中间辊锻件缺陷性质及原因分析

2021-04-30赵学谦陈远博王明飞毛宽亮宋亚虎

大型铸锻件 2021年3期

赵学谦陈远博王明飞毛宽亮宋亚虎王博

(中信重工机械股份有限公司计量检测中心，河南471000)

中间辊锻件采用电渣钢锭锻造，材质为MC5B，采用25 t电渣钢锭锻造2件，其中冒口端的一件毛坯无损检测时发现辊身大圆0～500 mm范围存在大面积环带状缺陷，最大当量∅5 mm，分布中心∅400 mm，如图1所示。其余部位无损检测合格，水口端加工的毛坯无损检测未发现超标缺陷，无损检测结果合格。在缺陷严重的部位锯切∅770 mm×25 mm试片，将试片分割后进行缺陷性质分析。

1 理化分析

1.1 低倍试验

将试片进行热酸蚀，放置一定时间后观察，酸洗后的试片如图2所示。在低倍试片上发现存在轻微的点状偏析，级别为1.5级；在距表面约R/3和R/2处，发现两处裂纹，裂纹位于偏析上，表现为半网状，有一处裂纹锈蚀比较严重，如图3所示。除此之外，在低倍试片上未发现疏松、夹渣等其他类缺陷。

1.2 化学成分分析

在靠近缺陷的部位取样进行化学成分和气体含量的检测，检测结果见表1，从表1中的数据可以看出，试片上合金元素Ni、V的含量与规范值略有偏差，但是满足标准GB/T 222—2006中对化学成分偏差允许值的要求，所以化学成分检验结果合格。

图1 缺陷位置示意图Figure 1 Diagram of defect location

图2 低倍试片形貌Figure 2 Morphology of macroscopic samples

图3 缺陷显微组织Figure 3 Microstructure of defects

表1 化学成分检测结果(质量分数，%)Table 1 Chemical composition test results(mass fraction,%)

图4 1#区域试片断口形貌Figure 4 Fracture morphology of specimen in 1# area图5 缺陷局部放大形貌Figure 5 Partial magnification morphology of defect

图6 断口形貌Figure 6 Fracture morphology

图7 夹杂物Figure 7 Inclusion图8 缺陷金相组织Figure 8 Metallographic structure of defect

1.3 宏观断口观察

取图2中1#区域所在试片，沿着缺陷背面开槽，压断口，断口形貌见图4，断口特征为结晶状，在断口左侧存在异常现象，经观察确认，该处即为低倍形貌上缺陷所在区域，从图5的局部区域放大形貌可以看出，该处的断口特征为石状断口形貌，该断口形貌的形成一般跟材料存在过热或过烧有关，在该位置取样进行电镜分析。

1.4 扫描电镜分析

将所取的断口试样在扫描电镜下进行观察，缺陷处断口特征为沿晶断裂，并发现沿晶断面上存在很多平行排列的条带特征，其他正常断口区域为准解理特征，如图6所示。

1.5 金相分析

在低倍试片上的2#缺陷区域处取金相试样，将所取试样磨制抛光后，在显微镜下观察，发现缺陷处有大量的夹杂物聚集，多为氮化物、硫化物等夹杂物，并且存在黑色或浅灰色的网状或半网状夹杂物，在高倍数显微镜下观察，该夹杂物沿晶界分布，分析认为此物质应该为该处轻微过烧后晶界氧化的产物，如图7所示。试样经4%硝酸酒精腐蚀后，观察其金相组织，如图8所示，从图中可以看出，裂纹附近碳化物偏析较正常区域严重，并有严重的沿晶分布的网状碳化物。裂纹缺陷位于点偏析的位置，裂纹大都沿碳化物网断续开裂，并且碳化物上有明显的氧化特征。

2 原因分析

通过以上理化分析可知，低倍试片上的缺陷性质为点状偏析区过烧；过烧主要与该区域的严重偏析有关，该钢锭为电渣重熔冶炼，杂质元素较少，比一般电炉冶炼钢锭的过热敏感度要高，过热倾向大；而偏析区域一般都是选分结晶最后的凝固区域，该区域一般都是C、S、P、Cr、Ni、Mo等元素的正偏析，由于S、P在晶界上偏聚，使晶界弱化，同时MnS夹杂的存在起到了预裂纹的作用。部分区域质点偏析严重是由于杂质、合金元素和碳的富集使得液相线降低，进而增加了钢的过热、过烧的敏感性。在锻造前加热及锻造过程中，在偏析区晶界处(特别是三角晶界)产生过烧，使晶界熔化，形成孔洞及裂纹。在随后的锻造过程中熔化处沿晶扩展，形成网络状裂纹。如果在锻造的过程中，加热温度稍有偏高，钢锭中偏析部位发生过热、过烧的概率就会增加，因此，容易在偏析区产生过烧现象。

点偏处过烧是电渣钢所特有的缺陷，这种缺陷尚未有彻底的方法解决，为了避免质点偏析区出现过烧，主要通过两方面来改进，一方面控制锻造加热温度，通过过烧试验，得到点偏处过烧的临界温度，将锻造加热温度控制在临界温度以下；另一方面，降低电渣重熔钢锭的质点偏析的严重程度，一般来说，生产优质的电渣锭应具备三个条件：1)液相的均质性；2)平静的熔池状态可减弱两相区对流热交换，抑制不希望的化学成分变化；3)平的结晶前沿，可减少偏析生成区。从工艺措施上来讲，可从以下几方面入手：1)合理选择电渣重熔熔速，熔化速率均衡稳定，保持熔池浅平；2)减少气体的产生，防止气孔的生成；3)增加渣量，改变电极熔化时的端部形状，增大熔滴与钢渣接触时间，同时可以减少电能冲击的影响；4)采用大充填比，减少电磁力，减弱电磁搅拌。在设备的选择上也需要加以注意，锻造时应选用炉温均匀性较好的炉台对辊坯进行加热，充分保证扩散效果；同时改变钢锭在加热炉中的摆放位置和装炉方式，以避免火焰直接喷射钢锭表面造成质点偏析区过烧。