大型回轉(zhuǎn)支撐環(huán)表面缺陷分析與改進措施

張玉亭

(中冶京誠(營口)裝備技術有限公司，遼寧115000)

用50Mn大圓連鑄坯鍛造制作回轉(zhuǎn)支撐環(huán)件時，工件滾道表面用淬火機加工后存在裂紋、鼓泡和剝落現(xiàn)象。針對這些問題，取樣進行檢測與分析。下面對分析情況進行說明，并且著重從煉鋼的角度出發(fā)，談談如何避免缺陷的產(chǎn)生。

1 金相檢驗結果

(1)試樣1和試樣2

試樣1、試樣2缺陷外觀如圖1、圖2所示。

分別取裂紋和鼓泡處試樣進行分析觀察。高倍觀察發(fā)現(xiàn)，試樣1開裂較平直，與U型槽滾道表面趨于平行，見圖3。試樣2沿鼓泡缺陷處下的次表層存在較平直裂紋，裂紋沿U型滾道次表面開裂，與試樣1裂紋形貌相似，見圖4。未腐蝕狀態(tài)下觀察兩塊試樣缺陷內(nèi)部及周圍均無夾雜物等冶金缺陷。

對試樣進行腐蝕后，試樣表面為淬火層，淬火層厚度不均。

腐蝕后觀察試樣發(fā)現(xiàn)，裂紋和鼓泡缺陷處下的次表面均沒有脫碳與氧化。

兩塊試樣表層組織均為淬火馬氏體組織，并存在殘余鐵素體。試料基體組織為珠光體和網(wǎng)狀鐵素體，網(wǎng)狀鐵素體圍成的原奧氏體晶粒異常粗大，實際晶粒最大為2級，晶粒不均勻。

圖1 剝落、裂紋宏觀形貌Figure 1 Macroscopic appearance of peeling and crack

圖2 鼓泡宏觀形貌Figure 2 Macroscopic appearance of bubble

在缺陷試料上切取斷口試料，并進行淬火處理。觀察斷口發(fā)現(xiàn)存在白點缺陷，白點區(qū)與基體有明顯的分界，斷口形貌明顯不同，見圖5。白點區(qū)與基體有明顯分界，白點區(qū)呈現(xiàn)流水波紋特征，見圖6。

圖3 裂紋缺陷形貌(50×)Figure 3 The appearance of crack (50×)

圖4 鼓泡高倍形貌(100×)Figure 4 Microscopic appearance of bubble (100×)

圖5 白點區(qū)與基體整體形貌(148×)Figure 5 The whole appearance of white spot zone and base(148×)

圖6 白點區(qū)與基體界擴展形貌(1000×)Figure 6 The extended appearance of white spot zone and base boundary(1000×)

檢驗分析認為，內(nèi)環(huán)U型滾道內(nèi)的裂紋和鼓泡缺陷為氫脆所致。

(2)試樣3

試樣3高倍形貌如圖7所示。

圖7 鼓泡宏觀形貌Figure 7 Macroscopic appearance of bubble

圖8 鼓泡下裂紋形貌(50×)Figure 8 The appearance of crack under bubble(50×)

圖9 裂紋夾雜物能譜分析Figure 9 Energy spectrum analysis for crack inclusions

高倍下觀察，鼓泡下為裂紋，見圖8。裂紋內(nèi)存在夾雜，能譜圖見圖9。

以上結果表明鼓泡裂縫里有Al、Si、K、Ca、Ti等元素，說明有保護渣卷入。

(3)試樣4

試樣4上的環(huán)件裂紋開裂明顯，裂紋走向較直，似應力裂紋。見圖10。

在裂紋根部處取樣高倍觀察，未腐蝕狀態(tài)下觀察試樣裂紋內(nèi)部，發(fā)現(xiàn)存在氧化物夾雜聚集，見圖11。試樣腐蝕后，觀察組織發(fā)現(xiàn)，試樣表面為淬火組織，裂紋兩側沒有脫碳。夾雜物能譜成分測定為氧化鋁夾雜，見圖12。

據(jù)此，可以推斷鑄坯存在夾雜物聚集。在表面淬火時，夾雜物周圍形成應力集中，導致工件出現(xiàn)淬火開裂。

圖10 缺陷形貌Figure 10 Defects appearance

圖11 裂紋處夾雜物形貌(100×)Figure 11 The appearance of inclusion in crack position(100×)

圖12 夾雜物能譜分析(100×)Figure 12 Energy spectrum analysis for inclusions(100×)

2 分析

2.1 生產(chǎn)流程

回轉(zhuǎn)支撐環(huán)生產(chǎn)工藝過程為：電爐→LF鋼包精煉爐→連鑄→堆冷→加熱→鍛造→正火→粗加工→熱處理→精車→表面淬火→磨加工。

2.2 煉鋼分析

鋼從液相凝固成固相和以后繼續(xù)冷卻時，鋼中H含量溶解度銳減，再加上凝固過程中的偏析，鋼中局部殘留的H含量會超過其容限，析出氣體。由于柱狀組織的偏析和中心疏松的存在，更容易促使氫的擴散。析出的分子氫在枝狀晶之間集聚、沉淀與析出，產(chǎn)生氣孔。

避免氫致裂紋的重要手段是降低鋼中氫含量。由于沒有經(jīng)VD處理，鋼水的氫含量較高。經(jīng)VD處理后，鋼中氫含量可顯著降低，一般脫氫率可達60%以上。其次，做好保護澆注，避免澆注過程中吸氣，注意原輔料的干燥，以及鋼包中包的烘烤，最大限度減少過程增氫。

提高鋼水的潔凈度也是重要的一環(huán)。夾雜物與基體的界面是氫的強陷阱。界面上的氫濃度遠高于晶格內(nèi)部的濃度，高的濃度會產(chǎn)生高的過飽和空位濃度，不斷聚集長大，形成鼓泡核。氫致裂紋在夾雜處的形核率較大。夾雜物與基體界面的結合強度相對較弱，當核內(nèi)壓力超過臨界值時，就會沿界面開裂。偏析及非金屬夾雜物等使金屬晶體聯(lián)結部位弱化和有利于氫原子聚集的因素均可使鋼的氫致裂紋敏感性升高。

微裂紋或微空洞也致使氫聚集，聚集到一定的程度就會使微裂紋擴展。因此，一方面要不斷改善坯料的低倍組織結構，同時在鍛造熱加工過程中應采用合理的鍛造工藝，進一步壓實，促使內(nèi)部組織致密、晶粒及碳化物粒子細化等，增加基體強度，提高對氫應力破壞作用的抵抗力。

2.3 鍛造分析

鍛后及時采取適當?shù)囊灶A防鍛件出現(xiàn)氫致裂紋為主要目的的鍛后冷卻與熱處理工藝，使鍛件中的氫擴散出去，保證鍛件中氫含量低于無白點缺陷的極限含量。同時，減小鍛件中的內(nèi)應力(主要是組織應力)，避免鍛件產(chǎn)生裂紋缺陷。

以上分析主要是基于目前50Mn沒有經(jīng)VD處理的情況去分析的。但事實上，鍛后組織粗大、淬火層厚度不均，說明鍛造及熱處理恰恰存在問題。高溫淬火后，其組織由高溫奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。由于馬氏體的無擴散性、切變特性，新舊相間晶體學位相關系以及比容差，決定了馬氏體相變必然產(chǎn)生應變、應力和應變能。由于馬氏體強度較高，這種巨大的不均勻應變和應力很難通過塑性變形來松弛，如果晶界不能充分協(xié)調(diào)，相鄰晶粒的變形就會在晶界造成應力集中，乃至形成微裂紋，在淬火應力作用下，迅速擴展為裂紋。磨削加工時，在機械力的作用下，自然會剝離或掉塊。

關于氫致白點(或白點)，理論界一直是有爭議的，生產(chǎn)實踐中也是千差萬別的。有試驗表明，含氫量很低(0.6×10-6)的軋輥鍛后又退火又長時間擴氫，還是出現(xiàn)了白點。鍛造工藝改進后，含氫量為5×10-6的軋輥僅適當緩冷，沒有擴氫處理，也沒有產(chǎn)生白點。說明前者在鍛造過程中，即高溫變形過程中就已經(jīng)產(chǎn)生了缺陷，在隨后的冷

卻過程中，在應力的作用下發(fā)展為裂紋。事實上，氫致裂紋和有些微細裂紋是難以區(qū)分的，氫可以致白點，但白點不都是由氫所致。

3 措施

經(jīng)過討論分析，應采取以下措施控制回轉(zhuǎn)支撐環(huán)缺陷：

(1)采取VD處理，降低鋼中氣體含量?？刂埔欢ǖ恼婵斩群蜌鍤饧氨３謺r間，可以有效控制鋼中的氫含量。經(jīng)VD處理后，可有效保證鋼中氣體處于較低的含量，將由原料、操作等不穩(wěn)定帶來的負面影響降到最低，避免不必要的損失。

(2)加強原輔料等環(huán)節(jié)控制，尤其是白灰等渣料。加強鋼包烘烤，尤其新包更要注意，減少過程增氫。

(3)加強保護澆注，避免鋼水的二次污染，減少不穩(wěn)態(tài)澆注。大包長水口及中包浸入式水口要做好氬封。提高耐材質(zhì)量。

(4)控制結晶器液面穩(wěn)定，保證設備可靠性、穩(wěn)定性。規(guī)范加渣操作，避免保護渣卷入。

(5)控制較低過熱度和適當?shù)睦偌斑m宜的冷速，保證鑄坯的低倍質(zhì)量，提高鑄坯致密度。促進低倍組織的致密化、均勻化。

(6)做好鑄坯的緩冷、保溫，降低鑄坯(錠)中的應力，避免應力集中。

(7)優(yōu)化與控制鍛造及熱處理過程，避免不規(guī)范的生產(chǎn)操作。

4 結束語

(1)控制鋼中氣體含量、夾雜等冶金缺陷是關鍵環(huán)節(jié)。同時，要重視連鑄坯(錠)的緩冷、保溫處理。

(2)鍛造及熱處理工藝要不斷優(yōu)化改進，高溫塑性變形對鍛件的質(zhì)量有重要的影響。

(3)氫可以致白點，但不能一見白點特征，統(tǒng)統(tǒng)認定為氫致裂紋。正確避免氫致裂紋是一個系統(tǒng)工程。只有充分認識到現(xiàn)象的本質(zhì)，才能真正有效避免再次發(fā)生。

[1] 陳斌.50Mn鋼回轉(zhuǎn)支撐滾道剝離原因分析.物理測試，2005.

[2] 劉德富，等.關于鋼中白點形成機理的探討.大型鑄鍛件，2008.

[3] 任學沖，等.夾雜對氫鼓泡形成的影響.金屬學報，2007.

[4] 周平，等.對鋼中白點的幾種認識與討論.萊鋼科技.

[5] 汪洋，等.鍛件產(chǎn)生白點缺陷的原因與預防.重工與起重技術，2009.