環(huán)類鍛件缺陷分析與預(yù)防措施

張玉亭

(中冶京誠(營口)裝備技術(shù)有限公司，遼寧115000)

前階段生產(chǎn)的低合金高強(qiáng)度環(huán)鍛用鋼錠，鍛成法蘭后檢測，出現(xiàn)了成品批量檢測不合格現(xiàn)象。超聲檢測為密集型缺陷。為了查找原因，采用了超聲檢測定位缺陷、取樣、制樣、低倍、高倍及電鏡檢驗(yàn)等一系列手段和措施，同時，還對生產(chǎn)過程進(jìn)行了排查。本文著重從煉鋼的角度談?wù)劯倪M(jìn)及預(yù)防措施。

1 取樣分析

根據(jù)超聲檢測定位，對不同產(chǎn)品的缺陷部位進(jìn)行了取樣，經(jīng)高低倍檢驗(yàn)和夾雜物電鏡及能譜分析檢驗(yàn)，在缺陷處均發(fā)現(xiàn)有夾雜物。從夾雜物角度看，可歸為三類缺陷。

1.1 硫化物夾雜

切割后的試樣1經(jīng)超聲檢測定位缺陷，在試料長軸向100 mm～140 mm區(qū)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)存在垂直于長軸的密集型缺陷。在缺陷集中處切取20 mm厚低倍試樣，酸浸后觀察低倍試樣表面發(fā)現(xiàn)多處深可見底的條狀缺陷，并有數(shù)條偏析線。條形缺陷平行于偏析線方向、垂直于試料長軸方向，與檢測發(fā)現(xiàn)的密集型缺陷走向一致。此條形缺陷長在2 mm～5 mm之間，寬約1 mm，見圖1。在低倍試料偏析帶上切取制備高倍試樣，未腐蝕狀態(tài)下，發(fā)現(xiàn)存在硫化物聚集情況，硫化物呈單條斷續(xù)或多條密集排布。硫化物夾雜向偏析帶方向延展，與酸浸缺陷方向相吻合，見圖2。

在低倍試料缺陷位置切取制備斷口試樣，見圖3。對其進(jìn)行SEM觀察，發(fā)現(xiàn)密集型條狀夾雜物，方向與圖3中低倍酸洗后看到的缺陷方向平行，見圖4、圖5。對夾雜物進(jìn)行能譜分析，見圖6，可認(rèn)定為硫化錳夾雜。

圖1 酸浸低倍試樣形貌Figure 1 Morphology of acid dipped macroscopic specimen

圖2 硫化物夾雜聚集(100×)Figure 2 Gathered sulfide inclusion(100×)

圖3 試樣斷口形貌Figure 3 Morphology of specimen fracture

圖4 條狀夾雜物SEM圖像Figure 4 SEM picture of stripe inclusions

圖5 硫化錳夾雜SEM圖像Figure 5 SEM picture of manganese sulfide inclusions

圖6 夾雜物能譜圖Figure 6 Energy spectrum diagram of inclusion

1.2 氧化鋁和硅錳酸鹽類夾雜物裂紋

試樣2在高倍數(shù)下觀察為裂紋缺陷，同時裂紋內(nèi)部含有非金屬夾雜物，見圖7。對裂紋中的夾雜物在EDS下進(jìn)行成分測定，夾雜物為氧化鋁類和硅錳酸鹽類夾雜物，同時夾雜物含有少量的鈣鉀元素，見圖8。

圖7 缺陷高倍下形貌(1 000×)Figure 7 Microstructure Morphology of defects (1 000×)

圖8 裂紋內(nèi)夾雜物成分圖譜Figure 8 The spectrum of inclusion composition inside crack

圖9 裂紋處夾雜物形貌Figure 9 Inclusion morphology at crack position

1.3 氧化鋁類夾雜裂紋

對試樣3進(jìn)行加工后，在檢測標(biāo)記位置的加工表面出現(xiàn)多處缺陷，其中一種為深可見底的條形缺陷。肉眼觀察還發(fā)現(xiàn)另一種缺陷，在放大鏡下進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)實(shí)為翹皮。用工具將翹皮翻開，借助放大鏡觀察，缺陷內(nèi)部特征與第一種的條形缺陷一致，在銑床加工后的試樣表面還存在少量的鼓泡缺陷。

對條形缺陷通過SEM觀察，其內(nèi)部存在大量的非金屬夾雜物，主要為顆粒狀氧化鋁，翻開翹皮缺陷內(nèi)部也存在以氧化鋁為主的大量夾雜物，見圖9。對裂紋處夾雜物進(jìn)行EDS能譜測定，證實(shí)裂紋內(nèi)確實(shí)存在以氧化鋁為主的夾雜物，見圖10。

垂直于鼓泡缺陷切割并磨制成高倍試樣，在金相顯微鏡下觀察為裂紋缺陷，裂紋及附近存在氧化鋁類非金屬夾雜物，見圖11、圖12。

圖10 夾雜物能譜Figure 10 Energy spectrum diagram of inclusion

圖11 鼓泡下的裂紋形貌Figure 11 Crack morphology at bubble position

圖12 鼓泡缺陷附近的氧化鋁夾雜物Figure 12 Alumina inclusions near bubble defect

2 冶煉過程排查分析

2.1 過熱度、澆注速度的統(tǒng)計(jì)與分析

超聲檢測結(jié)果與過熱度情況的對比關(guān)系見表1。 超聲檢測結(jié)果與澆注速度之間的對比關(guān)系見表2。

偏析是由于凝固過程中的選擇結(jié)晶導(dǎo)致凝固后期鋼錠成分不均勻造成的。最后凝固的鋼液必然含有較多的雜質(zhì)，尤其是鋼中的易偏析元素碳、硫、磷等都偏聚于此。此時鋼液溫度低，鋼液變粘，加上雜質(zhì)元素的偏聚，使固液兩相區(qū)的鋼液變得更粘稠，補(bǔ)縮無法充分進(jìn)行。另外，氣體在凝固過程中，不是均勻分布到鋼錠各個部位，而是容易向鋼中的薄弱部位如疏松、偏析處發(fā)生聚集。即使這種偏聚不嚴(yán)重，在鍛造過程中也會誘發(fā)裂紋的萌生和擴(kuò)展。要想抑制硫化錳偏聚，控制偏析程度是重要的一環(huán)。

表1 檢測結(jié)果與過熱度對比關(guān)系

表2 檢測結(jié)果與澆注速度對比關(guān)系

圖13 不良品按月統(tǒng)計(jì)情況Figure 13 Monthly statistical situation for defective products

根據(jù)澆注速度及澆注溫度統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，過熱度越高，出現(xiàn)不合格的幾率越大。注溫高，鋼錠偏析嚴(yán)重。且注溫高，注速慢時，鋼液易散流，澆注時間長，鋼水的二次氧化幾率大。上述注溫注速統(tǒng)計(jì)結(jié)果也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

2.2 澆注過程中帽口絕熱板出現(xiàn)翻花現(xiàn)象

澆注鋼錠時，出現(xiàn)多爐帽口板潮濕，鋼水上冒口線，潮濕處劇烈翻花現(xiàn)象，且有部分鋼錠此過程持續(xù)很長時間。而這部分鋼錠的檢測結(jié)果幾乎都不合格。鋼水翻花極可能將保護(hù)渣卷入，加劇鋼水的二次氧化，隨后在凝固過程中無法有效上浮。同時，翻花的鋼錠補(bǔ)縮情況不好。因此應(yīng)高度重視帽口絕熱板的質(zhì)量，加強(qiáng)有關(guān)原輔料的監(jiān)管和驗(yàn)收、保管。

2.3 不良品出現(xiàn)的時間段

由圖13可知，8月份之前，質(zhì)量相對穩(wěn)定。而8月份以后，不合格品增加。與此同時發(fā)現(xiàn)鈣處理效果不穩(wěn)定，多數(shù)爐次處理效果不好，最后確定為硅鈣線質(zhì)量有問題。

3 預(yù)防措施

3.1 電爐及精煉

盡量避免出鋼過氧化，減少爐后脫氧的負(fù)擔(dān)，提高鋼質(zhì)潔凈度。

降低磷硫含量，充分脫氧脫硫脫氣，確保較低的氣體含量。

保證鈣處理效果，控制夾雜物形態(tài)。精確控制鋼中夾雜物形態(tài)，對于鋼中的Al2O3和MS夾雜，喂入硅鈣線或鈣線進(jìn)行鈣處理。由于鈣對夾雜物有良好的變性處理作用，使其變成球形的復(fù)合夾雜物，促進(jìn)夾雜物的上浮和細(xì)化、球化，均勻分布。

保持足夠的軟吹氬攪拌時間和效果，促進(jìn)夾雜物的上浮。要避免鋼水裸露在大氣中。

降低澆注溫度，防止模壁游離的等軸晶體再熔化，利于等軸晶的形成，即可擴(kuò)大等軸晶區(qū)，縮小柱狀晶區(qū)，并使晶粒變得更細(xì)小。注溫降低，可使凝固收縮變小，鋼錠疏松減輕，還可限制偏析的發(fā)展。因此，在保證澆注順暢的前提下，應(yīng)盡可能降低澆注溫度。

注溫適當(dāng)降低后，吊包過熱度可降低5℃。

3.2 注錠

加強(qiáng)精細(xì)化操作，嚴(yán)格按操作規(guī)程，一絲不茍地做好注前、注中、注后的工作。

保證鑄錠系統(tǒng)的清潔和干燥?？刂其撳V模上線的溫度，避免鋼錠模上線時表面溫度過高。

加強(qiáng)冒口的補(bǔ)縮操作，盡可能減慢鋼錠保溫帽的散熱速度，使保溫冒內(nèi)的鋼液長時間保持液態(tài)，推遲帽口部分鋼液的凝固時間，將縮孔集中到冒口部。同時，可減輕中心疏松。

控制注流形態(tài)，避免散流。完善氬氣保護(hù)澆注，有效減輕鋼流的二次氧化。

嚴(yán)格控制各種原輔料的質(zhì)量，杜絕不合格原輔料的使用。

4 結(jié)束語

超聲檢測出的密集性缺陷為硫化錳、氧化鋁硅錳酸鹽及氧化鋁和少量保護(hù)渣元素的夾雜物。硫化錳夾雜處偏析嚴(yán)重，酸浸低倍試樣可見條狀缺陷。發(fā)現(xiàn)氧化鋁硅錳酸鹽及少量保護(hù)渣元素、氧化鋁的試樣，在高倍數(shù)下觀察為裂紋缺陷，同時裂紋內(nèi)部含有非金屬夾雜物。

保證鋼質(zhì)的潔凈是超聲檢測合格的基礎(chǔ)。鋼的鑄態(tài)組織結(jié)構(gòu)，如偏析、疏松等是影響檢測合格率的主要因素。原輔料質(zhì)量也很重要。

提高檢測合格率是一個系統(tǒng)工程，需要從原料質(zhì)量入手，優(yōu)化冶煉、澆注、加熱、鍛造工藝，相互促進(jìn)，最終提高檢測合格率。

[1] 李代鍾.鋼中非金屬夾雜物.科學(xué)出版社，1983.

[2] 陳義雄.提高370QE鋼板超聲波檢測合格率實(shí)踐.冶金叢刊，2008.

[3] 趙晗，等.鍛件檢測缺陷檢驗(yàn)分析報告.