轉(zhuǎn)子表面缺陷分析研究

張海峰 邵奎祥 郭秋娟 張金珠

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

眾所周知，大型鋼錠中不可避免的存在各種偏析，偏析是鋼液選擇結(jié)晶和鋼錠凝固過程的必然結(jié)果，如大型鋼錠中的A型偏析、V型偏析、負(fù)偏析等，這些缺陷在鍛件后續(xù)的生產(chǎn)中無法完全消除，只有盡可能地采取各種手段減輕偏析的程度[1-7]。我公司生產(chǎn)的一支30Cr1Mo1V轉(zhuǎn)子在精加工過程中，因在轉(zhuǎn)子兩端軸頸處發(fā)現(xiàn)有許多條狀缺陷而報(bào)廢。

本文針對(duì)此轉(zhuǎn)子，在實(shí)驗(yàn)室利用低倍試驗(yàn)、掃描電鏡、能譜分析等檢驗(yàn)檢測手段對(duì)缺陷進(jìn)行了研究，確定了缺陷性質(zhì)，找到缺陷產(chǎn)生的原因，為今后轉(zhuǎn)子生產(chǎn)中避免出現(xiàn)此類缺陷而提供依據(jù)。

1 產(chǎn)品基本信息和生產(chǎn)過程

轉(zhuǎn)子軸身最大直徑為?839 mm，長度為4795 mm，交貨重約12.538 t。轉(zhuǎn)子交貨圖如圖1所示。本產(chǎn)品使用93 t鋼錠制造，一錠出兩件，此件為冒口件，三火鍛造而成，鍛造完成后進(jìn)行兩次過冷+一次高溫的鍛后熱處理以細(xì)化晶粒。鍛件性能熱處理工藝為油冷+高溫回火。

2 試驗(yàn)結(jié)果及原因分析

轉(zhuǎn)子因長期放置在室外而整體銹蝕較為嚴(yán)重。對(duì)轉(zhuǎn)子軸頸處外圓表面進(jìn)行車削加工，觀察轉(zhuǎn)子車削過程時(shí)發(fā)現(xiàn)鐵屑延續(xù)很長，沒有頻繁斷屑現(xiàn)象，經(jīng)車削后仔細(xì)觀察其車削外圓表面未發(fā)現(xiàn)有肉眼可見的冶金缺陷。對(duì)經(jīng)車削加工后的表面進(jìn)行了酸洗檢驗(yàn)，在酸洗面上顯示出細(xì)小條帶狀缺陷，見圖2。為了進(jìn)一步確定缺陷的性質(zhì)，在轉(zhuǎn)子缺陷部位取金相試樣在光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡下進(jìn)行檢驗(yàn)，其金相組織見圖3，電子掃描形貌見圖4。應(yīng)用能譜儀對(duì)帶狀偏析區(qū)和基體各進(jìn)行等距離3點(diǎn)成分分析，能譜圖見圖5，能譜成分分析結(jié)果見表1。

圖1 轉(zhuǎn)子交貨圖Figure 1 Rotor delivery diagram

圖2 軸頸部位表面經(jīng)酸洗后缺陷形貌Figure 2 Defect appearance of the neck surface after pickling

由圖3可以看出，帶狀偏析區(qū)內(nèi)、交界處和基體的顯微組織形態(tài)有差異，其中帶狀偏析區(qū)內(nèi)顯微組織為貝氏體回火組織+少量碳化物，且貝氏體回火組織中的碳化物質(zhì)點(diǎn)相對(duì)密集，同時(shí)相間分布有少量的顆粒狀碳化物；從帶狀偏析區(qū)與基體交界處每個(gè)上貝氏體回火組織的條排狀形態(tài)圍成的區(qū)域表明該部位晶粒相對(duì)粗大；基體顯微組織為貝氏體回火組織，未發(fā)現(xiàn)有顆粒狀碳化物。

圖3 顯微組織形貌Figure 3 Microstructure morphology

圖4 顯微組織SEM形貌(3000×)Figure 4 SEM Morphology of microstructure (3000×)

圖5 成分能譜圖Figure 5 Energy spectrum of chemical composition

用能譜儀對(duì)顆粒狀物進(jìn)行微區(qū)成分分析，由圖5及表1可知，這些顆粒狀物為Mo、Cr和V含量較高的合金碳化物，并且C、Si和Mn元素的含量也均高于基體。

表1 顯微組織中偏析區(qū)內(nèi)外成分能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Results of energy spectrum analysis in thesegregation zone in the microstructure (mass fraction, %)

圖6 鋼錠中偏析分布圖Figure 6 Segregation distribution in ingot

大型鋼錠凝固過程中由于鋼液選擇結(jié)晶的緣故，鋼錠不同部位存在不同類型的偏析區(qū)域，具體如圖6所示。本鍛件采用93 t鋼錠鍛造而成，此件為冒口件，其A型偏析區(qū)距離表面約500～600 mm，與轉(zhuǎn)子其他位置相比，軸頸尺寸較小，原鋼錠中的柱狀晶區(qū)材料被機(jī)械加工掉，而原分枝柱狀晶區(qū)的A型偏析很容易在精加工時(shí)暴露出來，以致在軸頸表面有細(xì)小點(diǎn)條狀偏析顯示。

綜上所述，轉(zhuǎn)子精加工表面低倍檢驗(yàn)時(shí)顯示的條帶狀缺陷就是帶狀偏析，根據(jù)其在鋼錠中的位置，可以推斷該帶狀偏析為原鋼錠的A型偏析區(qū)。

3 結(jié)論

通過低倍酸洗檢驗(yàn)、掃描電鏡觀察等檢驗(yàn)結(jié)果，確定了轉(zhuǎn)子精加工時(shí)軸頸表面發(fā)現(xiàn)的細(xì)小條帶狀缺陷為嚴(yán)重帶狀偏析，它位于原鋼錠中A型偏析區(qū)域內(nèi)，在機(jī)加工時(shí)使A型偏析缺陷暴露在轉(zhuǎn)子軸頸表面。

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