大型环件表面孔洞类缺陷性质及原因分析

王旭东 潘嘉玉 王建国 李明泽 夏春龙

(太原重工轨道交通设备有限公司，山西030000)

关键字：大型环件；孔洞；低温锻造；锻造工艺；环件轧制

1 试验分析

1.1 现场宏观分析

环件露天放置，表面均已锈蚀。在圆周面上长达约50 cm的一段上密集分布着大量孔洞，孔洞从2 mm～15 mm大小不等，形状不规则，主要集中在圆周面的中间部分，如图1所示。

图1 大型环件实物Figure 1 Large ring

1.2 低倍试验分析

对环件进行解剖，分别取断口径向截面试片和周向截面试片，进行试验分析。缺陷处解剖后发现大量密集分布孔洞，经热酸浸后，发现孔洞主要集中在中间部分约70 mm范围的区间带内，孔洞基本连成一片，如图2所示。

图2 低倍形貌Figure 2 Macroscopic morphology

1.3 断口

人工开断口，基体为结晶状断口，孔洞缺陷处为黑色、红色锈蚀产物附着。孔洞处纹理呈几何形状，断面有摩擦痕迹，见图3所示。

(a)人工断口(b)锈蚀及摩擦痕迹(c)锈蚀及摩擦痕迹(d)孔洞处几何形状

结晶状属正常断口，无过热过烧特征。孔洞处摩擦痕迹属锻造内裂特征之一。

1.4 化学成分分析

化学成分分析结果见表1。

表1 化学成分分析结果(质量分数，%)Table 1 Results of chemical composition analysis (mass fraction,%)

化学成分分析结果表明材质符合C级钢要求。

1.5 微观组织分析

抛光状态下观察，钢中有非金属夹杂物，按GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定》评级，结果见表2。

表2 非金属夹杂物检测结果Table 2 Test results of non-metallic inclusion

钢中非金属夹杂物检测结果符合要求。

经4%硝酸酒精溶液浸蚀后，显微镜观察显示，显微组织为珠光体+沿晶细小铁素体，晶粒度为0级。

1.6 裂纹显微观察

对孔洞缺陷处观察，发现孔洞几何形态特征明显，几何尖角处多有裂纹继续扩展。内壁处未发现夹杂物特征，无内氧化质点特征。试样经4%硝酸酒精溶液浸蚀后，孔洞内壁不脱碳，可清晰观察到孔洞的穿晶扩展形态。具有裂纹形态的区域，可以观察到同一晶粒被撕开特征，较细裂纹可观察到裂纹穿破珠光体片层形态，如图4所示。

(a)孔洞(b)裂纹(c)内部小裂纹(d)撕裂形态(e)穿晶开裂(f)孔洞内壁

试验结果表明，组织属锻后组织，晶粒偏粗大。孔洞内壁穿晶特征说明开裂的时间段系相变温度点以下，即碾环温度低于Ar1以下形成的。

1.7 扫描电镜断口分析

在扫描电镜下观察，发现基体呈典型河流花样解理断口。孔洞缺陷处边缘呈几何状的穿晶特征，其上面有摩擦痕迹。孔的底部明显观察到有一定位移变形的棱角状开裂花样。此外，在极个别孔洞区域发现圆润晶面特征，如图5所示。

(a)孔洞(b)孔洞边缘几何形貌(c)几何面摩擦痕迹(d)孔洞底部棱角状开裂(e)摩擦面及小孔洞特征(f)自由表面特征

试验结果表明，孔洞区域大部分开裂属应力脆性开裂。极个别孔洞圆润特征系原材料疏松类缺陷或早期锻造时开裂的内裂纹表面。

2 讨论

(1)原材料化学成分符合C级钢要求，未发现夹杂类宏观缺陷。

(2)环件锻造采用∅495 mm圆钢锻造，选料偏细，高径比偏大，在镦粗过程中易出现鼓形，需反复校直，锻造过程压下率控制不好时容易导致心部因剪应力出现锻造内裂纹。

(3)环件碾环后晶粒偏大，出现此种情况通常是碾环加热时存在加热温度偏高或保温时间偏长现象，但宏观断口正常区域为结晶状断口，微观组织亦未发现熔坑，开裂为穿晶，均说明环件未出现明显过热过烧现象。

(4)环件孔洞缺陷处有几何开裂特征、珠光体片层撕裂特征，均说明宏观大量孔洞缺陷形成时间位于碾环过程中碾环温度低于Ar1以下，即相变过程结束后继续低温冷锻形成的。形成低温冷锻可能的原因有环件碾制时受到异常喷水等造成局部冷却或存在二次碾制心部未热透等现象。

(5)变形速度对于低塑性材料有很大的影响[1]，环件碾制时金属流动规律类似拔长工艺，边缘金属流动性好，心部较差。当碾环出现低温冷锻时，心部金属塑性变形能力差，尤其是碾环环件变形速度偏快时，更会加剧心部缺陷的产生，应结合原材料特点选用合适的锻造工艺，以防止锻造裂纹产生。

3 结论

大型环件表面孔洞类缺陷系环件内部大量孔洞缺陷外漏所致，环件内部缺陷系低温冷锻造成。