30CrMoA抽油桿用圓鋼熱頂鍛裂紋原因分析

孫學剛 蘇 磊 張懷忠

（新疆八一鋼鐵股份有限公司 第一煉鋼廠，新疆 烏魯木齊830022）

0 前言

抽油桿是有桿抽油井的必備構件。目前我國抽油桿制造廠家多以20CrMoA、25CrMoA、30CrMoA、35CrMoA 等鋼種采用調(diào)質(zhì)熱處理工藝進行抽油桿用材生產(chǎn)。用戶在制造過程中對抽油桿用圓鋼的質(zhì)量有嚴格的要求，其中抽油桿用圓鋼的熱頂鍛合格率是抽油桿用圓鋼實物檢驗的一個重要指標。如果熱頂鍛試驗不合格，就無法作為壓力加工用鋼使用，直接判為廢品。2013 年，八鋼150t 轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的30CrMoA 抽油桿用圓鋼在熱頂鍛試驗過程中出現(xiàn)的裂紋批次比較多，嚴重的影響了該鋼種在軋鋼的正常生產(chǎn)及軋材成品的交貨期。本文分析了八鋼150t轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的30CrMoA 抽油桿用圓鋼熱頂鍛裂紋產(chǎn)生的原因，并提出了工藝改進措施。

1 熱頂鍛裂紋產(chǎn)生的機理及原因分析

金屬材料的熱頂鍛開裂，通常是材料宏觀缺陷的暴露、擴展或者先形成微裂紋，再擴展成宏觀裂紋。裂紋的產(chǎn)生與變形金屬的組織結構、受力情況、變形溫度和變形速度有關。應力狀態(tài)、變形溫度和變形速度是裂紋產(chǎn)生和擴展的外部條件，金屬的組織結構是裂紋產(chǎn)生和擴展的內(nèi)部依據(jù)，是根本原因。鑄坯質(zhì)量是影響圓鋼組織結構的關鍵因素，因此，對圓鋼熱頂鍛性能影響較大。鑄坯的表面缺陷，如果在軋鋼過程中不能消除，就會遺留在鋼材上或熱頂鍛試樣上，影響圓鋼的熱頂鍛質(zhì)量，最后導致熱頂鍛裂紋的產(chǎn)生。一般來說，鑄坯缺陷越嚴重，其產(chǎn)生裂紋的傾向性越大。

生產(chǎn)實踐表明：鋼材表面缺陷是導致熱頂鍛裂紋最直接的原因，鋼材表面的輕微縫隙也會導致熱頂鍛后嚴重的裂紋。但在軋制過程中由于折疊、表面劃傷等軋制缺陷相對比較直觀、成因簡單，在生產(chǎn)過程中，質(zhì)量控制、檢查判定比較容易。而由鑄坯上帶來的各種表面和皮下缺陷，由于缺陷隱蔽、成因復雜，因此，一直是生產(chǎn)和檢驗中的難題。

2 30CrMoA 熱頂鍛裂紋試樣檢驗

2.1 宏觀檢驗

30CrMoA 熱頂鍛裂紋宏觀形態(tài)見圖1。由圖中所示，試樣裂紋比較輕微，裂紋沿試樣的縱向分布。裂紋較淺，試驗的上部裂紋較深并貫穿至試樣的上表面，裂紋深度約0.3mm，長度約20mm。

圖1 裂紋宏觀形態(tài)

2.2 試樣裂紋處金相分析

缺陷處形貌（見圖2），缺陷深度：338.9μm，缺陷處脫碳（見圖2），裂紋處有氧化物，裂紋位于表面脫碳層內(nèi)，脫碳層厚度（含過度層）為400～600μm。

圖2 裂紋處顯微組織

2.3 試樣裂紋處電鏡分析

試樣裂紋處夾雜物電鏡能譜圖見圖3，分析數(shù)據(jù)見表1?？梢园l(fā)現(xiàn)其中有Na、K 元素，由于Na 與K 化學性質(zhì)過于活潑，在煉鋼的溫度條件下，該兩種元素不會存在鋼液中。但在連鑄結晶器保護渣中含有這兩種元素。

圖3 裂紋處夾雜物電鏡能譜分析

表1 裂紋處夾雜物能譜分析數(shù)據(jù)

3 分析討論

根據(jù)裂紋宏觀形貌顯示，裂紋分布無規(guī)律，成單一分布，長度一般在20mm 以上，深度在0.5mm 以下，開裂的寬度與深度比較均勻，裂紋一般與試樣表面呈一定的傾角，形態(tài)如圖1 所示。裂紋一般處于脫碳層內(nèi)，端部呈圓弧狀，內(nèi)表面比較光滑，有脫碳現(xiàn)象，形態(tài)如圖2 所示。裂紋處通過電鏡能譜分析，發(fā)現(xiàn)有Na、K 元素（如圖3 所示），在煉鋼過程中只有連鑄結晶器保護渣中含有Na、K 元素，表明在鑄坯的表面或皮下存在保護渣卷入現(xiàn)象，鋼坯表面存在的缺陷在軋制過程中未能消除，被遺留至軋制成圓鋼的表面，從而導致30CrMoA 在熱頂鍛時發(fā)生裂紋。通過分析發(fā)生熱頂鍛裂紋批次的30CrMoA 連鑄澆注記錄，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生熱頂鍛裂紋的批次存在連鑄澆注過程中連鑄中間包水口發(fā)生結瘤現(xiàn)象，導致澆注速度從1.4m/min 至2.2m/min 之間來回波動，造成結晶器內(nèi)鋼水液面也發(fā)生較大幅度的變化，從而導致了鑄坯表面發(fā)生了卷渣現(xiàn)象。造成了30CrMoA 鑄坯表面出現(xiàn)了原始的缺陷。

4 改進措施

根據(jù)以上分析提出了以下工藝改進措施：

1）優(yōu)化轉(zhuǎn)爐的脫氧工藝，減少脫氧產(chǎn)物的生成；

2）LF 精煉過程將鋼水中的[Als]控制在0.005～0.008%的范圍內(nèi)；

3）連鑄在澆注過程中加強保護澆注，防止中間包水口發(fā)生結瘤現(xiàn)象，實現(xiàn)連鑄恒溫、恒澆注速度的工藝要求，確保結晶器液面波動范圍在±3mm 以內(nèi)。

5 結論

本文對八鋼150t 轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的30CrMoA 抽油桿用圓鋼熱頂鍛裂紋的原因進行了分析，得出如下結論：

1）導致30CrMoA 抽油桿用圓鋼熱頂鍛裂紋的主要因素是連鑄坯表面存在卷渣的質(zhì)量缺陷。

2）通過實現(xiàn)連鑄恒溫、恒澆注速度的工藝制度，能夠杜絕連鑄坯卷渣的質(zhì)量缺陷，從而有效降低30CrMoA 抽油桿用圓鋼熱頂鍛的不合格率。

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