铬-镍奥氏体不锈钢排气歧管开裂原因和预防措施

奥氏体不锈钢排气歧管在铸造生产和高温台架试验时均发生开裂。分析表明,铸型退缩性、碳化物分布不良和夹杂物是导致排气歧管铸件开裂的主要原因。据此,采取了去除铸件中夹杂物等预防排气歧管铸件开裂的措施。热冲击试验结果表明,排气歧管铸件质量符合要求,已批量生产。

ZG40Cr25Ni20Si2是排气歧管的常用材料,耐热温度可达到1 000℃以上,基体组织为奥氏体+微量铁素体。ZG40Cr25Ni20Si2钢的化学成分见表1ZG40Cr25Ni20Si2钢的力学性能见表2。铸造生产中在厚薄交叉部位出现过热裂、冷裂纹,重则报废,微观裂纹不易发现,但微观裂纹在高温台架试验时形成热裂源,而导致中断试验。排气歧管铸件图如图1所示。

1耐热钢排气歧管铸件裂纹产生的原因

耐热钢排气歧管结构复杂,壁厚差大,管壁厚46mm,法兰处壁厚2030mm,铸件经常在壁厚交叉的地方出现裂纹。法兰盘与管壁交叉处产生裂纹如2所示,这种裂纹产生的原因可能有两种:热裂和冷裂。

(1)热裂

热裂是高温凝固阶段产生的裂纹,即从线收缩开始温度到凝固结束温度阶段,如果收缩受阻,拉应力增大,产生裂纹的倾向会更大。

(2)冷裂

冷裂是指铸件凝固后冷却到弹性状态时,因局部铸造应力大于极限强度而引起的裂纹。

热裂和冷裂在铸件验收的时候很难区分是什么状态下产生的,因此统称为铸造裂纹。凡是发现有铸造裂纹的产品从本体取拉力试棒,强度和伸长率都达不到规定的要求。当然,铸造缺陷(缩松、气孔)也可以引起铸造裂纹。这些裂纹有宏观的也有微观的,宏观缺陷目测能够发现,微观缺陷目测不易发现,微观缺陷给后续的台架试验和正常使用留下了隐患。

2铸造裂纹的预防

(1)热裂纹是铸件凝固受阻,拉应力增大,晶间开裂形成的。耐热钢排气歧管采用负压壳型铸造,壳型的高温强度、溃散性是不一样的。为了减少铸件收缩时的阻力,选择合适的覆膜砂,提高覆膜砂的溃散性,减少铸件的收缩阻力。

(2)改变铸件结构,使线性更流畅,薄、厚交叉处增大铸造圆角,减少拉应力。

(3)控制铸件顺序凝固、热节部位用激冷砂及冷铁的都可以有效地防止热裂纹的产生。

(4)铸件清理时,在外观上发现的轻微裂纹相当一部分是冷裂纹。铸件浇注后没有及时在短时间内开箱,铸件在脆性转变区间停留时间越长,晶粒越粗大,脆性越大,强度降低越严重。因此,控制好扒箱时间也是一个关键工序。

(5)冶金质量对铸造裂纹有直接影响,炉料不纯净、高温停留时间过长及铁液氧化严重等都会使材料的力学性能降低,加剧裂纹产生。

(6)铸造工艺设计不合理,夹渣、缩松及气孔等都会造成凝固过程的应力集中,形成裂纹源。

3铸件的固溶强化

冷裂纹的产生与扒箱时间有密切的关系,扒箱时间越早越好,扒箱时间早实际是对铸件的一种固溶强化处理。Y型试块,一组随型冷却到室温后扒箱,一组凝固后高温下扒箱后空冷或水冷,其力学性能不一样,前者力学性能低,后者力学性能高。快速通过脆性转变温度可有效地防止冷裂纹的产生。对于1 000℃以上的工况条件,固溶强化看起来没有直接作用,但是可以提前预防冷裂纹的产生。在耐热钢排气歧管标准中规定铸态供货,是基于控制扒箱时间对铸件的固溶强化处理,减少了热处理工序。不同的开箱时间、冷却方法对ZG40Cr25Ni20Si2力学性能的影响见表3

4台架试验裂纹

排气歧管在冷热交变的高、低温下反复进行热冲击试验300h,在许多情况下,试验还没有结束,排气歧管已面目皆非。试验参数选择的合适与否,与排气歧管的耐高温性能有很大的关系。试验参数设置是否合理,不是本文研究的课题。前面讲到铸造裂纹是开裂的宏观原因,验收时发现不了的微观裂纹会导致台架试验中断。碳化物形态和晶间缺陷也是导致台架失效的原因之一。试验开裂件如图3所示,热冲击试验工艺参数如图4所示,裂纹处金相图片如图5所示。从图5可以看到,断裂处有夹杂物。

5热疲劳断裂分析

热疲劳断裂是奥氏体不锈钢铸件的主要失效形式和缩短其使用寿命的主要因素,高温热疲劳性能是评定耐热不锈钢高温性能的重要指标。通过试验验证,Cr-Ni奥氏体耐热铸钢试样经过一定次数的热循环,在设定的上限温度都会产生裂纹。在上、下限温度范围内进行反复的热循环,在规定时间内排气歧管铸件不出现裂纹或在允许的位置出现轻微的裂纹都算试验通过。除了铸造裂纹对台架试验有影响外,碳化物分布和晶间夹杂物对裂纹的产生也有重要的影响。

5.1碳化物分布

试样中的大块连续碳化物会造成应力集中,一般认为,在碳化物处产生应力集中的原因是基体与碳化物在冷、热交变时,由于碳化物与基体的膨胀系数不同,所以当钢由高温冷却至室温时,就会在碳化物周围产生附加应力,因而促使碳化物与基体脱开,形成显微裂纹。可以断定晶间碳化物与奥氏体基体的界面是热疲劳裂纹形核的有利部位。同时,一个可以进一步长大的微观裂纹核往往出现在界面碳化物链处,表明热疲劳裂纹与碳化物的大小、分布有密切关系,那些尺寸较大且沿晶界呈连续链状分布的碳化物不易变形且阻碍位错运动,位错在晶界处塞积,从而导致微裂纹沿晶界萌生并扩展。奥氏体枝晶间的碳化物形态及分布是影响奥氏体耐热钢热疲劳抗性的关键因素。碳化物分布越均匀细小,越有利于提高钢的热疲劳抗性。高温下的快速冷却恰恰使碳化物析不出来而固溶在奥氏体基体中,既提高了力学性能,又使碳化物呈细小弥散的颗粒分布,减少了碳化物与基体的膨胀系数不同所产生的附加应力,提高了耐热钢的疲劳应力,降低了断裂风险。

5.2晶间夹杂物

不锈钢中夹杂物主要指钢中非金属夹杂物,一般认为钢中非金属夹杂物常以下列形式存在:FeOFe2O3MnOAl2O3SiO2MgO等氧化物;MnSFeS等硫化物;FeSiO4MnSiO4FeO·Al2O3·SiO2等硅酸盐;AlNSi3N4等氮化物。

钢中的非金属夹杂物来源于两个方面:一是随冶炼过程产生,即在出钢时加入铁合金的脱氧产物和浇注过程中钢液和空气的二次氧化产物,称内生夹杂物,此类夹杂物一般颗粒细小,在钢中分布均匀;二是因种种原因从外界带入的,称为外来夹杂物,此类夹杂物外形多不规则、尺寸较大且分布不均匀,是产生裂纹的主要原因,对钢的危害性较大;无论是内生夹杂物还是外来夹杂物,在钢中的影响和对钢性能的破坏的结果是一样的。

6台架试验裂纹件分析

在断口附近用线切割的方式取样,腐蚀后在扫描电镜下观察基体形态,发现晶界上有大量连续分布的夹杂物,晶界上的夹杂物相当于很多个微裂纹,割裂了基体,破坏了铸件基体组织的连续性和均匀性,降低了铸件性能。通过做能谱分析,确定晶间夹杂物的物质。

通过能谱分析,检测夹杂物主要为MnSAl2O3非金属夹杂物,均属于内生夹杂物。在非金属夹杂物中,使铸钢件产生裂纹的主要原因是MnSAl2O3夹杂,这些夹杂物常常和其他元素共同作用,增大铸钢件裂纹的倾向,而硫化物夹杂与钢的脱氧程度以及钢中残留铝量有关。

7解决措施

虽然非金属夹杂物在钢中总量很少,但对钢的影响却很大。因钢的冶炼、浇注、凝固和结晶是一个复杂的物理-化学过程,由于复杂的化学反应的结果,钢液中的金属元素如FeMnAlCrTi等与SPON等物质结合后生成化合物,就从本质上失去了金属的性质[7]。这些化合物总是与基体相对独立存在,在结构上与钢的基体无任何联系,镶嵌在钢中分割了金属元素之间的紧密联系状态,破坏了基体的致密性,形成非金属夹杂物[4]。要想获得高品质的铸件,必须采取措施减少钢中的夹杂物含量和铝含量,并在冷却过程中通过快速冷却的方式,使夹杂物来不及析出固溶在奥氏体晶粒中,提高铸件的性能;因为在不锈钢的凝固过程中由于非平衡凝固而在最后结晶的晶界处形成部分富铬的晶界碳化物,这些富铬晶界碳化物的形成不仅显著降低了钢的力学性能还会导致出现严重的晶间腐蚀。

为了更好地去除钢中的夹杂物采取以下改进措施:

(1)熔炼时选择低硫原材料,废钢及回炉料在使用前抛丸处理,防止产生外来夹杂物。其他合金在合金烘干炉中预热,缩短熔炼时间。

(2)快速熔炼,并在炉底通入氩气保护钢液,防止钢液在熔炼过程中的氧化。

(3)采用复合脱氧剂替代单一脱氧剂。

(4)为了有利于夹杂上浮排除,除了保证足够的钢液温度外,出钢后钢液在钢包内要适当静置。

严格按照改进措施生产,铸件的晶界上基本没有夹杂物,常温性能也得到了提升,提交的样件顺利通过热冲击试验,目前已批产且产品质量稳定,改进后的铸件基体组织如图8所示。

8结论

(1)用于生产Cr-Ni奥氏体铸钢的覆膜砂强度不能过高,溃散性要好。

(2)奥氏体枝晶间的碳化物形态及分布是影响奥氏体耐热钢热疲劳抗性的关键因素。碳化物分布越均匀细小,越有利于提高钢的抗热疲劳性能。

(3)钢液中的夹杂物是铸钢件产生裂纹的主要原因之一。为减少钢液中的非金属夹杂物及防止铸钢件裂纹,切实做好原材料准备、冶炼工艺、脱氧操作及钢包静置等工作。

(4)采用复合脱氧剂替代单一脱氧剂,是减少钢液中非金属夹杂物,减少铸钢件裂纹的有效方法。

(5)冷却方式不同,铸件常温性能不同,冷却速度快的性能优于冷却速度慢的性能。

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