34CrMo1A电站转轴无损检测不合格原因分析

石 英

(中国第一重型机械股份公司质量检验中心，黑龙江161041)

轴类零件主要用来支承传动零部件，并传递扭矩、动力和承受弯曲载荷。在实际生产中，尤其是批量生产时，为节约成本、提高效率，常在大气环境中冶炼、浇注轴类零件的钢锭。钢锭的质量是保证锻件质量的先决条件，更是决定钢的锻造性能的重要因素，钢锭的质量主要表现在纯净性、致密性和均匀性三个方面：纯净性是指杂质元素及夹杂物的含量；致密性是指缩孔、疏松等各种孔隙性缺陷的严重程度；均匀性是指成分和杂质偏析程度。而钢锭的内在质量则取决于钢的冶炼水平，钢中夹杂物的数量、形态和变形能力(塑性还是脆性)对钢的力学性能和断裂过程有很大的影响，不变形的硬而脆的夹杂物，颗粒虽小，但尖锐棱角可以引起强烈的应力集中，故在交变载荷作用下，会诱发疲劳裂纹。

某公司生产的一批材质为34CrMo1A的电站转轴，在其中一根转轴的A部，距O点轴向194 mm～370 mm范围内发现∅3 mm～4 mm的密集型超标缺陷，造成该转轴基本报废，见图1。为确定缺陷性质，利用现有检测设备对该转轴进行失效分析。

1 试验方法及结果

1.1 金相检验

在经无损检测定位存在严重缺陷的区域，切取金相试样，检验其纵向面，磨制抛光态在光学显微镜下观察，可见较多颗粒状夹杂物，其余夹杂物较少，见图2。试样经4%硝酸酒精腐蚀后，观察其显微组织为珠光体+铁素体，但组织不均匀，存在显微偏析区，晶粒度级别为6级，见图3。

图2 夹杂物微观形貌
Figure 2 Microscopic morphology of inclusions

1.2 化学成分分析

采用ARL3460直读光谱仪对试样进行化学成分分析，结果见表1，各元素含量均符合工艺规定要求。

1.3 拉伸试验

在转轴超标缺陷位置处套料，加工成拉伸试样，采用DR-6000B电子万能试验机测试转轴的拉伸性能，结果见表2，该材料的强度指标、塑性指标均低于要求值。

表1 化学成分检测结果(质量分数，%)Table 1 Test result of chemical composition (mass fraction，%)

表2 室温拉伸性能检测结果Table 2 Test results of tensile properties at room temperature

图4 基体微观形貌
Figure 4 Microscopic morphology of substrate

图5 夹杂物低倍形貌
Figure 5 Macroscopic morphology of inclusions

1.4 断口及能谱分析

将拉伸断口置于QUANTA600扫描电子显微镜(SEM)下观察，其微观断裂性质为脆性解理方式，具有明显的“河流花样”，如图4所示。在断口边缘处可见3处密集夹杂物缺陷，如图5所示，局部放大后观察，其性质为成串的颗粒状夹杂物，嵌于基体内，破坏了基体的连续性，如图6所示。经能谱仪(EDS)分析夹杂物成分，主要为Al、O及少量的Mg，故可判定其为Al2O3脆性夹杂物，如图7所示。

图7 夹杂物能谱分析
Figure 7 Energy spectrum analysis of inclusions

2 分析与讨论

综合上述理化检验结果可见：该失效转轴的化学成分符合技术要求；转轴显微组织为珠光体+铁素体，存在显微偏析区；其拉伸试验的强度指标、塑性指标均不合格；扫描电镜下可观察到多处超标尺寸的Al2O3夹杂物。

Al2O3夹杂物为低变形指数的脆性夹杂物，与钢基体之间的物理性能及变形能力等方面均存在较大差异，大量聚集的夹杂物将破坏钢材基体组织的均匀连续性，当受到一定应力或外加载荷时，在夹杂物周围的基体中便会产生应力集中，导致基体组织产生缺陷，而此缺陷的存在容易成为微裂纹的萌发地，形成内在疲劳源，造成加工性能恶化，且导致工件的塑性、韧性降低。若密集的夹杂物暴露于转轴表面，将会严重降低其疲劳强度。

因此，控制工件夹杂物的含量及分布尤为关键，在炼钢过程中夹杂物若没有充分上浮而被表面的渣系所吸附，必须保证钢液的流动性与黏度，黏度影响着物质在钢液与熔渣之间的传递，通过控制熔渣中的FeO、碱度和加入萤石来调节。钢液的流动性越好、黏度越小，越有利于夹杂物上浮，其次，保证夹杂物有充分的上浮时间。

3 结论及建议

(1)该电站转轴无损检测缺陷为大量聚集的Al2O3夹杂物，Al2O3夹杂物是细小难熔的高硬度脆性夹杂物，在炼钢温度下呈固态，且体积较小，在炼钢过程中不易充分上浮长大，从而未被渣系吸附，最终残留在钢中至使检测不合格。

(2)建议使用较纯净的炉料，且保证钢液流经的地方也要干净；提高耐火材料的材质，减少其侵蚀损坏而混入钢液；采用夹杂物球化处理、氩气弱搅拌，以及选择合适的脱氧剂；浇注前钢液在钢包中镇静适当时间，有利于非金属夹杂物充分上浮，避免出现密集Al2O3夹杂物的缺陷，从而导致疲劳裂纹的形成。