控制大型鍛件帶狀組織的研究與實(shí)踐

對(duì)于大型軸類鍛件，為控制橫向與縱向機(jī)械性能基本一致，一般對(duì)帶狀組織要求低于2.0級(jí)。生產(chǎn)過程中由于控制不當(dāng)，造成較多大型鍛件帶狀組織不合格而報(bào)廢。本文就帶狀組織形成原因、工藝過程的控制研究與實(shí)踐進(jìn)行論述。

背景闡述

山東光明工模具制造有限公司是以生產(chǎn)冷軋、熱軋工作輥、中小型支承輥、冷熱作工具鋼的企業(yè)。具有10t中頻爐、30t電弧爐、30tLF爐、30tVD真空室各一臺(tái)、1～30t電渣重熔爐10臺(tái)、800t、1600t、3150t自由鍛造水壓機(jī)各一臺(tái)等熱加工設(shè)備，具有年生產(chǎn)鍛件40000t的生產(chǎn)能力。

冷軋工作輥是黑色與有色冶金行業(yè)的大型工具，屬于細(xì)長軸類鍛件。在軋機(jī)生產(chǎn)線的工作過程中，承受著彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切復(fù)合應(yīng)力聯(lián)合作用。其中輥身工作區(qū)承受著耐磨性與次表層周期剪應(yīng)力的剪切作用。一般冶金企業(yè)以性能價(jià)格比要求軋輥生產(chǎn)廠的產(chǎn)品質(zhì)量。為防止軋輥在使用過程中輥身或輥頸斷裂，在技術(shù)要求中要求帶狀組織級(jí)別按GB/T 18254-2002標(biāo)準(zhǔn)低于2.0級(jí)。因此，在冷軋工作輥的毛坯制造過程中，要對(duì)產(chǎn)生帶狀組織的要素進(jìn)行控制。

實(shí)際生產(chǎn)過程中，一些汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等軸類鍛件，也一樣對(duì)帶狀組織有要求。控制不當(dāng)會(huì)造成整件報(bào)廢，造成生產(chǎn)制造企業(yè)經(jīng)濟(jì)損失。經(jīng)過多年的實(shí)際生產(chǎn)總結(jié)及理論分析，筆者認(rèn)為用以下工藝過程，可以將大型鍛件的帶狀組織控制變?yōu)榭赡堋?/p>

帶狀組織形成原因分析

對(duì)冷軋工作輥、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在鍛后熱處理出爐后、粗加工時(shí)，在輥頸端部三分之一半徑處取縱向試樣，按縱向作金相分析，判定是否符合技術(shù)條件要求。

從金相分析認(rèn)為，帶狀組織的形成原因有以下幾個(gè)因素。

⑴低溫鍛造：一般鍛造工藝規(guī)定，最后一火的輥身鍛造比Y＝1.5。目的是改善鍛造始鍛溫度下被粗化的晶粒度。實(shí)際鍛造過程中，完成輥身鍛造后，再鍛造輥頸，此時(shí)的輥頸溫度已經(jīng)低于鋼種回復(fù)與再結(jié)晶溫度，鍛造變形產(chǎn)生的滑移線得不到回復(fù)而保留下來，輥頸鍛造比大多Y≥6.0。在鍛后熱處理的正火溫度下，無法消除滑移線而形成帶狀組織。

⑵夾雜物。煉鋼的三個(gè)時(shí)期為熔化、氧化、還原?，F(xiàn)代煉鋼一般還原期均在LF爐中進(jìn)行，對(duì)于一般要求的成品鋼水[O]=20～40PPm。由于氧的存在，在LF爐中精煉時(shí)，無論使用高鋁系還是高鈣系還原渣，夾雜物尺寸在φ5μm以下的，無法上浮形成膠體。只有夾雜物尺寸在φ20μm以上的，才具備上浮條件。這些夾雜物在鍛造變形過程中沿滑移線方向分布，就形成了帶狀組織。

夾雜物一般分為不可變形夾雜物和可變形夾雜物。不可變形夾雜物變形性指數(shù)為零（γ=0）。這類夾雜物多為D類的Cao·SiO2類型。這類夾雜物在鍛造變形時(shí)不發(fā)生變形，產(chǎn)生位移后，其沿著鍛造變形方向留下焊合的撕裂帶，形成明顯帶狀組織。

另一類夾雜物為可變形夾雜物，變形性指數(shù)γ≥1.0。此類夾雜物為A類的MnS。其沿著變形方向被拉長，顯微鏡觀察為帶狀組織。

近些年在生產(chǎn)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)新一類夾雜物。在顯微鏡下觀察判斷變形性指數(shù)應(yīng)該在0.2≤γ≤0.6之間。這類夾雜物在電子探針下能譜分析認(rèn)定為：CaO·SiO2·MnO的多分子夾雜物。這類夾雜物在顯微鏡下為細(xì)長條帶，認(rèn)為是促成帶狀組織的成因之一。

⑶碳化物。二次碳化物在鍛后冷卻過程沿纖維方向析出，鍛后熱處理過程無法完全溶解，形成了帶狀組織。

帶狀組織工藝控制

⑴冶煉工藝控制帶狀組織。

1)控制氧含量[O]≤20PPm。從帶狀組織形成因素可以看出，氧化物是帶狀組織的成因。為減少氧化物沿變形方向分布，煉鋼時(shí)應(yīng)盡可能降低成品鋼水中的氧含量。操作上采用多次深脫氧或長效深脫氧劑（如CaSiAlBe）。對(duì)于冷軋工作輥（冷作模具鋼），建議其成品鋼水的[O]≤8PPm。

同時(shí)，根據(jù)技術(shù)要求中對(duì)A、B、C、D四類夾雜物要求的不同，選擇LF爐或電渣重熔時(shí)的渣系。以利于要求嚴(yán)格的鋼水中的夾雜物類型、夾雜物與渣具有良好的浸潤性而被捕捉到、降低夾雜物含量。

2)Mn加入時(shí)機(jī)控制。通過分析帶狀組織成因，MnS與含MnO的鹽類對(duì)帶狀組織的影響不大：因?yàn)楝F(xiàn)代煉鋼LF爐的應(yīng)用，在高溫+還原氣氛+高堿度的冶煉條件下，鋼水中的［S］≤50PPm控制并不困難，MnS的形成量級(jí)不會(huì)很高。

粗煉鋼水兌入LF爐后，有些鋼廠會(huì)在還原初期用Mn鐵作為還原劑，或過早的加入Mn鐵。使未被完全還原的EBT粗煉的、含F(xiàn)eO較高的鋼水被Mn還原，形成MnO。之后與鋼水中的SiO2、CaO形成可以變形的CaO·SiO2·MnO化合物，被拉長后形成帶狀組織。實(shí)踐證實(shí)鋼水溫度升到1650℃以上，渣在對(duì)鋼水還原良好的狀態(tài)下，再加入MnFe合金化，對(duì)控制帶狀組織非常有利。

通過對(duì)MnFe加入時(shí)機(jī)的控制，可同時(shí)減少鍛造并提高終鍛溫度，使原來只有2.5級(jí)的帶狀組織提高到1.5級(jí)。改進(jìn)前后的帶狀組織如圖1所示。

圖1 改進(jìn)前后的帶狀組織

鍛造變形過程中所產(chǎn)生的滑移線，如果不能在變形過程中自動(dòng)回復(fù)與再結(jié)晶，或者在鍛后熱處理過程中消除。在粗加工取樣時(shí)，會(huì)形成由滑移線引起的帶狀組織。

經(jīng)過生產(chǎn)驗(yàn)證，鍛件的成形火次將鍛造比控制在Y=1.3～1.5之間，同時(shí)控制終鍛溫度在回復(fù)再結(jié)晶溫度范圍內(nèi)，產(chǎn)生帶狀組織的程度較輕。

⑵用熱處理控制帶狀組織。

關(guān)于帶狀組織在熱處理原理中的描述——帶狀組織可以用熱處理辦法消除，但并無針對(duì)性的工藝措施，如加熱溫度等參數(shù)。那么一旦鍛后熱處理結(jié)束，取樣發(fā)現(xiàn)帶狀組織不合格時(shí)該如何處理呢？

江蘇南工鍛造廠的34CrMo1A發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與山東光明工模具鋼的5%Cr型冷軋工作輥，在粗加工時(shí)發(fā)現(xiàn)帶狀組織不合格的情況，通過借用契爾諾夫B點(diǎn)分析與應(yīng)用，可以將帶狀組織2.5級(jí)降低到1.5級(jí)。具體工藝如圖2所示。

這種對(duì)已出現(xiàn)的帶狀組織進(jìn)行補(bǔ)救的工藝，雖然有效。但是其增加了生產(chǎn)成本、同時(shí)生產(chǎn)周期延長。因此還是應(yīng)該在冶煉、鍛造工藝過程中控制帶狀組織的發(fā)生。

實(shí)際執(zhí)行控制工藝

⑴冶煉工藝。

表1為5%Cr型冷軋工作輥的電極坯與電渣重熔后的技術(shù)要求（化學(xué)成分）。為完成技術(shù)要求，結(jié)合我公司冶煉設(shè)備進(jìn)行分析：EBT(粗煉鋼水）+LF爐精煉+VD（真空處理）+氬氣保護(hù)（下注）+電渣重熔。

1)粗煉鋼水。

電弧爐：粗煉鋼水時(shí)，配碳量為終點(diǎn)碳量+總脫碳量，一般總脫碳量為0.60%左右。此鋼種的配碳量為0.90%左右，熔化期為全部金屬爐料熔清。這時(shí)取第一個(gè)化學(xué)試樣，作全分析。

氧化期：造高堿度渣，用過管道氧等加氧方式脫P(yáng)。脫P(yáng)應(yīng)在鋼水溫度1600℃以下完成，P≤0.010%后，可以造泡沫渣并升溫。

出鋼條件：溫度1680℃、C為0.25%～0.30%、P≤0.010%。

2)LF爐精煉控制Mn工藝要點(diǎn)。

造高Al2O3渣，添加50%的CaO+38%Al2O3，總渣量約15kg/t鋼，成渣后形成熔點(diǎn)較低的(CaO)12.(Al2O3)7。這種渣對(duì)B、C、D三類夾雜物均有較好的浸潤性，有利于對(duì)鋼水中夾雜物進(jìn)行捕捉，凈化鋼水。

當(dāng)鋼水溫度升高到1650℃，取樣作全分析。按分析結(jié)果進(jìn)行合金化操作。合金加入次序?yàn)椋篘i→Mo→Si→Cr，MnFe在渣完全進(jìn)入還原狀態(tài)后加入，控制MnS、MnO的形成數(shù)量。

此后的操作正常進(jìn)行，這里不再贅述。

圖2 契爾諾夫B點(diǎn)減輕帶狀組織分析

表15 %Cr型冷軋工作輥的電極坯與電渣重熔后的技術(shù)要求（化學(xué)成分）

圖3 鍛造工藝控制帶狀組織

⑵鍛造工藝控制實(shí)例。

1)鍛造比：鍛件在出成品火次后，使輥身、兩端輥頸預(yù)留鍛比Y=1.3。此鍛造比既可以破碎始鍛溫度下的粗大晶粒，也控制了大變形造成的滑移線嚴(yán)重，但對(duì)于回復(fù)及再結(jié)晶不利而留下帶狀組織。

2)終鍛溫度：在預(yù)留鍛比Y=1.3的條件下，可以在回復(fù)與再結(jié)晶溫度范圍內(nèi)完成成形鍛造，使較輕滑移線得到回復(fù)、減輕帶狀組織。具體鍛造工藝如圖3所示。

結(jié)束語

本文分析了大型鍛件的帶狀組織的形成原因；提出了帶狀組織的控制思路；并在實(shí)際生產(chǎn)工藝執(zhí)行后，取得了滿足技術(shù)要求的結(jié)果。