減少支承輥鋼錠鍛造裂紋的措施

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)

生產(chǎn)技術(shù)

減少支承輥鋼錠鍛造裂紋的措施

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)

針對支承輥鋼錠出現(xiàn)的嚴(yán)重鍛造裂紋問題，從成分、冶煉、鑄錠、脫模、熱送、加熱和鍛造方面分析影響鋼錠表面質(zhì)量的因素和造成鍛造裂紋的原因，并提出了減少鋼錠鍛造裂紋的措施。

支承輥鋼錠;鍛造裂紋;應(yīng)力

支承輥鋼錠在鍛造過程中，錠身表面出現(xiàn)肉眼可見的裂紋一直是困擾技術(shù)人員的難題。裂紋缺陷輕者可采用吹氧或火焰燒剝清除的方式進(jìn)行挽救，重者則直接報廢，經(jīng)濟(jì)損失十分嚴(yán)重。本文從理論角度對導(dǎo)致支承輥鋼錠表面裂紋的因素進(jìn)行初步分析，尋找有效的控制方法。

1 裂紋概況

支承輥鋼錠經(jīng)常在鐓粗時出現(xiàn)順裂，KD時出現(xiàn)橫裂，甚至在壓鉗口時就已經(jīng)出現(xiàn)裂紋。因大鋼錠現(xiàn)已取消倒棱工序，鐓粗前錠身仍未鍛壓，為確定裂紋究竟是鋼錠本身原因還是鍛造或加熱造成的，我們從鋼錠脫模、熱送，到鍛造整個過程，對鋼錠的表面質(zhì)量進(jìn)行了仔細(xì)檢查。發(fā)現(xiàn)個別鋼錠在脫模后表面有細(xì)橫裂或順裂，部分入加熱爐前無表面裂紋的鋼錠，在壓鉗口時錠身表面會發(fā)現(xiàn)細(xì)順紋或細(xì)橫紋?？梢源_定鋼錠鍛造過程中出現(xiàn)的裂紋，部分是鋼錠本身存在的，只是未發(fā)現(xiàn)而已。由于不倒棱，壓鉗口火次存在的裂紋絕大多數(shù)藏匿在氧化鐵皮下方，同時部分順裂較細(xì)、較短，確認(rèn)難度較大。

可以肯定裂紋的形態(tài)及出現(xiàn)時機(jī)不同，形成原因一定不同。下面逐一從成分、冶煉、鑄錠、脫模、熱送、加熱和鍛造來分析影響鋼錠表面質(zhì)量的因素和造成鍛造裂紋的原因，并提出減少鋼錠鍛造裂紋的措施。

2 制造過程分析

2.1 化學(xué)成分

在大批量生產(chǎn)的工況下，裂紋集中在YB-65、YB-70、YB-75這三種材質(zhì)的支承輥鋼錠上。YB-75出現(xiàn)裂紋的比例最高，YB-65次之。YB-70和YB-75是Cr5材質(zhì)，YB-65是Cr4材質(zhì)，YB-65和YB-75含碳量為0.45%～0.55%，YB-70的含碳量為0.48%～0.58%。這三種材質(zhì)可以看成是在中碳鋼基礎(chǔ)上添加合金元素而成。碳含量處于0.4%～0.6%之間的中碳鋼材料鑄態(tài)組織的熱裂抗力比較低［1］，同樣碳含量居于這一區(qū)間的42CrMo、45等材質(zhì)的中碳鋼鋼錠也會在鍛造中出現(xiàn)嚴(yán)重裂紋，只是生產(chǎn)批量少而沒引起關(guān)注而已。實際成分統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)YB-70的碳含量要高于YB-65和YB-75，YB-65的含Mn量比YB-75高。這說明C、Mn元素影響這三種支承輥材質(zhì)的熱裂抗力，對鋼錠裂紋形成有一定影響。因此，在成分規(guī)格范圍不變的前提下，運用計算材料學(xué)的方法，設(shè)計并調(diào)整合金成分，有利于降低支承輥鋼錠的裂紋傾向。另外，Cu、Pb、Sn、As等元素及其化合物在晶界富集，降低了晶界強(qiáng)度，這也是誘發(fā)裂紋的原因之一，應(yīng)嚴(yán)格控制由原料和廢鋼帶入的上述元素含量。

2.2 冶煉與鑄錠

2.2.1 冶煉

鋼中氫、氧、氮、磷、硫和非金屬夾雜物含量高，將不同程度地降低鋼的強(qiáng)度和塑性。因此，礦石、螢石及鐵合金必須烘烤良好，硅鐵粉、鋁粉、硅鈣粉、電極粉、碳粉進(jìn)行烘干，遇雨季時更要嚴(yán)格要求。尤其石灰必須燒透，運輸及存放中應(yīng)注意防潮，保證使用時出窯時間不大于24 h。加強(qiáng)氧化操作，脫碳保證不小于40%，確保脫碳強(qiáng)度，形成一種良好的熔池，有利于夾雜上浮及排除。另外，加鋁量要嚴(yán)加控制，氮含量盡量降低，過多的鋁會導(dǎo)致AlN析出面在鍛造時開裂［3］。

2.2.2 鑄錠

(1)澆注溫度

通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，當(dāng)注速一定時，澆注溫度過高，鋼錠容易產(chǎn)生裂紋。這是由于在鋼錠模冷卻能力不變的前提下，澆注溫度的提高使鑄錠的激冷層變薄，在熔體靜壓力作用下存在拉裂、鋼液中的夾雜物逸出等問題。同時澆注溫度過高，鋼錠易焊在鋼錠模上，使脫模困難，鋼錠易產(chǎn)生裂紋。其次，澆注溫度高時，凝固前沿上的溫度梯度大，因而固液兩相區(qū)窄，兩相區(qū)內(nèi)一次枝晶短，一次枝晶的間距也小，所以鋼錠外殼整體向內(nèi)收縮而產(chǎn)生的側(cè)表面的線收縮大。若縱向收縮受到阻礙易產(chǎn)生橫裂，橫向收縮受到阻礙時易產(chǎn)生順裂的傾向也越大［2］。另外，澆注溫度太高會使耐火材料嚴(yán)重沖蝕，鋼中夾雜物增多。

(2)澆注速度

鎮(zhèn)靜鋼一般對表面裂紋相當(dāng)敏感，所以應(yīng)適當(dāng)緩慢地澆注，但應(yīng)保證非金屬夾雜物的上浮。注速應(yīng)當(dāng)根據(jù)注溫來調(diào)節(jié)，澆注溫度高時采用慢注，相反澆注溫度低時應(yīng)快速澆注。這是由于慢速澆注相當(dāng)于降低了鋼液溫度，快速澆注相當(dāng)于提高了模內(nèi)鋼液的溫度。為將注速控制在規(guī)定范圍內(nèi)，要防止水口擴(kuò)徑。對裂紋敏感的支承輥材質(zhì)鋼錠要均勻慢速澆注，以加厚鋼錠激冷層，減弱鋼錠對流循環(huán)，使鋼液靜壓力增加緩慢，防止產(chǎn)生熱裂紋。

(3)澆注系統(tǒng)

整個澆注系統(tǒng)要保證清潔，同時加強(qiáng)烘烤，避免鋼液卷入耐火材料等非金屬夾雜物。當(dāng)鋼錠表面及皮下一旦有集中的非金屬夾雜物，對鋼錠形成裂紋的威脅最大。

整個鑄錠可采取以下措施:

1)用抗渣性能良好的耐火材料砌筑鋼包。

2)鋼錠模下到真空室后，確保中心位置對正，避免鋼錠偏心澆注導(dǎo)致局部激冷層薄。

3)嚴(yán)格控制注溫注速，真正做到高溫慢注、低溫快注，保持鋼液平穩(wěn)上升。

4)在夏季，鋼錠模在澆注前的溫度不能過高，同時盡量避免鋼錠模溫度不均勻?qū)е落撳V激冷層厚度差別過大。

5)保溫帽與鋼錠模間墊好石棉繩，以防鋼水滲入縫隙后造成懸掛，縱向收縮受阻，鋼錠錠身冒口端在錠重的拉力作用下而將激冷層薄弱處拉裂產(chǎn)生橫裂。

6)注意鋼錠模底面修磨，避免鋼錠水口燒氧，以免由于錠模與底盤接合不緊密，鋼水滲入形成飛邊阻礙鋼錠縱向冷凝收縮而產(chǎn)生錠身水口端橫裂。

7)加強(qiáng)錠模內(nèi)壁修磨，若過于粗糙，有嚴(yán)重的裂縫、凹坑，會阻礙鋼錠收縮而產(chǎn)生裂紋。

2.3 鋼錠冷卻與脫模

鋼錠冷卻時，內(nèi)外層并不同時凝固。當(dāng)外層凝固成殼時，內(nèi)部未凝鋼液對外層鋼殼有靜壓力，力圖把這層殼拉破。同時在鋼錠凝固的過程中由于表層的溫度下降比內(nèi)部快，致使內(nèi)外層存在較大的溫度差異，這種差異導(dǎo)致鋼錠內(nèi)外層體積收縮不一致，表層先收縮的部分必受到內(nèi)層尚未收縮部分的阻礙而產(chǎn)生熱應(yīng)力。另外，鋼冷卻到650℃時有組織轉(zhuǎn)變，伴隨著體積的突然膨脹，由于內(nèi)外溫差的存在，這種體積膨脹必然不會同時發(fā)生。例如，表層組織已轉(zhuǎn)變完，體積按正常冷卻過程收縮，而內(nèi)部正發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，體積發(fā)生膨脹，膨脹的內(nèi)層必然給表面層一個明顯的拉應(yīng)力。當(dāng)這三者應(yīng)力之和超過晶界強(qiáng)度，會導(dǎo)致鋼錠產(chǎn)生裂紋，裂紋常出現(xiàn)在鋼錠皮下，鍛造時就會擴(kuò)展成表面裂紋。因此，鋼錠要避免過早脫模，通過緩冷消除鋼錠冷卻、溫度下降時體積收縮造成的熱應(yīng)力和由組織轉(zhuǎn)變引起的組織應(yīng)力?？刹扇〉拇胧┯?

(1)要規(guī)定合理的脫模時間，使鋼錠在相變后脫模。

(2)避免脫模后受到雨淋或受潮。

2.4 鋼錠熱送與加熱

實際生產(chǎn)中熱送大鋼錠到裝爐，鋼錠表面溫度(距冒口端錠身三分之一處)很難大于650℃，基本可以認(rèn)定鋼錠表層，尤其是鋼錠水口端已發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，在加熱時表面裂紋將局限在奧氏體晶界深度，不會沿夾雜富集的晶界深入內(nèi)部。而表面溫度大于550℃的鋼錠可以直接入高溫爐加熱。加熱前期，爐內(nèi)輻射和對流傳熱特別強(qiáng)，鋼錠表面的升溫較快，到后期隨著鋼錠表面溫度的升高，輻射和對流傳熱量減小，鋼錠表面溫度升高速度將減緩。由于熱送鋼錠水口端比冒口端低100～150℃，同時水口端直徑小，使水口端升溫速度最快，所承受溫差引起的熱應(yīng)力最大。鋼錠加熱到750℃左右時將發(fā)生相變造成組織應(yīng)力，同時鋼錠在550～750℃時的塑性低，若加熱速度過大時，巨大的的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力會疊加在一起，導(dǎo)致鋼錠表面產(chǎn)生順裂。鋼錠加熱到750～1 200℃時，金屬塑性急劇增加，組織應(yīng)力和熱應(yīng)力消失?？刹扇〉拇胧┯?

(1)熱送鋼錠及時裝爐，避免拖延。

(2)鋼錠表面升溫到750℃時的速率盡量緩慢，避免應(yīng)力過大。

(3)熱送鋼錠在相變后加熱，通過改善重結(jié)晶柱狀晶，使夾雜物和顯微縮孔的危害降低。

(4)鐓粗火次加熱溫度提高到1 270℃，使析出相充分固溶，改善微觀偏析，組織均勻化，提高鋼錠的鑄態(tài)組織塑性。但要控制最高加熱溫度(爐溫)不能超過1 270℃，以免過燒，同時避免在高溫過長時間停留。

2.5 鍛造

對材質(zhì)易出現(xiàn)裂紋的支承輥鋼錠，應(yīng)在壓鉗口火次恢復(fù)倒棱。通過小變形量表面變形，焊合鋼錠表層可能存在的皮下微裂紋等缺陷，同時將表層金屬由鑄態(tài)變成鍛態(tài)，高溫塑性明顯提高，使鋼錠鐓粗時表面不致產(chǎn)生裂紋。倒棱同時能去除錠身氧化鐵皮，盡早發(fā)現(xiàn)藏匿在氧化鐵皮下的裂紋。如表面有長度大于100 mm的順裂時，必須逐一吹氧清除，以免鐓粗過程中裂紋擴(kuò)大、變深。

鐓粗過程中，裂紋常出現(xiàn)在鋼錠棱之間的凹面。裂紋延伸方向呈筆直或約45°斜裂，或二者結(jié)合。這是由于鋼錠澆注后，鋼錠的棱部散熱條件好，冷卻快，激冷層較棱之間的凹面厚，起著“加強(qiáng)筋”的作用。部分鋼錠鐓粗在鼓形還未明顯出現(xiàn)時，裂紋已經(jīng)出現(xiàn)，裂紋以錠身水口端居多，錠身中部(鼓形的最大直徑)次之，錠身冒口端極少出現(xiàn)裂紋。

由于鐓粗時，鋼錠水口端端面與鐓粗蓋板(或砧板)間摩擦的影響及鋼錠截面半徑不同，鐓粗時鋼錠不均勻變形，鋼錠軸向產(chǎn)生很大的壓應(yīng)力。在鋼錠側(cè)表面周邊變形區(qū)由于不均勻變形，出現(xiàn)環(huán)向(切向)拉應(yīng)力，應(yīng)力作用與結(jié)晶方向垂直，并且越靠近表面越大，同時徑向壓應(yīng)力減弱，并且越靠近表面越小。鐓粗變形是在金屬的等強(qiáng)溫度以上進(jìn)行的，晶界變形較大，同時由于鋼錠的柱狀晶粒發(fā)達(dá)，晶界上往往聚集了大量的冶金缺陷、非金屬夾雜和顯微縮孔，分離了柱狀晶界，大大降低了晶粒間結(jié)合能力，宏觀表現(xiàn)就是柱狀晶區(qū)塑性較低。在拉應(yīng)力足夠大時，柱狀晶晶界夾雜物就會造成晶間開裂，形成微裂紋，然后擴(kuò)展，相連成大裂紋，裂口與表面垂直。如鐓粗變形速度緩慢，裂紋只能在柱狀區(qū)擴(kuò)展，不能延伸至表面高塑性區(qū)。鐓粗時，與軸線成45°角方向有最大的切應(yīng)力，所以鋼錠表層富含夾雜物的低塑性的區(qū)域易產(chǎn)生45°角方向的斜裂。另外，鋼錠本身存在的應(yīng)力裂紋也會在附加拉應(yīng)力的作用下向外擴(kuò)展到鋼錠表面。隨著壓下量的增大，產(chǎn)生的鼓形也必然逐漸增大，從而導(dǎo)致側(cè)表面的周向拉應(yīng)力越來越大，鼓形最大截面外側(cè)已有微小缺陷處的應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到臨界值，出現(xiàn)微觀裂紋，續(xù)鐓導(dǎo)致側(cè)表面縱裂?？刹扇∫韵麓胧?

(1)由于鐓粗的目的是為下一步拔長壓實提高鍛比，壓實效果甚微。制定鍛造工藝時，最好不采取鐓粗變形，優(yōu)先選擇鋼錠拔長鍛比大于3的錠型，如制定一錠出兩件的工藝。

(2)鋼錠溫度不均時返爐加熱，因為各部分溫度不均導(dǎo)致各部位的塑性不同，變形時的拉齊作用使局部發(fā)生撕裂。

(3)制定鍛造工藝時，考慮鐓粗的壓下量應(yīng)小于材料塑性允許的范圍。

(4)鋼錠加熱到該材質(zhì)所允許的最高溫度，減小鐓粗所需的壓力。

(5)鐓粗時，壓下速度要盡量緩慢，不能用水壓機(jī)最大能力鐓粗。

(6)采用凹形鐓粗蓋板鐓粗。在凹形鐓粗蓋板鐓粗過程中，端面直徑的增大幾乎全由側(cè)面金屬的翻轉(zhuǎn)而成，水口端外表面的附加拉應(yīng)力較平面鐓粗蓋板鐓粗小。

KD拔長時，側(cè)表面出現(xiàn)橫裂，可認(rèn)為是送進(jìn)量和壓下量很大時，軸心部分變形大，側(cè)表面沿軸向受拉應(yīng)力作用較大，而變形區(qū)的前、后側(cè)面由于未與砧面接觸，摩擦阻力的影響很小，如此處恰是夾雜物相對富集的低塑性區(qū)，則易引起表面橫裂。主要對策是適當(dāng)控制壓下量與壓下速率，不能采用水壓機(jī)最大能力拔長。KD時如果鋼錠表面本身有良好的塑性，甚至局部有橫裂，也可以通過局部塑性變形使裂口鈍化、拔平。

由于裂紋尖端的尖角半徑趨于零，尖端應(yīng)力趨于無窮大，裂紋在隨后的鍛造變形過程中會迅速擴(kuò)展。因此無論橫裂還是縱裂，如果裂紋比較尖細(xì)，則要及時清除，以免續(xù)鍛開裂發(fā)展，造成鋼錠嚴(yán)重撕裂而報廢。

3 結(jié)束語

支承輥鋼錠的鍛造裂紋，大多數(shù)情況下是受多種因素共同影響而導(dǎo)致的。裂紋產(chǎn)生的根本原因在于產(chǎn)生裂紋源處的應(yīng)力超過了該處、該工況條件下鋼的強(qiáng)度極限。因此，為了防止裂紋，必須加強(qiáng)管理，從鋼的成分設(shè)計和控制開始，嚴(yán)格控制鋼中的夾雜，嚴(yán)格控制澆注、鋼錠冷卻和加熱過程，制定合理的鍛造工藝。

［1］ 陸文華.鑄造合金及其熔煉［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］ 盧盛意.鋼錠質(zhì)量［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1989.

［3］ 賀道中.連續(xù)鑄鋼［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2007.

編輯 杜青泉

Measures to Reduce Forge Cracks of Backup Roll Ingot

Zhao Kaibing

This paper aims at severe forge rapture，factors affecting the ingot surface quality and causes of the forge crack，are analyzed in terms of chemical composition，smelting，cast ingot，ingot stripping，hotdelivery，heating，and forge，measures to reduce the ingot forge crack are put forward.

backup roll ingot，forging crack，stress

TG316.1+92

A

2013—05—02

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。