ZG20SiMn铸件的脆性断裂分析

宋 勇

(大连华锐重工集团股份有限公司，辽宁 大连 116013)

0 前言

ZG20SiMn因其强度高、塑性与韧性好而被广泛用于水压机立柱、横梁、工作缸、水轮机转轮、冶金车辆各种车轮等构件。多年的使用证明，在正常使用条件下服役不会出现脆性断裂。

某ZG20SiMn大型铸件在吊运过程中 (已经过热处理)，在距地面约800mm处意外坠地而开裂。为查明铸件失效原因，通过对两种缺口及裂纹试样的示波冲击试验和金相观察，分析了失效ZG20SiMn铸件脆性裂变的原因，并提出了改进措施。

1 材料的原始状态及检验方法

从工艺和生产制造过程两方面对失效材料进行分析。该件的热处理工艺为:890℃正火580℃回火，保温12小时。

整个热处理过程及记录曲线符合工艺要求，没有发现异常现象。

取自失效的ZG20SiMn铸件断口附近与铸件附体试块作为试验用料。化学成分见表1，冲击试样尺寸为10 mm×55 mm，其中缺口分别为标准V型缺口、R=0.1 mm线切割缺口、失效铸件裂纹，深度均为2 mm。冲击试验采用Ciem-3-D-cpc型电子测量冲击试验机。对断口附近试样进行了重新热处理，其工艺为:930℃，0.5～3h，空冷:640℃，500 min。对热处理前后的试样进行了金相观察。

表1 试验用钢的化学成分Tab.1 Chemical composition of steel under test

2 试验结果及分析

2.1 示波冲击试验

示波冲击试验结果见表2。图1为冲击试验的载荷-挠度曲线示意图。由图1可知，冲击吸收功大致由两部分组成:一部分为裂纹形成功即启裂功，主要消耗在试样的弹性变形、塑性变形及裂纹形成;另一部分为裂纹扩展功，主要消耗于裂纹前沿 (the front of cracks)微观塑性变形和裂纹扩展。因此冲击吸收功的大小并不能完全反映材料的韧脆性质，而其中的塑性变形功，尤其是裂纹扩展功才真正影响材料的韧脆性质。

图1 冲击试验的载荷一挠度曲线Fig.1 Load-deflection curve of impact test

表2 示波冲击试验结果Tab.2 Result of the oscillographic impact test

由表2可知，失效铸件V型缺口、R=0.1 mm缺口与实际裂纹三种试样的裂纹扩展韧性均较低，无明显差别，表明材料断裂前塑性变形能力较小，一旦出现裂纹将很快扩展断裂。

V型缺口试样的启裂韧性明显高于R=0.1 mm缺口和裂纹试样的启裂韧性，而R=0.1 mm缺口和裂纹试样的启裂韧性几乎相同，这表明材料有明显缺口的敏感性。表2还表明，重新热处理后的冲击韧性高于标准要求，附体试块与本体取样冲击韧性差别较大。

2.2 金相观察

失效ZG20SiMn铸件的金相组织为铸态魏氏组织如图2所示，表明虽然热电偶指示温度符合正火工艺要求，但铸件断裂部位实际温度并未达到指示温度，图3为重新热处理后的正常组织。

对铸件断口的电子探针分析表明，无氮化铝存在硫化物+氧化物混合夹杂2～3级，主要分布在晶界上，少量在晶内，符合标准要求。电子探针分析还表明，铸件在断裂之前表面已存在裂纹，但如果材料韧性好也不会导致材料低应力脆断。因而失效铸件脆性的主要原因是正火温度不够或保温时间不足，未能完全消除铸态组织，存在残余铸造内应力。

经过以上分析认为:

(1)铸件开裂的根本原因在于铸件没有真正实现完全奥氏体化，材料内部保留有大量的铸态魏氏体组织;

(2)铸件的正火温度偏低，没有达到超过Ac3线50℃以上的要求;

(3)铸件体积、吨位、壁厚都很大，造成铸件表面温度达到奥实体化温度，但是铸件内部温度没有达到规范要求，没有实现奥实体化，即没有真正达到热处理目的，是造成铸件开裂的直接原因。

3 改进措施

根据以上原因分析，针对该件做如下工艺调整

(1)提高正火温度，达到910℃;

(2)根据《GBT9452-2003热处理炉有效加热区测定方法》对热处理炉进行炉温均匀性测定;

(3)将升温速度降低到75℃/h以下;

(4)延长保温时间，达到16小时。

经过测定炉温均匀性，将该件在检测效果好的热处理炉中进行重新处理，然后进行相应的检验。具体结果见表3。

表3 改进后铸件机械性能Tab.3 Mechanical properties of test cast after secondary heat treatment

本体金相检验结果如图4所示。

图4 改进后铸件金相组织Fig.4 Metallographic structure(500×)of cast after secondary heat treatment

该金相组织为典型的铁素体+珠光体组织，属于该类材质的典型组织，并且晶粒度达到8级，属于细晶组织。通过重行的性能热处理彻底消除了原始的魏氏体组织，达到了预期目的。

4 结束语

失效铸件呈脆性的主要原因是正火温度不够及保温时间不足，导致晶类粗大，铸态组织未完全消除。经重新热处理，其冲击韧性提高，组织正常，符合标准要求。

［1］朱兴元，刘忆.技术学与热处理 ［M］.北京:北京大学出版社，2006.

［2］李庆春.铸件形成理论基础 ［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1982:172-182.

［3］章志伟.铸钢与合金铸钢生产新工艺新技术与质量检测实务全书 ［M］.银川:宁夏大地音像出版社，2003:1480-1485.

［4］王萧涵铸钢与合金铸钢设计制造操作规范、成分分析及常用数据实务全书［M］.吉林:吉林科学技术出版社，2003:721-739.

［5］任辉，柴跃生，孙刚，等.球磨对固态再生AZ31组织性能的影响［J］.太原科技大学学报，2012(4).