减少支承辊钢锭锻造裂纹的措施

赵凯兵

(中国第一重型机械集团股份公司铸锻钢事业部技术质量部，黑龙江161042)

生产技术

减少支承辊钢锭锻造裂纹的措施

赵凯兵

(中国第一重型机械集团股份公司铸锻钢事业部技术质量部，黑龙江161042)

针对支承辊钢锭出现的严重锻造裂纹问题，从成分、冶炼、铸锭、脱模、热送、加热和锻造方面分析影响钢锭表面质量的因素和造成锻造裂纹的原因，并提出了减少钢锭锻造裂纹的措施。

支承辊钢锭;锻造裂纹;应力

支承辊钢锭在锻造过程中，锭身表面出现肉眼可见的裂纹一直是困扰技术人员的难题。裂纹缺陷轻者可采用吹氧或火焰烧剥清除的方式进行挽救，重者则直接报废，经济损失十分严重。本文从理论角度对导致支承辊钢锭表面裂纹的因素进行初步分析，寻找有效的控制方法。

1 裂纹概况

支承辊钢锭经常在镦粗时出现顺裂，KD时出现横裂，甚至在压钳口时就已经出现裂纹。因大钢锭现已取消倒棱工序，镦粗前锭身仍未锻压，为确定裂纹究竟是钢锭本身原因还是锻造或加热造成的，我们从钢锭脱模、热送，到锻造整个过程，对钢锭的表面质量进行了仔细检查。发现个别钢锭在脱模后表面有细横裂或顺裂，部分入加热炉前无表面裂纹的钢锭，在压钳口时锭身表面会发现细顺纹或细横纹。可以确定钢锭锻造过程中出现的裂纹，部分是钢锭本身存在的，只是未发现而已。由于不倒棱，压钳口火次存在的裂纹绝大多数藏匿在氧化铁皮下方，同时部分顺裂较细、较短，确认难度较大。

可以肯定裂纹的形态及出现时机不同，形成原因一定不同。下面逐一从成分、冶炼、铸锭、脱模、热送、加热和锻造来分析影响钢锭表面质量的因素和造成锻造裂纹的原因，并提出减少钢锭锻造裂纹的措施。

2 制造过程分析

2.1 化学成分

在大批量生产的工况下，裂纹集中在YB-65、YB-70、YB-75这三种材质的支承辊钢锭上。YB-75出现裂纹的比例最高，YB-65次之。YB-70和YB-75是Cr5材质，YB-65是Cr4材质，YB-65和YB-75含碳量为0.45%～0.55%，YB-70的含碳量为0.48%～0.58%。这三种材质可以看成是在中碳钢基础上添加合金元素而成。碳含量处于0.4%～0.6%之间的中碳钢材料铸态组织的热裂抗力比较低［1］，同样碳含量居于这一区间的42CrMo、45等材质的中碳钢钢锭也会在锻造中出现严重裂纹，只是生产批量少而没引起关注而已。实际成分统计中发现YB-70的碳含量要高于YB-65和YB-75，YB-65的含Mn量比YB-75高。这说明C、Mn元素影响这三种支承辊材质的热裂抗力，对钢锭裂纹形成有一定影响。因此，在成分规格范围不变的前提下，运用计算材料学的方法，设计并调整合金成分，有利于降低支承辊钢锭的裂纹倾向。另外，Cu、Pb、Sn、As等元素及其化合物在晶界富集，降低了晶界强度，这也是诱发裂纹的原因之一，应严格控制由原料和废钢带入的上述元素含量。

2.2 冶炼与铸锭

2.2.1 冶炼

钢中氢、氧、氮、磷、硫和非金属夹杂物含量高，将不同程度地降低钢的强度和塑性。因此，矿石、萤石及铁合金必须烘烤良好，硅铁粉、铝粉、硅钙粉、电极粉、碳粉进行烘干，遇雨季时更要严格要求。尤其石灰必须烧透，运输及存放中应注意防潮，保证使用时出窑时间不大于24 h。加强氧化操作，脱碳保证不小于40%，确保脱碳强度，形成一种良好的熔池，有利于夹杂上浮及排除。另外，加铝量要严加控制，氮含量尽量降低，过多的铝会导致AlN析出面在锻造时开裂［3］。

2.2.2 铸锭

(1)浇注温度

通过数据统计发现，当注速一定时，浇注温度过高，钢锭容易产生裂纹。这是由于在钢锭模冷却能力不变的前提下，浇注温度的提高使铸锭的激冷层变薄，在熔体静压力作用下存在拉裂、钢液中的夹杂物逸出等问题。同时浇注温度过高，钢锭易焊在钢锭模上，使脱模困难，钢锭易产生裂纹。其次，浇注温度高时，凝固前沿上的温度梯度大，因而固液两相区窄，两相区内一次枝晶短，一次枝晶的间距也小，所以钢锭外壳整体向内收缩而产生的侧表面的线收缩大。若纵向收缩受到阻碍易产生横裂，横向收缩受到阻碍时易产生顺裂的倾向也越大［2］。另外，浇注温度太高会使耐火材料严重冲蚀，钢中夹杂物增多。

(2)浇注速度

镇静钢一般对表面裂纹相当敏感，所以应适当缓慢地浇注，但应保证非金属夹杂物的上浮。注速应当根据注温来调节，浇注温度高时采用慢注，相反浇注温度低时应快速浇注。这是由于慢速浇注相当于降低了钢液温度，快速浇注相当于提高了模内钢液的温度。为将注速控制在规定范围内，要防止水口扩径。对裂纹敏感的支承辊材质钢锭要均匀慢速浇注，以加厚钢锭激冷层，减弱钢锭对流循环，使钢液静压力增加缓慢，防止产生热裂纹。

(3)浇注系统

整个浇注系统要保证清洁，同时加强烘烤，避免钢液卷入耐火材料等非金属夹杂物。当钢锭表面及皮下一旦有集中的非金属夹杂物，对钢锭形成裂纹的威胁最大。

整个铸锭可采取以下措施:

1)用抗渣性能良好的耐火材料砌筑钢包。

2)钢锭模下到真空室后，确保中心位置对正，避免钢锭偏心浇注导致局部激冷层薄。

3)严格控制注温注速，真正做到高温慢注、低温快注，保持钢液平稳上升。

4)在夏季，钢锭模在浇注前的温度不能过高，同时尽量避免钢锭模温度不均匀导致钢锭激冷层厚度差别过大。

5)保温帽与钢锭模间垫好石棉绳，以防钢水渗入缝隙后造成悬挂，纵向收缩受阻，钢锭锭身冒口端在锭重的拉力作用下而将激冷层薄弱处拉裂产生横裂。

6)注意钢锭模底面修磨，避免钢锭水口烧氧，以免由于锭模与底盘接合不紧密，钢水渗入形成飞边阻碍钢锭纵向冷凝收缩而产生锭身水口端横裂。

7)加强锭模内壁修磨，若过于粗糙，有严重的裂缝、凹坑，会阻碍钢锭收缩而产生裂纹。

2.3 钢锭冷却与脱模

钢锭冷却时，内外层并不同时凝固。当外层凝固成壳时，内部未凝钢液对外层钢壳有静压力，力图把这层壳拉破。同时在钢锭凝固的过程中由于表层的温度下降比内部快，致使内外层存在较大的温度差异，这种差异导致钢锭内外层体积收缩不一致，表层先收缩的部分必受到内层尚未收缩部分的阻碍而产生热应力。另外，钢冷却到650℃时有组织转变，伴随着体积的突然膨胀，由于内外温差的存在，这种体积膨胀必然不会同时发生。例如，表层组织已转变完，体积按正常冷却过程收缩，而内部正发生组织转变，体积发生膨胀，膨胀的内层必然给表面层一个明显的拉应力。当这三者应力之和超过晶界强度，会导致钢锭产生裂纹，裂纹常出现在钢锭皮下，锻造时就会扩展成表面裂纹。因此，钢锭要避免过早脱模，通过缓冷消除钢锭冷却、温度下降时体积收缩造成的热应力和由组织转变引起的组织应力。可采取的措施有:

(1)要规定合理的脱模时间，使钢锭在相变后脱模。

(2)避免脱模后受到雨淋或受潮。

2.4 钢锭热送与加热

实际生产中热送大钢锭到装炉，钢锭表面温度(距冒口端锭身三分之一处)很难大于650℃，基本可以认定钢锭表层，尤其是钢锭水口端已发生组织转变，在加热时表面裂纹将局限在奥氏体晶界深度，不会沿夹杂富集的晶界深入内部。而表面温度大于550℃的钢锭可以直接入高温炉加热。加热前期，炉内辐射和对流传热特别强，钢锭表面的升温较快，到后期随着钢锭表面温度的升高，辐射和对流传热量减小，钢锭表面温度升高速度将减缓。由于热送钢锭水口端比冒口端低100～150℃，同时水口端直径小，使水口端升温速度最快，所承受温差引起的热应力最大。钢锭加热到750℃左右时将发生相变造成组织应力，同时钢锭在550～750℃时的塑性低，若加热速度过大时，巨大的的热应力和组织应力会叠加在一起，导致钢锭表面产生顺裂。钢锭加热到750～1 200℃时，金属塑性急剧增加，组织应力和热应力消失。可采取的措施有:

(1)热送钢锭及时装炉，避免拖延。

(2)钢锭表面升温到750℃时的速率尽量缓慢，避免应力过大。

(3)热送钢锭在相变后加热，通过改善重结晶柱状晶，使夹杂物和显微缩孔的危害降低。

(4)镦粗火次加热温度提高到1 270℃，使析出相充分固溶，改善微观偏析，组织均匀化，提高钢锭的铸态组织塑性。但要控制最高加热温度(炉温)不能超过1 270℃，以免过烧，同时避免在高温过长时间停留。

2.5 锻造

对材质易出现裂纹的支承辊钢锭，应在压钳口火次恢复倒棱。通过小变形量表面变形，焊合钢锭表层可能存在的皮下微裂纹等缺陷，同时将表层金属由铸态变成锻态，高温塑性明显提高，使钢锭镦粗时表面不致产生裂纹。倒棱同时能去除锭身氧化铁皮，尽早发现藏匿在氧化铁皮下的裂纹。如表面有长度大于100 mm的顺裂时，必须逐一吹氧清除，以免镦粗过程中裂纹扩大、变深。

镦粗过程中，裂纹常出现在钢锭棱之间的凹面。裂纹延伸方向呈笔直或约45°斜裂，或二者结合。这是由于钢锭浇注后，钢锭的棱部散热条件好，冷却快，激冷层较棱之间的凹面厚，起着“加强筋”的作用。部分钢锭镦粗在鼓形还未明显出现时，裂纹已经出现，裂纹以锭身水口端居多，锭身中部(鼓形的最大直径)次之，锭身冒口端极少出现裂纹。

由于镦粗时，钢锭水口端端面与镦粗盖板(或砧板)间摩擦的影响及钢锭截面半径不同，镦粗时钢锭不均匀变形，钢锭轴向产生很大的压应力。在钢锭侧表面周边变形区由于不均匀变形，出现环向(切向)拉应力，应力作用与结晶方向垂直，并且越靠近表面越大，同时径向压应力减弱，并且越靠近表面越小。镦粗变形是在金属的等强温度以上进行的，晶界变形较大，同时由于钢锭的柱状晶粒发达，晶界上往往聚集了大量的冶金缺陷、非金属夹杂和显微缩孔，分离了柱状晶界，大大降低了晶粒间结合能力，宏观表现就是柱状晶区塑性较低。在拉应力足够大时，柱状晶晶界夹杂物就会造成晶间开裂，形成微裂纹，然后扩展，相连成大裂纹，裂口与表面垂直。如镦粗变形速度缓慢，裂纹只能在柱状区扩展，不能延伸至表面高塑性区。镦粗时，与轴线成45°角方向有最大的切应力，所以钢锭表层富含夹杂物的低塑性的区域易产生45°角方向的斜裂。另外，钢锭本身存在的应力裂纹也会在附加拉应力的作用下向外扩展到钢锭表面。随着压下量的增大，产生的鼓形也必然逐渐增大，从而导致侧表面的周向拉应力越来越大，鼓形最大截面外侧已有微小缺陷处的应力状态达到临界值，出现微观裂纹，续镦导致侧表面纵裂。可采取以下措施:

(1)由于镦粗的目的是为下一步拔长压实提高锻比，压实效果甚微。制定锻造工艺时，最好不采取镦粗变形，优先选择钢锭拔长锻比大于3的锭型，如制定一锭出两件的工艺。

(2)钢锭温度不均时返炉加热，因为各部分温度不均导致各部位的塑性不同，变形时的拉齐作用使局部发生撕裂。

(3)制定锻造工艺时，考虑镦粗的压下量应小于材料塑性允许的范围。

(4)钢锭加热到该材质所允许的最高温度，减小镦粗所需的压力。

(5)镦粗时，压下速度要尽量缓慢，不能用水压机最大能力镦粗。

(6)采用凹形镦粗盖板镦粗。在凹形镦粗盖板镦粗过程中，端面直径的增大几乎全由侧面金属的翻转而成，水口端外表面的附加拉应力较平面镦粗盖板镦粗小。

KD拔长时，侧表面出现横裂，可认为是送进量和压下量很大时，轴心部分变形大，侧表面沿轴向受拉应力作用较大，而变形区的前、后侧面由于未与砧面接触，摩擦阻力的影响很小，如此处恰是夹杂物相对富集的低塑性区，则易引起表面横裂。主要对策是适当控制压下量与压下速率，不能采用水压机最大能力拔长。KD时如果钢锭表面本身有良好的塑性，甚至局部有横裂，也可以通过局部塑性变形使裂口钝化、拔平。

由于裂纹尖端的尖角半径趋于零，尖端应力趋于无穷大，裂纹在随后的锻造变形过程中会迅速扩展。因此无论横裂还是纵裂，如果裂纹比较尖细，则要及时清除，以免续锻开裂发展，造成钢锭严重撕裂而报废。

3 结束语

支承辊钢锭的锻造裂纹，大多数情况下是受多种因素共同影响而导致的。裂纹产生的根本原因在于产生裂纹源处的应力超过了该处、该工况条件下钢的强度极限。因此，为了防止裂纹，必须加强管理，从钢的成分设计和控制开始，严格控制钢中的夹杂，严格控制浇注、钢锭冷却和加热过程，制定合理的锻造工艺。

［1］ 陆文华.铸造合金及其熔炼［M］.北京:机械工业出版社，2005.

［2］ 卢盛意.钢锭质量［M］.北京:冶金工业出版社，1989.

［3］ 贺道中.连续铸钢［M］.北京:冶金工业出版社，2007.

编辑 杜青泉

Measures to Reduce Forge Cracks of Backup Roll Ingot

Zhao Kaibing

This paper aims at severe forge rapture，factors affecting the ingot surface quality and causes of the forge crack，are analyzed in terms of chemical composition，smelting，cast ingot，ingot stripping，hotdelivery，heating，and forge，measures to reduce the ingot forge crack are put forward.

backup roll ingot，forging crack，stress

TG316.1+92

A

2013—05—02

赵凯兵(1987—)，助理工程师，从事锻造过程控制及民品锻件的质量处理工作。