特大型支承輥超聲檢測(cè)缺陷分析與改進(jìn)

趙 欣 陳先毅 李 勇 羅 靜 蔡 靜 李 彬

(二重(德陽)重型裝備有限公司鑄鍛公司，四川618000)

通過前期的研究工作，確定了特大型支承輥內(nèi)部超聲檢測(cè)缺陷的性質(zhì)：(1)特大型支承輥中的密集缺陷主要是組織和晶粒度不均勻，而組織和晶粒度的不均勻主要是成分偏析造成的。(2)特大型支承輥中的大當(dāng)量缺陷中有一部分是裂紋，而硅酸鹽夾雜物聚集在裂紋源處。在應(yīng)力和夾雜物的共同作用下產(chǎn)生裂紋[1]。針對(duì)缺陷的特點(diǎn)，開展了以下幾個(gè)方面的研究，尋求改善特大型支承輥超聲檢測(cè)缺陷的方法。

1 KD法鍛造

KD鍛造法是采用高溫?cái)U(kuò)散加熱、135°角上下V型寬砧、大壓下量的鍛造法。我公司采用KD法模擬，選用現(xiàn)有砧具為110°夾角、1300 mm上下V型寬砧，其砧寬比W/D=0.5～0.6。單次壓下變形率約為20%，且鋼錠需進(jìn)行一次中間鐓粗。

從模擬的結(jié)果[2]來看，KD法可提高鍛坯表面質(zhì)量，減少鍛件內(nèi)部缺陷和表面開裂情況，較好地控制心部應(yīng)力狀態(tài)及中心變形程度。與WHF法相比，鍛件內(nèi)部缺陷壓實(shí)水平相當(dāng)，但采用KD鍛造法需要更大的壓機(jī)能力。

為了進(jìn)一步證實(shí)以上結(jié)論，我們?cè)诋a(chǎn)品件上進(jìn)行了工藝試驗(yàn)。在承制的一批支承輥中，分別采用KD法和WHF法兩種鍛造工藝生產(chǎn)，該合同共10件，支承輥材質(zhì)為Cr5，采用75 t鋼錠一錠兩件，4件采用KD法，6件采用WHF法。通過對(duì)鍛造過程的跟蹤發(fā)現(xiàn)，采用KD法鍛造的鋼錠表面質(zhì)量要好于WHF法鍛造的鋼錠，但是從檢測(cè)結(jié)果看，兩種鍛造模式的超聲檢測(cè)結(jié)果水平相當(dāng)，WHF法的檢測(cè)結(jié)果還要略優(yōu)于KD法的檢測(cè)結(jié)果。

從模擬實(shí)驗(yàn)和工藝試驗(yàn)對(duì)比得出：KD法對(duì)改善特大型支承輥心部壓實(shí)沒有明顯的優(yōu)勢(shì)，但是KD法可以提高鍛坯表面質(zhì)量，減少鍛件內(nèi)部缺陷和表面開裂。

2 高溫?cái)U(kuò)散實(shí)驗(yàn)

2.1 高溫?cái)U(kuò)散實(shí)驗(yàn)工藝

高溫?cái)U(kuò)散實(shí)驗(yàn)所用材料是在特大型支承輥上套取的中心棒，材質(zhì)為Cr3，熱處理工藝為：鍛后正火→球化→去氫。

將中心棒按照?qǐng)D1所示工藝曲線進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散，擴(kuò)散完成后與在制支承輥隨爐進(jìn)行球化處理。其中試樣A為短棒，高溫保溫2 h，試樣B為長(zhǎng)棒，高溫保溫50 h，高溫?cái)U(kuò)散后試棒形態(tài)如圖2所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 低倍實(shí)驗(yàn)結(jié)果

酸洗后在試樣A上發(fā)現(xiàn)偏析，試樣B上未發(fā)現(xiàn)偏析，如圖3所示。從低倍實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，長(zhǎng)時(shí)間高溫?cái)U(kuò)散對(duì)改善成分偏析是有利的。

圖1 高溫?cái)U(kuò)散工藝曲線Figure 1 Process curve of high temperature diffusion

圖2 高溫?cái)U(kuò)散后試棒形態(tài)Figure 2 Shape of test coupon after high temperature diffusion

基于以上的高溫保溫實(shí)驗(yàn)可以得知，在高溫下盡可能長(zhǎng)時(shí)間保溫，可以有效改善鋼錠內(nèi)部成分偏析，但是要通過增加非?？捎^的保溫時(shí)間達(dá)到比較理想的成分均勻化，勢(shì)必會(huì)增加更多的制造成本。

2.2.2 力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

高溫?cái)U(kuò)散后力學(xué)性能結(jié)果見表1。從表1可以看出，試樣A的強(qiáng)度略高于試樣B，而其沖擊功有明顯的異常，高溫?cái)U(kuò)散時(shí)間短的試樣A沖擊功波動(dòng)性較大，高溫?cái)U(kuò)散時(shí)間長(zhǎng)的試樣B沖擊功波動(dòng)性較小，比較穩(wěn)定。

結(jié)合低倍實(shí)驗(yàn)結(jié)果，初步懷疑試樣A沖擊功異常是由于斷口處于偏析區(qū)造成的。將試樣A沖擊試樣在斷口附近進(jìn)行金相檢測(cè)，如圖4所示。沖擊功為27J的試樣組織不均勻，偏析嚴(yán)重，而沖擊功為100 J的試樣組織均勻，無明顯偏析。說明試樣A沖擊功異常是由于斷口處于偏析區(qū)造成的。

(a)試樣A(b)試樣B

圖3 試樣高溫?cái)U(kuò)散后低倍結(jié)果Figure 3 Macroscopic result of sample after high temperature diffusion

(a)試樣A的KU2為27J的金相組織(b)試樣A的KU2為100J的金相組織

圖4 試樣A金相組織(50×)
Figure 4 Metallographic structure of sample A(50×)

從上述力學(xué)性能數(shù)據(jù)可以看出，高溫?cái)U(kuò)散對(duì)于改善偏析，從而改善特大型支承輥的沖擊韌性是有利的。

(a)試樣A-1斷裂源處(b)試樣A-2裂紋擴(kuò)展區(qū)-準(zhǔn)解理(c)試樣A-2斷裂源處-韌窩(d)試樣A-2裂紋擴(kuò)展區(qū)-準(zhǔn)解理(e)試樣B斷裂源處-韌窩(f)試樣B裂紋擴(kuò)展區(qū)-準(zhǔn)解理

圖5 試樣沖擊斷口形貌Figure 5 The impact fracture morphology of sample

2.2.3 沖擊試樣斷口掃描電鏡結(jié)果

為進(jìn)一步了解偏析對(duì)于特大型支承輥斷口微觀形貌的影響，分別對(duì)試樣A-1、試樣A-2和試樣B沖擊試樣斷口做SEM，斷口微觀形貌見表2和圖5所示。

從上述結(jié)果可以看出，偏析對(duì)于特大型支承輥的斷口微觀形貌影響非常大，特別是在裂紋源處。無偏析的試樣斷口裂紋源處為韌窩斷口，這種斷口不易擴(kuò)展，具有較高的沖擊韌性。

3 結(jié)論

高溫?cái)U(kuò)散對(duì)于改善特大型支承輥的偏析是有效的，由于偏析的存在，在鍛造變形時(shí)會(huì)發(fā)生局部變形不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致內(nèi)部微裂紋的萌生，同時(shí)，在熱處理過程中，偏析的大量存在也會(huì)對(duì)組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生不良的影響，不能得到均勻化的目標(biāo)組織。高溫?cái)U(kuò)散對(duì)偏析的改善有效的減少了以上質(zhì)量問題的發(fā)生。

近三年，通過對(duì)特大型支承輥超聲檢測(cè)缺陷的研究，我們不斷地優(yōu)化各工序的工藝，相對(duì)于初期的制造工藝，已經(jīng)有了較大的變化，通過采用優(yōu)化后的工藝模式，特大型支承輥的內(nèi)部質(zhì)量有了極大的提高，從超聲檢測(cè)結(jié)果來看，改進(jìn)工藝后，支承輥內(nèi)部單個(gè)缺陷最大當(dāng)量顯著降低，材質(zhì)衰減均勻性得到了明顯改善。

[1] 趙欣，門正興，甘紅勝，等. 特大型支承輥UT缺陷分析與工藝優(yōu)化[J]. 大型鑄鍛件，2015(2)：17-19.

[2] 甘紅勝，趙欣，李勇. 高Cr支承輥KD法鍛造工藝模擬研究[J]. 大型鑄鍛件，2016(2)：16-19.

[3] 鐘群鵬，趙子華. 斷口學(xué)[M]. 高等教育出版社，2005：166.

[4] 甘紅勝，趙欣，李勇. Cr5鍛鋼支承輥不同壓下量數(shù)值模擬與分析[J]. 大型鑄鍛件，2015(3)：7-10.