，结果如图3所示，EDS谱图显示断口面除了Fe、O元素以外，还有Al、Si等元素，部分区域含有S、Cl等元素。

图2 1#样品断口起裂源处微观形貌

图3 1#样品起裂源处形貌(a)及对应位置微区成分(b)、(c)，可见S、Cl等成分

将2#样品沿裂纹打开清洗后置于扫描电镜中分析，组织形貌结果如图4所示，可见断口形貌起裂源处覆有腐蚀产物，隐约可见沿晶特征，扩展区域也可见沿晶断口形貌，显示系脆性断裂。微区成分分析结果见图5，可见含有Fe、O及Al、Si等元素，部分区域含有S、Cl等元素，系腐蚀产物。

图4 2#样品裂纹人工打开后的形貌

图5 2#样品裂纹打开后形貌(a)及相应位置微区成分谱图(b)、(c)

2.4 金相分析

对钢立环1#样品镶嵌磨抛后进行金相分析，结果见图6(a)，可见断口附近存有树枝状二次裂纹，断口表面存有灰色氧化物。腐蚀后的金相组织见图6(b)，系回火马氏体，而微裂纹沿原奥氏体晶界扩展。

图6 1#样品断口样中的二次裂纹

2#样品裂纹打开后的大块镶嵌磨抛后进行金相分析，结果见图7(a)，可见断口表面存有氧化皮，有沿晶裂纹。金相组织为回火马氏体。2#样品腐蚀后的形貌见图7(b)，存有沿晶扩展的微裂纹。

图7 2#样品裂纹打开后的表面金相

对断裂样品的金相试样进行扫描电镜分析，以1#样品为例，结果如图8所示，可见二次裂纹内含有Fe、O、Al、Si及S、Cl等元素。

图8 1#样品断口纵向微裂纹形貌(a)及微区成分(b)、(c)，可见S、Cl等元素

此外，经过对金相样品抛光态和侵蚀态全面的光镜和电镜显微分析，1#和2#样品中未见非金属夹杂物超标及夹渣、疏松、中心偏析等冶金缺陷。

3 分析与讨论

23MnNiMoCr54K钢链条立环断口宏观检验表明，断裂链条无明显缩颈，只在断口外侧有剪切唇，周围未见明显塑性变形。另外，断口形貌呈沿晶特征，由此判断此链条材料发生了脆性断裂[6-9]。

研究表明，影响材料塑性的内在因素是冶金因素，即成分、组织结构、纯净度等。以及几何因素，如材料尺寸、有无缺口及缺口尖锐度等。外在因素是材料所处环境及应力状态[10,11]。

由化学成分检测结果可知，断裂链条中各合金元素成分符合标准。从金相组织上看未见冶金缺陷，金相组织为回火马氏体；而从样品断口分析，断面大体分为三个区域，及起裂源、横向开裂和瞬断区，对应于立环样品先是纵向开裂，后是横向断开；纵向断口和横向断口起裂源处均呈沿晶断口特征，样品内部与外界不通的裂纹也呈沿晶扩展形态；裂纹起源于次表面。由此判断样品发生了沿晶脆性断裂。

从断口形貌上看，1#样品断口形貌具有氢致开裂特征；断口附近和样品裂纹内部显示含有Fe和O及Al、Si等元素，部分区域含有S、Cl等元素，具有应力腐蚀开裂特征。从两件样品表面均可以看到有较深的腐蚀坑，以及断面上很多的腐蚀产物看，说明链条使用环境属于较苛刻的腐蚀环境，长期处在腐蚀环境，使用过程中又是处于轴向拉应力受力状态[12]，属于典型的应力腐蚀条件，发生应力腐蚀开裂的危险急剧增大。而断口显示的应力腐蚀特征也说明链条断裂是发生了应力腐蚀断裂[13,14]。

矿用高强度圆环链是煤矿井下工作面刮板输送机、转载机上的重要传动部件，是设备的受力件、关键件和易损件。其性能优劣将直接影响刮板输送机的正常运转及煤矿安全生产的进度，因而在实际工作中要求圆环链必须具有较好的强韧性及优良的综合力学性能。从链条材料的选用上看，23MnNiMoCr54K钢是一种国外引进的高强度链条钢，它在低碳钢的基础上通过添加Mn、Ni、Mo、Cr、Al等合金元素，通过这些元素的固溶强化、晶界强化及第二相质点强化，来提高钢的强度、塑性和韧性，同时通过控制钢中的有害元素S、P等来提高链条的疲劳寿命。23MnNiMoCr54K钢主元素为C、Mn、Ni、Cr、Mo，随着这些合金元素含量的增加，强度也随着提高，但C、Mn含量增加，其韧性则下降[15,16]。

从合金中主要的添加元素和起到的作用看，这种合金材料主要考虑的是材料的机械性能，尤其是强度，但是并没有专门添加针对强腐蚀性环境使用的元素，或者说是合金材料的耐蚀性稍差，在腐蚀环境下使用时发生应力腐蚀断裂的危险性增加。因此，才会出现在强腐蚀性环境中短时间就脆性断裂的情况。因此对强腐蚀性的环境，还需要对使用的材料进行改良，针对性的添加提高耐应力腐蚀的元素如镍、铜等，会大大降低发生应力腐蚀脆性断裂的危险[17]。

本研究中的23MnNiMoCr54K钢立环横截面从外侧到内侧沿直径5个位置硬度测试结果见表2。由表2可见1#和2#立环的最大值分别为40.2HRC和39.5HRC。按照ISO 18265-2013钢淬回火后硬度值的换算[18]，相当于抗拉强度1208MPa和1186MPa。而从图6(b)和图7(b)可知，该链条立环的显微组织为保留马氏体位向的回火马氏体，比常规的回火索氏体组织对氢更敏感[19]。基于在现有条件下，提升矿用紧凑链回火温度，获得组织更为均匀的回火索氏体，可以提升韧性、抗氢脆及抗应力腐蚀性能。

表2 23MnNiMoCr54K矿用紧凑链立环硬度(HRC)

在上述研究的基础上，优化23MnNiMoCr54K钢链条热处理工艺后，获得回火索氏体组织的链条立环，服役时间超过18个月，满足煤矿使用要求。

此外，可以进一步优化23MnNiMoCr54钢的成分设计，甚至选用抗腐蚀性能更为优异的新钢种，如通过添加Ni、Cu等耐候、耐腐蚀元素提升链条的整体抗应力腐蚀能力，但会带来成本上升、加工困难等风险，需要钢厂、煤机用户及制链公司等全产业链综合考量。

4 结论

本文通过对煤矿用φ48×152mm大规格高强度紧凑链条23MnNiMoCr54K钢立环断裂件的显微组织、断口形貌、夹杂物、化学成分、硬度等进行分析研究，得出以下结论：

(1)高强度紧凑链条立环早期疲劳断裂起源于次表面，起裂源处存有沿晶断口形貌，呈脆性特征；

(2)立环断口表面存有二次裂纹，可见含S、Cl等元素的腐蚀产物，符合应力腐蚀断裂特征；

(3)由于矿用链条服役过程中，长期处在腐蚀环境，使用过程中又是受到拉应力作用，属于典型的应力腐蚀条件，最终导致立环发生应力腐蚀断裂。

(4)优化大规格高强度矿用链条热处理工艺，获得回火索氏体组织，立环使用寿命延长，可满足使用要求。