降低支承輥鍛件外露夾雜缺陷的措施

趙凱兵

(中國第一重型機(jī)械集團(tuán)股份公司鑄鍛鋼事業(yè)部技術(shù)質(zhì)量部，黑龍江161042)

降低支承輥鍛件外露夾雜缺陷的措施

趙凱兵

(中國第一重型機(jī)械集團(tuán)股份公司鑄鍛鋼事業(yè)部技術(shù)質(zhì)量部，黑龍江161042)

認(rèn)為A型偏析外露是導(dǎo)致外露夾雜的主要原因。通過提高鋼水純凈度，控制鋼液結(jié)晶，改進(jìn)鍛造工藝，減少鋼中的夾雜并讓分枝樹枝晶區(qū)盡量向錠心分布能減少外露夾雜。

支承輥;外露夾雜;A型偏析

目前，用戶對(duì)支承輥產(chǎn)品的質(zhì)量要求相當(dāng)苛刻，甚至很難同意接受輥徑有夾雜缺陷的支承輥，外露夾雜已成制約支承輥產(chǎn)品質(zhì)量的最大瓶頸。普遍認(rèn)為鋼錠固有的A型偏析在機(jī)械加工中暴露在表面會(huì)產(chǎn)生外露夾雜。本文著重分析導(dǎo)致A型偏析外露的原因，并提出改善外露夾雜的措施。

1 外露夾雜的特征

外露夾雜區(qū)域在車削加工時(shí)會(huì)異常斷屑，外露夾雜在精磨時(shí)會(huì)變黑，容易識(shí)別。除少數(shù)在粗車時(shí)發(fā)現(xiàn)的較大塊狀的白色夾雜能直接確定為精煉渣、石棉繩、耐火材料的混合物外，絕大多數(shù)的夾雜一般尺寸較小，在2 mm以內(nèi)，有點(diǎn)狀和條狀兩種，較小的夾雜借助著色才能目視觀察到。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，精加工發(fā)現(xiàn)外露夾雜的比率要比粗加工高60%，在輥身及輥身端面外露占16.5%，在輥頸外露占83.5%(其中冒口端輥頸占3.5%)。值得說明的是，在輥身及輥身端面外露的夾雜沒有在輥頸處外露的密集。外露的夾雜無論呈點(diǎn)狀還是條狀在鍛件某一外圓表面局部范圍內(nèi)零散分布，或是遍布一周，其軸向都呈條帶狀零散分布。

2 超聲檢測(cè)

支承輥會(huì)在調(diào)質(zhì)前、調(diào)質(zhì)后各進(jìn)行一次超聲檢測(cè)。由于近表面超聲檢測(cè)時(shí)存在盲區(qū)，同時(shí)一般夾雜本身尺寸較小，加上鍛造又將其打碎細(xì)化，使夾雜的傷波數(shù)量減少、傷波幅度降低，甚至細(xì)化到超聲檢測(cè)無法檢測(cè)出來。在淺表層發(fā)現(xiàn)的部分不超標(biāo)密集缺陷如圖1所示。嚴(yán)重的呈環(huán)形分布，當(dāng)量最大能達(dá)到?3 mm，在進(jìn)一步加工時(shí)會(huì)造成外露夾雜。這種淺表層缺陷，檢測(cè)時(shí)傷波高低不等，疏密不均，波峰分枝，波頭圓鈍不清晰，探頭游動(dòng)時(shí)傷波此起彼伏、變化迅速。當(dāng)提高儀器靈敏度時(shí)，傷波的數(shù)量迅速增加，但傷波的清晰度隨著儀器靈敏度的提高而越加模糊。降低儀器靈敏度時(shí)，根據(jù)傷波幅度下降很快等特征，基本認(rèn)定為夾雜［1］。通過前期分析，認(rèn)定夾雜的主要成分是Ca、Si、Mg、F、Al、O等元素，存在著精煉渣成分［2］。

無論一錠出一件還是出兩件，這種淺表層缺陷幾乎集中對(duì)應(yīng)于鋼錠水口端。在一錠一件的鍛件中幾乎原本不動(dòng)的保留了鋼錠中夾雜的原始分布狀態(tài)。在一錠兩件的鍛件中，缺陷的分布與鋼錠的水口件或冒口件有關(guān)，但對(duì)鋼錠中缺陷的分布規(guī)律不產(chǎn)生根本影響，只是夾雜在鍛件中的殘存部位發(fā)生相應(yīng)的位置變化。由圖1可看出，超聲檢測(cè)確定的淺表層缺陷基本可以認(rèn)定是在鋼錠內(nèi)原始分布狀態(tài)呈喇叭狀的A形偏析區(qū)內(nèi)的群集夾雜，只不過鍛造導(dǎo)致夾雜分布狀態(tài)的畸變，使夾雜在輥頸e、f、g處的分布產(chǎn)生跳躍，破壞夾雜分布的連續(xù)狀態(tài)，在D部夾雜幾乎聚成一體而較難分出呈環(huán)形分布。由圖1可看出，各圓端面e、f、g、h最容易出現(xiàn)夾雜外露。輥徑直徑越小、加工余量越大，越容易出現(xiàn)夾雜外露。同時(shí)，如果直輥徑B、C部機(jī)加工成錐輥，會(huì)使夾雜外露的幾率增大。如果輥身A部工作層存在夾雜，則會(huì)減少支承輥的重復(fù)磨修次數(shù)從而降低其使用壽命。

3 外露夾雜的影響因素

鋼錠表面的激冷層因初始鋼液有較大的過冷度而迅速凝固，故無偏析，激冷層幾乎在鍛造高溫加熱中燒損掉。激冷層形成后，晶粒開始沿著模壁垂直方向發(fā)展形成柱狀晶，該部分因?yàn)樵谳^大的溫度梯度下選擇結(jié)晶凝固，且凝固前沿固相率很低，凝固前沿的溶質(zhì)富化濃度低，同時(shí)也容易被環(huán)流沖走，故夾雜物和偏析缺陷較小，可以認(rèn)為柱狀晶是相對(duì)純凈的。柱狀晶的厚度取決于澆注溫度和鋼錠尺寸，一般約為50 mm～120 mm［3］。柱狀晶往里是分枝樹枝晶，其結(jié)晶方向偏離柱狀晶方向傾斜生長，A型偏析在這一區(qū)域形成。分枝樹枝晶長到一定階段后，中心區(qū)域的鋼液達(dá)到同一過冷度而同時(shí)凝固，最終形成粗大等軸晶。鋼錠底部富集非金屬夾雜物的沉積錐，應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生鍛件芯部缺陷，而非淺表層缺陷。從以上分析看出，支承輥夾雜外露是因?yàn)殇撳V分枝樹枝晶區(qū)內(nèi)質(zhì)量不好的A型偏析暴露在鍛件表面，這也與外露的夾雜在軸向都呈條帶狀零散分布相吻合。

同時(shí)結(jié)合McDonald和Hunt提出的A型偏析理論，固液相區(qū)內(nèi)由于溫度和濃度梯度造成的密度變化，使未凝固的鋼液趨于不穩(wěn)定并驅(qū)動(dòng)鋼液環(huán)流。環(huán)流的鋼液流經(jīng)鋼錠中心將逐步加熱，環(huán)流的熔液可以使局部枝晶重熔，重熔又使液相分?jǐn)?shù)增大，流動(dòng)阻力減小，使流速進(jìn)一步增大，加速重熔。這種不穩(wěn)定現(xiàn)象從而在固液相區(qū)內(nèi)形成一系列細(xì)小的管流，當(dāng)然管流在固相中形成的溝槽越大，流速就越大，熔化速度也越大。一部分溝槽不斷擴(kuò)展，同時(shí)得到枝晶間濃度很高的液相的流動(dòng)補(bǔ)充。環(huán)流不可避免地?cái)y帶大量鋼液中的非金屬夾雜物，隨著溫度的下降，鋼液粒稠流動(dòng)不暢，非金屬夾雜物堵塞、滯留在分枝樹枝晶管流中并進(jìn)一步集聚而難以在該區(qū)域排除，堵塞的管流進(jìn)行合并而形成A型偏析。從上面分析不難看出，在同一澆注條件下，鋼水越純凈，越難產(chǎn)生A型偏析。

根據(jù)以上分析，提高鋼水純凈度和讓分枝樹枝晶區(qū)盡量向錠心分布能減少夾雜外露。

4 措施

4.1 鋼液結(jié)晶的控制

鋼錠的結(jié)晶取決于鋼液的選擇凝固與結(jié)晶速度，因此可以用冷卻速度來控制結(jié)晶過程。對(duì)兩年來同錠型、同材質(zhì)的支承輥進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)注溫過于偏低或注速過于偏慢的鋼錠外露夾雜的幾率最高。這是由于注溫高可延長結(jié)晶的時(shí)間，有助于柱狀晶區(qū)的發(fā)展，使A形偏析向內(nèi)向上集中遠(yuǎn)離鋼錠表面，同時(shí)注溫高有利于夾雜上浮及排除。因此，在工藝范圍內(nèi)，注溫與注速應(yīng)避免按下限控制。另外，可以設(shè)法增加鋼錠模的冷卻能力，如采用導(dǎo)熱性好與熱容量大的鋼錠模材料、增加鋼錠模的厚度、降低鋼錠模溫度等。

4.2 提高鋼水純凈度

爐料中含P、S量要盡量低，因含量高時(shí)會(huì)延長冶煉時(shí)間，從而使?fàn)t襯易受侵蝕，使鋼中夾雜物增多。如果氧化期沸騰不好，多數(shù)比較細(xì)小的脫氧產(chǎn)物難于上浮而殘留在鋼液中，因此脫碳保證不小于40%，確保脫碳強(qiáng)度，使鋼水沸騰以去除夾雜。要保證鋼水在鋼包中保持一定的鎮(zhèn)靜時(shí)間，以利于夾雜物上浮。整個(gè)澆注系統(tǒng)要認(rèn)真吸塵、吹風(fēng)，吸吹后應(yīng)防塵處理，避免鋼液卷入耐火材料等非金屬夾雜物，同時(shí)加強(qiáng)中間包卡渣。

4.3 鍛造工藝改進(jìn)

由于鋼錠冒口端直徑大于水口端直徑，故鐓粗時(shí)水口端直徑的增大無論是依靠水口端接觸面的滑動(dòng)擴(kuò)大為主，還是依靠側(cè)表面翻至接觸面擴(kuò)大水口端直徑為主，越往水口端柱狀晶區(qū)層拉得越薄。同樣在后續(xù)的KD拔長、下料出成品過程中，由于金屬的遷移，使柱狀晶區(qū)層在水口端輥徑處拉的更薄。因此，制定鍛造工藝時(shí)，拔長鍛比滿足3即可，最好不采取鐓粗變形或采取小鐓粗比。優(yōu)先選用一錠出一件，最多一錠出兩件。另外，鐓粗前不采用切除水口錠身?xiàng)壛希悦釧型偏析在鐓拔過程中提前在錠身水口端暴露出來。同時(shí)盡量減小鍛件的加工余量，以免余量過大，車出A型偏析。

5 結(jié)束語

通過提高鋼水純凈度，控制鋼液結(jié)晶，改進(jìn)鍛造工藝，能減少支承輥鍛件夾雜外露缺陷。

［1］ ?？∶?鋼中缺陷的超聲波定性探傷［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1990.

［2］ 趙春華，巴鈞濤，馮玉合.支承輥外露夾雜原因分析［J］.大型鑄鍛件，2012，9(5):23-26.

［3］ 康大韜，葉國斌.大型鍛件材料及熱處理［M］.上海:龍門書局，1998.

編輯 杜青泉

Measures to Reduce Exposed Defects on Backup Roll Forging

Zhao Kaibing

External A-type segregation is considered as the main cause of exposed inclusion.By improving the molten steel purity，controllingmolten steel crystallization，reducing inclusion in steel，and making the branch dendrite asmuch as close to the ingot heart，exposed inclusion can be reduced.

bakckup roll，exposed inclusion，A-type segregation

TG316.1+92

A

2013—05—13

趙凱兵(1987—)，助理工程師，從事鍛造過程控制及民品鍛件的質(zhì)量處理工作。