特大型支承辊超声检测缺陷分析与改进

赵 欣 陈先毅 李 勇 罗 静 蔡 静 李 彬

(二重(德阳)重型装备有限公司铸锻公司，四川618000)

通过前期的研究工作，确定了特大型支承辊内部超声检测缺陷的性质：(1)特大型支承辊中的密集缺陷主要是组织和晶粒度不均匀，而组织和晶粒度的不均匀主要是成分偏析造成的。(2)特大型支承辊中的大当量缺陷中有一部分是裂纹，而硅酸盐夹杂物聚集在裂纹源处。在应力和夹杂物的共同作用下产生裂纹[1]。针对缺陷的特点，开展了以下几个方面的研究，寻求改善特大型支承辊超声检测缺陷的方法。

1 KD法锻造

KD锻造法是采用高温扩散加热、135°角上下V型宽砧、大压下量的锻造法。我公司采用KD法模拟，选用现有砧具为110°夹角、1300 mm上下V型宽砧，其砧宽比W/D=0.5～0.6。单次压下变形率约为20%，且钢锭需进行一次中间镦粗。

从模拟的结果[2]来看，KD法可提高锻坯表面质量，减少锻件内部缺陷和表面开裂情况，较好地控制心部应力状态及中心变形程度。与WHF法相比，锻件内部缺陷压实水平相当，但采用KD锻造法需要更大的压机能力。

为了进一步证实以上结论，我们在产品件上进行了工艺试验。在承制的一批支承辊中，分别采用KD法和WHF法两种锻造工艺生产，该合同共10件，支承辊材质为Cr5，采用75 t钢锭一锭两件，4件采用KD法，6件采用WHF法。通过对锻造过程的跟踪发现，采用KD法锻造的钢锭表面质量要好于WHF法锻造的钢锭，但是从检测结果看，两种锻造模式的超声检测结果水平相当，WHF法的检测结果还要略优于KD法的检测结果。

从模拟实验和工艺试验对比得出：KD法对改善特大型支承辊心部压实没有明显的优势，但是KD法可以提高锻坯表面质量，减少锻件内部缺陷和表面开裂。

2 高温扩散实验

2.1 高温扩散实验工艺

高温扩散实验所用材料是在特大型支承辊上套取的中心棒，材质为Cr3，热处理工艺为：锻后正火→球化→去氢。

将中心棒按照图1所示工艺曲线进行高温扩散，扩散完成后与在制支承辊随炉进行球化处理。其中试样A为短棒，高温保温2 h，试样B为长棒，高温保温50 h，高温扩散后试棒形态如图2所示。

2.2 实验结果

2.2.1 低倍实验结果

酸洗后在试样A上发现偏析，试样B上未发现偏析，如图3所示。从低倍实验结果可以看出，长时间高温扩散对改善成分偏析是有利的。

图1 高温扩散工艺曲线Figure 1 Process curve of high temperature diffusion

图2 高温扩散后试棒形态Figure 2 Shape of test coupon after high temperature diffusion

基于以上的高温保温实验可以得知，在高温下尽可能长时间保温，可以有效改善钢锭内部成分偏析，但是要通过增加非常可观的保温时间达到比较理想的成分均匀化，势必会增加更多的制造成本。

2.2.2 力学性能实验结果

高温扩散后力学性能结果见表1。从表1可以看出，试样A的强度略高于试样B，而其冲击功有明显的异常，高温扩散时间短的试样A冲击功波动性较大，高温扩散时间长的试样B冲击功波动性较小，比较稳定。

结合低倍实验结果，初步怀疑试样A冲击功异常是由于断口处于偏析区造成的。将试样A冲击试样在断口附近进行金相检测，如图4所示。冲击功为27J的试样组织不均匀，偏析严重，而冲击功为100 J的试样组织均匀，无明显偏析。说明试样A冲击功异常是由于断口处于偏析区造成的。

(a)试样A(b)试样B

图3 试样高温扩散后低倍结果Figure 3 Macroscopic result of sample after high temperature diffusion

(a)试样A的KU2为27J的金相组织(b)试样A的KU2为100J的金相组织

图4 试样A金相组织(50×)
Figure 4 Metallographic structure of sample A(50×)

从上述力学性能数据可以看出，高温扩散对于改善偏析，从而改善特大型支承辊的冲击韧性是有利的。

(a)试样A-1断裂源处(b)试样A-2裂纹扩展区-准解理(c)试样A-2断裂源处-韧窝(d)试样A-2裂纹扩展区-准解理(e)试样B断裂源处-韧窝(f)试样B裂纹扩展区-准解理

图5 试样冲击断口形貌Figure 5 The impact fracture morphology of sample

2.2.3 冲击试样断口扫描电镜结果

为进一步了解偏析对于特大型支承辊断口微观形貌的影响，分别对试样A-1、试样A-2和试样B冲击试样断口做SEM，断口微观形貌见表2和图5所示。

从上述结果可以看出，偏析对于特大型支承辊的断口微观形貌影响非常大，特别是在裂纹源处。无偏析的试样断口裂纹源处为韧窝断口，这种断口不易扩展，具有较高的冲击韧性。

3 结论

高温扩散对于改善特大型支承辊的偏析是有效的，由于偏析的存在，在锻造变形时会发生局部变形不协调而导致内部微裂纹的萌生，同时，在热处理过程中，偏析的大量存在也会对组织转变产生不良的影响，不能得到均匀化的目标组织。高温扩散对偏析的改善有效的减少了以上质量问题的发生。

近三年，通过对特大型支承辊超声检测缺陷的研究，我们不断地优化各工序的工艺，相对于初期的制造工艺，已经有了较大的变化，通过采用优化后的工艺模式，特大型支承辊的内部质量有了极大的提高，从超声检测结果来看，改进工艺后，支承辊内部单个缺陷最大当量显著降低，材质衰减均匀性得到了明显改善。

[1] 赵欣，门正兴，甘红胜，等. 特大型支承辊UT缺陷分析与工艺优化[J]. 大型铸锻件，2015(2)：17-19.

[2] 甘红胜，赵欣，李勇. 高Cr支承辊KD法锻造工艺模拟研究[J]. 大型铸锻件，2016(2)：16-19.

[3] 钟群鹏，赵子华. 断口学[M]. 高等教育出版社，2005：166.

[4] 甘红胜，赵欣，李勇. Cr5锻钢支承辊不同压下量数值模拟与分析[J]. 大型铸锻件，2015(3)：7-10.