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奧氏體不銹鋼排氣歧管在鑄造生產(chǎn)和高溫臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)均發(fā)生開(kāi)裂。分析表明，鑄型退縮性、碳化物分布不良和夾雜物是導(dǎo)致排氣歧管鑄件開(kāi)裂的主要原因。據(jù)此，采取了去除鑄件中夾雜物等預(yù)防排氣歧管鑄件開(kāi)裂的措施。熱沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，排氣歧管鑄件質(zhì)量符合要求，已批量生產(chǎn)。

ZG40Cr25Ni20Si2是排氣歧管的常用材料，耐熱溫度可達(dá)到1 000℃以上，基體組織為奧氏體+微量鐵素體。ZG40Cr25Ni20Si2鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1，ZG40Cr25Ni20Si2鋼的力學(xué)性能見(jiàn)表2。鑄造生產(chǎn)中在厚薄交叉部位出現(xiàn)過(guò)熱裂、冷裂紋，重則報(bào)廢，微觀裂紋不易發(fā)現(xiàn)，但微觀裂紋在高溫臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)形成熱裂源，而導(dǎo)致中斷試驗(yàn)。排氣歧管鑄件圖如圖1所示。

1耐熱鋼排氣歧管鑄件裂紋產(chǎn)生的原因

耐熱鋼排氣歧管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚差大，管壁厚4～6mm，法蘭處壁厚20～30mm，鑄件經(jīng)常在壁厚交叉的地方出現(xiàn)裂紋。法蘭盤(pán)與管壁交叉處產(chǎn)生裂紋如圖2所示，這種裂紋產(chǎn)生的原因可能有兩種：熱裂和冷裂。

(1)熱裂

熱裂是高溫凝固階段產(chǎn)生的裂紋，即從線收縮開(kāi)始溫度到凝固結(jié)束溫度階段，如果收縮受阻，拉應(yīng)力增大，產(chǎn)生裂紋的傾向會(huì)更大。

(2)冷裂

冷裂是指鑄件凝固后冷卻到彈性狀態(tài)時(shí)，因局部鑄造應(yīng)力大于極限強(qiáng)度而引起的裂紋。

熱裂和冷裂在鑄件驗(yàn)收的時(shí)候很難區(qū)分是什么狀態(tài)下產(chǎn)生的，因此統(tǒng)稱(chēng)為鑄造裂紋。凡是發(fā)現(xiàn)有鑄造裂紋的產(chǎn)品從本體取拉力試棒，強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率都達(dá)不到規(guī)定的要求。當(dāng)然，鑄造缺陷（縮松、氣孔）也可以引起鑄造裂紋。這些裂紋有宏觀的也有微觀的，宏觀缺陷目測(cè)能夠發(fā)現(xiàn)，微觀缺陷目測(cè)不易發(fā)現(xiàn)，微觀缺陷給后續(xù)的臺(tái)架試驗(yàn)和正常使用留下了隱患。

2鑄造裂紋的預(yù)防

(1)熱裂紋是鑄件凝固受阻，拉應(yīng)力增大，晶間開(kāi)裂形成的。耐熱鋼排氣歧管采用負(fù)壓殼型鑄造，殼型的高溫強(qiáng)度、潰散性是不一樣的。為了減少鑄件收縮時(shí)的阻力，選擇合適的覆膜砂，提高覆膜砂的潰散性，減少鑄件的收縮阻力。

(2)改變鑄件結(jié)構(gòu)，使線性更流暢，薄、厚交叉處增大鑄造圓角，減少拉應(yīng)力。

(3)控制鑄件順序凝固、熱節(jié)部位用激冷砂及冷鐵的都可以有效地防止熱裂紋的產(chǎn)生。

(4)鑄件清理時(shí)，在外觀上發(fā)現(xiàn)的輕微裂紋相當(dāng)一部分是冷裂紋。鑄件澆注后沒(méi)有及時(shí)在短時(shí)間內(nèi)開(kāi)箱，鑄件在脆性轉(zhuǎn)變區(qū)間停留時(shí)間越長(zhǎng)，晶粒越粗大，脆性越大，強(qiáng)度降低越嚴(yán)重。因此，控制好扒箱時(shí)間也是一個(gè)關(guān)鍵工序。

(5)冶金質(zhì)量對(duì)鑄造裂紋有直接影響，爐料不純凈、高溫停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)及鐵液氧化嚴(yán)重等都會(huì)使材料的力學(xué)性能降低，加劇裂紋產(chǎn)生。

(6)鑄造工藝設(shè)計(jì)不合理，夾渣、縮松及氣孔等都會(huì)造成凝固過(guò)程的應(yīng)力集中，形成裂紋源。

3鑄件的固溶強(qiáng)化

冷裂紋的產(chǎn)生與扒箱時(shí)間有密切的關(guān)系，扒箱時(shí)間越早越好，扒箱時(shí)間早實(shí)際是對(duì)鑄件的一種固溶強(qiáng)化處理。Y型試塊，一組隨型冷卻到室溫后扒箱，一組凝固后高溫下扒箱后空冷或水冷，其力學(xué)性能不一樣，前者力學(xué)性能低，后者力學(xué)性能高。快速通過(guò)脆性轉(zhuǎn)變溫度可有效地防止冷裂紋的產(chǎn)生。對(duì)于1 000℃以上的工況條件，固溶強(qiáng)化看起來(lái)沒(méi)有直接作用，但是可以提前預(yù)防冷裂紋的產(chǎn)生。在耐熱鋼排氣歧管標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定鑄態(tài)供貨，是基于控制扒箱時(shí)間對(duì)鑄件的固溶強(qiáng)化處理，減少了熱處理工序。不同的開(kāi)箱時(shí)間、冷卻方法對(duì)ZG40Cr25Ni20Si2力學(xué)性能的影響見(jiàn)表3。

4臺(tái)架試驗(yàn)裂紋

排氣歧管在冷熱交變的高、低溫下反復(fù)進(jìn)行熱沖擊試驗(yàn)300h，在許多情況下，試驗(yàn)還沒(méi)有結(jié)束，排氣歧管已面目皆非。試驗(yàn)參數(shù)選擇的合適與否，與排氣歧管的耐高溫性能有很大的關(guān)系。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置是否合理，不是本文研究的課題。前面講到鑄造裂紋是開(kāi)裂的宏觀原因，驗(yàn)收時(shí)發(fā)現(xiàn)不了的微觀裂紋會(huì)導(dǎo)致臺(tái)架試驗(yàn)中斷。碳化物形態(tài)和晶間缺陷也是導(dǎo)致臺(tái)架失效的原因之一。試驗(yàn)開(kāi)裂件如圖3所示，熱沖擊試驗(yàn)工藝參數(shù)如圖4所示，裂紋處金相圖片如圖5所示。從圖5可以看到，斷裂處有夾雜物。

5熱疲勞斷裂分析

熱疲勞斷裂是奧氏體不銹鋼鑄件的主要失效形式和縮短其使用壽命的主要因素，高溫?zé)崞�勞性能是評(píng)定耐熱不銹鋼高溫性能的重要指標(biāo)。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，Cr-Ni奧氏體耐熱鑄鋼試樣經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的熱循環(huán)，在設(shè)定的上限溫度都會(huì)產(chǎn)生裂紋。在上、下限溫度范圍內(nèi)進(jìn)行反復(fù)的熱循環(huán)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)排氣歧管鑄件不出現(xiàn)裂紋或在允許的位置出現(xiàn)輕微的裂紋都算試驗(yàn)通過(guò)。除了鑄造裂紋對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)有影響外，碳化物分布和晶間夾雜物對(duì)裂紋的產(chǎn)生也有重要的影響。

5.1碳化物分布

試樣中的大塊連續(xù)碳化物會(huì)造成應(yīng)力集中，一般認(rèn)為，在碳化物處產(chǎn)生應(yīng)力集中的原因是基體與碳化物在冷、熱交變時(shí)，由于碳化物與基體的膨脹系數(shù)不同，所以當(dāng)鋼由高溫冷卻至室溫時(shí)，就會(huì)在碳化物周?chē)�產(chǎn)生附加應(yīng)力，因而促使碳化物與基體脫開(kāi)，形成顯微裂紋�？梢詳喽ňчg碳化物與奧氏體基體的界面是熱疲勞裂紋形核的有利部位。同時(shí)，一個(gè)可以進(jìn)一步長(zhǎng)大的微觀裂紋核往往出現(xiàn)在界面碳化物鏈處，表明熱疲勞裂紋與碳化物的大小、分布有密切關(guān)系，那些尺寸較大且沿晶界呈連續(xù)鏈狀分布的碳化物不易變形且阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，位錯(cuò)在晶界處塞積，從而導(dǎo)致微裂紋沿晶界萌生并擴(kuò)展。奧氏體枝晶間的碳化物形態(tài)及分布是影響奧氏體耐熱鋼熱疲勞抗性的關(guān)鍵因素。碳化物分布越均勻細(xì)小，越有利于提高鋼的熱疲勞抗性。高溫下的快速冷卻恰恰使碳化物析不出來(lái)而固溶在奧氏體基體中，既提高了力學(xué)性能，又使碳化物呈細(xì)小彌散的顆粒分布，減少了碳化物與基體的膨脹系數(shù)不同所產(chǎn)生的附加應(yīng)力，提高了耐熱鋼的疲勞應(yīng)力，降低了斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

5.2晶間夾雜物

不銹鋼中夾雜物主要指鋼中非金屬夾雜物，一般認(rèn)為鋼中非金屬夾雜物常以下列形式存在：FeO、Fe2O3、MnO、Al2O3、SiO2及MgO等氧化物；MnS、FeS等硫化物；FeSiO4、MnSiO4及FeO·Al2O3·SiO2等硅酸鹽；AlN、Si3N4等氮化物。

鋼中的非金屬夾雜物來(lái)源于兩個(gè)方面：一是隨冶煉過(guò)程產(chǎn)生，即在出鋼時(shí)加入鐵合金的脫氧產(chǎn)物和澆注過(guò)程中鋼液和空氣的二次氧化產(chǎn)物，稱(chēng)內(nèi)生夾雜物，此類(lèi)夾雜物一般顆粒細(xì)小，在鋼中分布均勻；二是因種種原因從外界帶入的，稱(chēng)為外來(lái)夾雜物，此類(lèi)夾雜物外形多不規(guī)則、尺寸較大且分布不均勻，是產(chǎn)生裂紋的主要原因，對(duì)鋼的危害性較大；無(wú)論是內(nèi)生夾雜物還是外來(lái)夾雜物，在鋼中的影響和對(duì)鋼性能的破壞的結(jié)果是一樣的。

6臺(tái)架試驗(yàn)裂紋件分析

在斷口附近用線切割的方式取樣，腐蝕后在掃描電鏡下觀察基體形態(tài)，發(fā)現(xiàn)晶界上有大量連續(xù)分布的夾雜物，晶界上的夾雜物相當(dāng)于很多個(gè)微裂紋，割裂了基體，破壞了鑄件基體組織的連續(xù)性和均勻性，降低了鑄件性能。通過(guò)做能譜分析，確定晶間夾雜物的物質(zhì)。

通過(guò)能譜分析，檢測(cè)夾雜物主要為MnS和Al2O3非金屬夾雜物，均屬于內(nèi)生夾雜物。在非金屬夾雜物中，使鑄鋼件產(chǎn)生裂紋的主要原因是MnS和Al2O3夾雜，這些夾雜物常常和其他元素共同作用，增大鑄鋼件裂紋的傾向，而硫化物夾雜與鋼的脫氧程度以及鋼中殘留鋁量有關(guān)。

7解決措施

雖然非金屬夾雜物在鋼中總量很少，但對(duì)鋼的影響卻很大。因鋼的冶煉、澆注、凝固和結(jié)晶是一個(gè)復(fù)雜的物理-化學(xué)過(guò)程，由于復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，鋼液中的金屬元素如Fe、Mn、Al、Cr、Ti等與S、P、O、N等物質(zhì)結(jié)合后生成化合物，就從本質(zhì)上失去了金屬的性質(zhì)[7]。這些化合物總是與基體相對(duì)獨(dú)立存在，在結(jié)構(gòu)上與鋼的基體無(wú)任何聯(lián)系，鑲嵌在鋼中分割了金屬元素之間的緊密聯(lián)系狀態(tài)，破壞了基體的致密性，形成非金屬夾雜物[4]。要想獲得高品質(zhì)的鑄件，必須采取措施減少鋼中的夾雜物含量和鋁含量，并在冷卻過(guò)程中通過(guò)快速冷卻的方式，使夾雜物來(lái)不及析出固溶在奧氏體晶粒中，提高鑄件的性能；因?yàn)樵诓讳P鋼的凝固過(guò)程中由于非平衡凝固而在最后結(jié)晶的晶界處形成部分富鉻的晶界碳化物，這些富鉻晶界碳化物的形成不僅顯著降低了鋼的力學(xué)性能還會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)重的晶間腐蝕。

為了更好地去除鋼中的夾雜物采取以下改進(jìn)措施：

(1)熔煉時(shí)選擇低硫原材料，廢鋼及回爐料在使用前拋丸處理，防止產(chǎn)生外來(lái)夾雜物。其他合金在合金烘干爐中預(yù)熱，縮短熔煉時(shí)間。

(2)快速熔煉，并在爐底通入氬氣保護(hù)鋼液，防止鋼液在熔煉過(guò)程中的氧化。

(3)采用復(fù)合脫氧劑替代單一脫氧劑。

(4)為了有利于夾雜上浮排除，除了保證足夠的鋼液溫度外，出鋼后鋼液在鋼包內(nèi)要適當(dāng)靜置。

嚴(yán)格按照改進(jìn)措施生產(chǎn)，鑄件的晶界上基本沒(méi)有夾雜物，常溫性能也得到了提升，提交的樣件順利通過(guò)熱沖擊試驗(yàn)，目前已批產(chǎn)且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，改進(jìn)后的鑄件基體組織如圖8所示。

8結(jié)論

(1)用于生產(chǎn)Cr-Ni奧氏體鑄鋼的覆膜砂強(qiáng)度不能過(guò)高，潰散性要好。

(2)奧氏體枝晶間的碳化物形態(tài)及分布是影響奧氏體耐熱鋼熱疲勞抗性的關(guān)鍵因素。碳化物分布越均勻細(xì)小，越有利于提高鋼的抗熱疲勞性能。

(3)鋼液中的夾雜物是鑄鋼件產(chǎn)生裂紋的主要原因之一。為減少鋼液中的非金屬夾雜物及防止鑄鋼件裂紋，切實(shí)做好原材料準(zhǔn)備、冶煉工藝、脫氧操作及鋼包靜置等工作。

(4)采用復(fù)合脫氧劑替代單一脫氧劑，是減少鋼液中非金屬夾雜物，減少鑄鋼件裂紋的有效方法。

(5)冷卻方式不同，鑄件常溫性能不同，冷卻速度快的性能優(yōu)于冷卻速度慢的性能。