電站轉(zhuǎn)子鍛件缺陷分析

毛寬亮　梁永濤　郭亞森　劉鐵山　萬中?！∷蝸喕ⅰ≮w學(xué)謙

(洛陽中信重工機(jī)械股份有限公司計(jì)量檢測(cè)中心，河南471039)

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電站轉(zhuǎn)子鍛件缺陷分析

毛寬亮梁永濤郭亞森劉鐵山萬中停宋亞虎趙學(xué)謙

(洛陽中信重工機(jī)械股份有限公司計(jì)量檢測(cè)中心，河南471039)

某公司生產(chǎn)的電站轉(zhuǎn)子在精加工過程中發(fā)現(xiàn)其大法蘭端面及外圓出現(xiàn)裂紋，為此，采用低倍檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析、斷口分析、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡分析等方法，對(duì)缺陷進(jìn)行了綜合分析。結(jié)果表明：轉(zhuǎn)子外露裂紋缺陷是注錠時(shí)表面附帶夾渣的水口冷瘤掉入鋼錠所致。

轉(zhuǎn)子鍛件；缺陷分析；異金屬夾雜；水口冷瘤

某公司生產(chǎn)的電站轉(zhuǎn)子，生產(chǎn)工藝流程為：雙真空熔煉→鍛造→粗車→超聲檢測(cè)→熱處理(性能熱處理)→半精車→超聲檢測(cè)→檢查硬度→理化檢驗(yàn)(包括殘余應(yīng)力)→半精車→熱處理(消應(yīng)處理)。在精加工過程中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子大法蘭端面及外圓出現(xiàn)裂紋缺陷，轉(zhuǎn)子的整體外觀及發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷的位置見圖1。缺陷在轉(zhuǎn)子大法蘭的外圓面上和端面上均肉眼可見，形貌分別見圖2、圖3所示。在圖2中所示位置取橫向低倍試片A、B和圓周方向試片C進(jìn)行缺陷分析。

圖1　轉(zhuǎn)子缺陷所在位置Figure 1　Defect location of rotor

1　理化分析

1.1低倍實(shí)驗(yàn)

將所取的A、B、C試片磨制后進(jìn)行熱酸蝕實(shí)驗(yàn)，各位置的低倍宏觀形貌分別見圖4～圖6所示。對(duì)A試片和B試片依據(jù)GB1979—2000進(jìn)行低倍組織評(píng)級(jí)，評(píng)級(jí)結(jié)果為：一般疏松1.0，中心疏松1.0，錠型偏析1.0，點(diǎn)狀偏析1.0，結(jié)果顯示鍛件質(zhì)量良好。但在試片上缺陷的位置，發(fā)現(xiàn)一個(gè)橫截面形狀近似為“C”形的柱狀異常組織區(qū)域，該缺陷在A試片即大法蘭端面位置混入轉(zhuǎn)子基體的體積和面積最大，在B試片上只剩下一條分界面，已基本被加工掉。由于異常組織位于轉(zhuǎn)子靠近水口端的法蘭處，在被最終發(fā)現(xiàn)之前，已經(jīng)過多道加工工序，因此可以合理的推測(cè)缺陷的原始形狀為“C”形柱狀結(jié)構(gòu)，只是在生產(chǎn)過程中“C”的弓頂被加工掉，而成為我們目前在低倍試片上看到的相互分開的兩部分。大法蘭位置“C”形異常組織的推測(cè)原始形態(tài)見圖7所示。此前肉眼可見的裂紋缺陷均位于異常組織邊緣與基體的分界線上，部分分界線未形成裂紋，局部放大后如圖8所示。

圖2　大法蘭外圓上缺陷Figure 2　Defect appeared on the outside surface of flange

圖3　大法蘭端面上缺陷Figure 3　Defect appeared on the end surface of flange

圖4　A試片低倍形貌Figure 4　Macroscopic appearance of specimen A

圖5　B試片低倍形貌Figure 5　Macroscopic appearance of specimen B

圖6　C試片低倍形貌Figure 6　Macroscopic appearance of specimen C

圖7　大法蘭缺陷的推測(cè)原始形狀Figure 7　The supposed original shape of flange defect

(a)圖4中A1處

(b)圖4中A2處圖8　裂紋局部放大形貌Figure 8　Local magnified appearance of cracks

1.2化學(xué)成分分析

在低倍試樣上的正?；w位置及異常低倍缺陷位置分別取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。從表1可以看出，試樣正?；w位置各元素的含量均符合JB/T1265—2002中對(duì)30Cr1Mo1V的成分要求，化學(xué)成分正常。缺陷位置除C、Cr、Mo元素的含量稍有差別之外，其他元素含量與正常基體并無顯著差別。

1.3斷口分析

在圖4低倍試片中間劃線處沿缺陷背面開槽壓斷口，斷口宏觀形貌見圖9所示，從圖9可以看出，正常處斷口為結(jié)晶狀斷口，缺陷處上有一灰黑色條帶，無金屬光澤，其為被打開的裂紋，裂紋已經(jīng)沿縱向貫穿試片。

1.4電鏡分析

在圖9黑色方框所示位置取樣進(jìn)行電鏡分析，低倍形貌見圖10所示?；液谏珬l帶上鑲嵌著細(xì)小分散的夾雜物，見圖11所示。附近有沿裂紋分布的夾雜物，見圖12所示。正常斷口區(qū)域?yàn)榻饫砗蜏?zhǔn)解理形貌，見圖13所示。

表1　化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1　The tested results of chemical composition (mass fraction, %)

圖9　斷口宏觀形貌Figure 9　Macroscopic fracture appearance

圖 10　灰黑色條帶低倍形貌Figure 10　Macroscopic appearance on grey black strip

圖11　灰黑色條帶上的夾雜物形貌Figure 11　Inclusion appearance on grey black strip

圖12　沿裂紋分布的夾雜物Figure 12　Inclusions distributed along the cracks

1.5金相分析

在低倍缺陷A2處取試樣進(jìn)行金相分析。試樣經(jīng)磨制、拋光后在金相顯微鏡下觀察，裂紋附近存在大量的鏈狀?yuàn)A雜物，如圖14所示。試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，裂紋兩側(cè)無氧化脫碳現(xiàn)象，如圖15所示。正常區(qū)域顯微組織為回火索氏體，晶粒度6級(jí)，組織正常，如圖16所示。

圖13　正常斷口處形貌Figure 13　Normal fracture appearance

(a)

(b)圖14　夾雜物沿裂紋分布Figure 14　Inclusion distributed along the cracks

圖15　裂紋兩側(cè)組織形貌Figure 15　Microstructure on both sides of crack

圖16　正常組織形貌Figure 16　Normal microstructure

2　分析與討論

轉(zhuǎn)子大法蘭處裂紋附近的異常組織在酸浸試片上呈現(xiàn)出與基體不同的色澤，其形狀不規(guī)則但邊緣比較清晰，裂紋兩側(cè)無氧化脫碳現(xiàn)象，可以初步排除該裂紋為鍛造裂紋、夾雜(渣)裂紋或縮管殘余等缺陷。根據(jù)異常組織化學(xué)成分與轉(zhuǎn)子基體的成分相比并無顯著差別，以及異常組織位置Si含量很低的檢測(cè)結(jié)果，可以確定轉(zhuǎn)子大法蘭位置的缺陷非焊補(bǔ)所致。因此，結(jié)合該轉(zhuǎn)子鍛件的實(shí)際生產(chǎn)過程，分析認(rèn)為該轉(zhuǎn)子大法蘭上的異常組織應(yīng)是鋼錠在注錠時(shí)水口冷瘤掉入鋼錠形成的與基體材質(zhì)差別不大的異金屬夾雜缺陷。

鋼錠內(nèi)部存在異金屬夾雜物的原因主要是澆注過程中，外來金屬掉入模內(nèi)，補(bǔ)加的鐵合金(包括鋼包中加入的)不能全部熔化或擴(kuò)散不均勻，或者鋼包水口凝結(jié)的冷瘤掉入模內(nèi)等原因造成的[1]。

采用雙真空生產(chǎn)的鋼錠，在其真空澆注過程中，鋼液從水口噴淋而下，一些鋼液液滴會(huì)順?biāo)趦?nèi)壁流下。此時(shí)如果水口預(yù)熱溫度不夠，或者澆注溫度偏低，就會(huì)導(dǎo)致順?biāo)诹飨碌囊旱稳缍疚蓍芙Y(jié)冰一樣在水口邊沿凝固下來，形成水口冷瘤。當(dāng)冷瘤尺寸逐漸增大，以至于冷瘤與水口之間的結(jié)合力不足以維持冷瘤重力時(shí)便會(huì)掉入模內(nèi)，形成鋼錠內(nèi)的異金屬夾雜。

經(jīng)過爐外精煉的鋼水，盡管潔凈度很高，但殘留在鋼液中的少量夾雜物(脫氧產(chǎn)物和二次氧化產(chǎn)物)在澆注過程中會(huì)沉積在水口內(nèi)壁和冷瘤表面，從而形成在冷瘤表面聚集的夾雜物。當(dāng)冷瘤掉入模內(nèi)形成異金屬夾雜缺陷以后，冷瘤表面的這些夾雜物，以及冷瘤的部分徹底凝固成固體的表面氧化膜，便對(duì)結(jié)瘤與鍛件基體產(chǎn)生阻隔作用，形成難以鍛合的原始界面裂紋。

因此，通過前述綜合實(shí)驗(yàn)和分析可知，轉(zhuǎn)子上所發(fā)現(xiàn)的裂紋缺陷為異金屬夾雜與基體的分界面，異金屬夾雜的界面因附著有脫氧產(chǎn)物、二次氧化產(chǎn)物和氧化膜等，而與基體產(chǎn)生分隔形成界面裂紋。

3　措施

由于異金屬夾雜物破壞了鋼組織的完整性，而且其邊界容易形成難以鍛合的界面裂紋，因此它屬于不允許存在的缺陷，需要采取以下措施盡量避免該缺陷的產(chǎn)生：

(1) 提高澆道管預(yù)熱溫度，做好水口預(yù)熱處理。適當(dāng)提高鋼水澆注溫度，盡量避免水口澆道管形成較大冷瘤。

(2) 隨時(shí)通過窺視孔觀察水口動(dòng)態(tài)，采取有效措施防止水口冷瘤掉入鋼錠。

4　結(jié)論

(1)轉(zhuǎn)子鍛件裂紋缺陷是鋼錠內(nèi)部的異金屬夾雜與基體的分界線。

(2)該異金屬夾雜是真空注錠時(shí)掉入鋼錠內(nèi)部的水口冷瘤。

[1]姜錫山.鋼中非金屬夾雜物[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2011：252-253.

[2]大型鑄鍛件缺陷分析圖譜編委會(huì).大型鑄鍛件缺陷分析圖譜[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1990:64-85.

[3]劉賀, 周巍, 喬堅(jiān)，等. 30Cr1Mo1V高中壓轉(zhuǎn)子缺陷性質(zhì)分析[J]. 大型鑄鍛件, 2015(2):23-25.

[4]牛志峰. 改善高中壓轉(zhuǎn)子因非金屬夾雜致廢的探討[J]. 大型鑄鍛件, 2015(3):29-30.

編輯杜青泉

DefectAnalysisofRotorForgingforPowerStation

MaoKuanliang,LiangYongtao,GuoYasen,LiuTieshan,WanZhongting,SongYahu,ZhaoXueqian

Duringthefinishmachiningprocess,thecracksappearedontheendfaceandtheoutsidesurfaceofflangeofrotorusedforpowerstation.Forthisreason,bymeansofmacroscopicexamination,chemicalcompositionanalysis,fractureanalysis,metallographicexaminationandSEManalysisetc.,acomprehensiveanalysishasbeencarriedoutfordefects.Theresultsshowthattheexposedcrackdefectsofrotoriscausedbythenozzlecloggingwithslaginclusionwhichfellintotheingotduringthepouringprocess.

rotorforging;defectanalysis;dissimilarmetalinclusion;nozzleclogging

2016—04—20

TG316.1+92B