大型鋼錠模失效原因分析

黃 飛,薛小麗

上海電氣核電集團有限公司 上海 201306

1 研究背景

重機廠主要生產(chǎn)和制造大型鍛件,產(chǎn)品一般用于制造國家重大裝備的關(guān)鍵核心部件,是大型船舶、大型發(fā)電設備、石油化工和航空航天等行業(yè)的基礎[1]。

大型鍛件主要由大型鋼錠鍛壓生產(chǎn),鋼錠模作為生產(chǎn)鋼錠的基礎設備,其使用情況直接影響鋼錠的質(zhì)量與生產(chǎn)成本。

目前國內(nèi)對大型鋼錠模失效情況的探討仍然較少,筆者通過參考現(xiàn)行鋼錠模失效理論的研究情況,結(jié)合國內(nèi)某大型重機廠對170 t鋼錠模失效分析的實踐結(jié)果,對大型鋼錠模的材質(zhì)選用、失效形式,以及失效的發(fā)生過程與影響因素等進行介紹與分析。

2 大型鋼錠模材質(zhì)選用

大型鋼錠模材質(zhì)的選用要考慮其使用的環(huán)境,大型鋼錠一般采用真空澆鑄工藝,鋼水的澆鑄溫度較高,通常在1 550 ℃以上,鋼錠模的表面會很快產(chǎn)生一層氧化亞鐵(FeO)膜。與連鑄鋼錠相比,由于大型鋼錠的直徑大,凝固時間長,高溫鋼水在錠模內(nèi)的時間較長,鋼錠模需承受激冷激熱的溫度變化。脫模時,由于鋼錠本身的質(zhì)量大,在行車起吊時,對鋼錠模會產(chǎn)生強大的機械沖擊力,因此,鋼錠模材質(zhì)需要具有良好的抗氧化能力、良好的導熱性、抗沖擊性以及在高溫狀態(tài)下良好的抗熱疲勞與裂紋的能力[2-3]。

國內(nèi)外的生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)過長期的實踐與探索,目前適合用于鋼錠模的材質(zhì)主要有灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵和球墨鑄鐵三種。根據(jù)實際使用情況來看[4-6],球墨鑄鐵的抗氧化能力、抗沖擊性和高溫強度最好,但導熱性能較差、散熱慢,容易進入塑變區(qū)而在高溫鋼水壓力下使鋼錠模變形而造成脫模困難;灰鑄鐵的抗氧化能力、高溫強度較差,使用次數(shù)較短,但導熱性能最好,鋼錠模不易變形;蠕墨鑄鐵的性能介于球墨鑄鐵和灰鑄鐵之間,是較為理想的鋼錠模材料,但現(xiàn)行工藝對石墨蠕化率控制不佳,鋼錠模在超過1 400 ℃的高溫狀態(tài)下容易產(chǎn)生彎曲變形。

從以上的分析可知,球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵材質(zhì)適合應用于中小型鋼錠模,而大型鋼錠模周轉(zhuǎn)使用率較低,需要更多地考慮其導熱性。因此,大型鋼錠模材質(zhì)適合采用灰鑄鐵,國內(nèi)的大型重機廠,如一重、二重、上重和中信重工等企業(yè)的鋼錠模,均采用灰鑄鐵材質(zhì)。

3 大型鋼錠模失效過程與影響因素分析

3.1 大型鋼錠模失效過程

大型鋼錠模在使用后失效的形式主要是縱裂和內(nèi)表面的龜裂[7],如圖1、圖2所示,下面結(jié)合灰鑄鐵在熱循環(huán)過程中組織和成分的變化,結(jié)合鋼錠模的實際使用環(huán)境,探討大型鋼錠模的失效過程與原因。

圖1 鋼錠?？v裂紋

灰鑄鐵主要由基體(鐵素體、珠光體)、片狀石墨和晶界共晶物組成,基于強度和硬度因素的考慮,大型鋼錠模材質(zhì)目前為珠光體基體灰鑄鐵或珠光體-灰鑄鐵混合基體灰鑄鐵[8]。蔣明遼[9]等發(fā)現(xiàn)鋼錠模在激冷激熱交替循環(huán)使用中,鋼錠模的組織會發(fā)生轉(zhuǎn)變,在鋼錠模的同一橫截面上,由于溫度梯度的存在,會同時存在鐵素體、奧氏體和珠光體組織。由于這三者的密度和體積不同,在鋼錠模的內(nèi)外壁上會存在很大的組織應力和熱應力,隨著應力的累積,當數(shù)值超過鋼錠模的強度極限時,鋼錠模就會產(chǎn)生裂紋。蘭鵬等[10-11]發(fā)現(xiàn)在鋼錠模奧氏體-鐵素體、奧氏體-珠光體的轉(zhuǎn)變過程中,在片狀石墨周圍會逐步形成微觀孔洞,在澆鑄過程中,鋼水中的氧會沿著微觀孔洞與鑄鐵本身及石墨發(fā)生反應,使鋼錠模內(nèi)壁成為疏松的材質(zhì),形成龜裂。

圖2 鋼錠模龜裂

李戩等[12-13]進一步闡明了鋼錠模龜裂失效的過程。鋼錠模在冷熱循環(huán)使用過程中,鋼水中的氧與鋼錠模內(nèi)壁的鑄鐵基體發(fā)生反應生成氧化膜,氧元素通過氧化膜與鋼錠模的內(nèi)部鑄鐵基體反應生成金屬氧化物,由于氧化物的體積要大于鑄鐵基體本身,所以鋼錠模內(nèi)部組織發(fā)生不可逆的體積膨脹,這個過程也叫鑄鐵生長現(xiàn)象。隨著使用次數(shù)的增加,飽和的氧會與鑄鐵中的片狀石墨發(fā)生反應生成氣體,隨著氣體的逸出,片狀石墨逐步消失生成微觀孔洞。由于應力集中效應,加上鑄鐵基體與片狀石墨的結(jié)合力也比較弱,其以如圖3所示的方式一或方式二發(fā)生斷裂,而石墨在鑄鐵基體中的分布比較散,所以微觀孔洞的分布面積也較廣,這就是龜裂成蛛網(wǎng)狀的原因。再繼續(xù)使用,龜裂部位會慢慢剝落,最終形成凹坑而報廢。

圖3 片狀石墨在金屬基體中斷裂方式

對于大型鋼錠模在使用過程中,縱裂紋基本發(fā)生在鋼錠模的上半部分[14]。由于鋼錠的質(zhì)量大、澆鑄時間長,鋼錠模的下部先在鋼水的作用下加熱至較高溫度,而鋼錠模的上部仍然處于相對低的溫度,這樣就產(chǎn)生了溫差,鋼錠模的上部產(chǎn)生拉應力,下部產(chǎn)生壓應力,且大型鋼錠模的壁厚通常在300 mm以上,鋼錠模內(nèi)外部溫度的傳導需要較長時間,鋼錠模內(nèi)壁受熱膨脹產(chǎn)生壓應力,外壁產(chǎn)生拉應力。這樣,鋼錠模上部受拉應力最大,如前文所述,片狀石墨與鑄鐵基體的結(jié)合能力較弱,在拉應力的作用下,片狀石墨的尖角部位由于應力集中效應,產(chǎn)生顯微裂紋。鋼錠模在多次使用后,顯微裂紋逐步累積擴展延長,在宏觀上表現(xiàn)為縱裂紋[15-16]。

3.2 大型鋼錠模使用壽命影響因素

根據(jù)前述鋼錠模的失效理論分析,灰鑄鐵對微觀裂紋產(chǎn)生和發(fā)展的阻礙能力越大,其使用壽命也越長。相關(guān)的研究表明[17-18],珠光體組織的抗拉強度及對裂紋的阻礙作用要優(yōu)于鐵素體,所以要提高灰鑄鐵鋼錠模的使用壽命,一是要提高珠光體在鑄鐵原始組織中的含量,二是要提高珠光體在高溫下的穩(wěn)定性。實際生產(chǎn)中,鋼錠模的外形設計、使用環(huán)境和材質(zhì)都對其使用壽命產(chǎn)生影響,但灰鑄鐵化學成分的含量是最直接的因素[19],筆者在化學成分方面對灰鑄鐵鋼錠模性能的影響作簡單介紹。

3.2.1 碳當量(CE)

CE對灰鑄鐵性能影響表現(xiàn)在兩個方面:① CE對鑄鐵材質(zhì)性能產(chǎn)生直接影響,齊笑冰等[20]的研究表明隨著CE的提高,鑄鐵基體中的石墨數(shù)量增多,對基體產(chǎn)生割裂作用,使鑄鐵材質(zhì)的彈性模量、抗拉強度和硬度均呈下降趨勢;② CE直接影響鐵水的流動性和凝固速率,較低的CE會降低鐵水的凝固速率,增加鑄鐵形成集中縮孔的傾向,使鋼錠模在凝固過程中產(chǎn)生較大的縮松應力,進而影響其性能[21]。因此,對鋼錠模鑄鐵材質(zhì)的選擇需要根據(jù)各廠的實際情況綜合考慮。

3.2.2 硅及硅碳比(Si/C)

硅(Si)是灰鑄鐵的合金元素之一,其能促進鑄鐵的石墨化,但當Si含量在2%以上時,其會急劇降低鑄鐵的導熱性能,對于大型鋼錠模的使用非常不利[22]。另外相關(guān)的研究表明CE范圍在3.55%～3.65%時,硅碳比(Si/C)對材質(zhì)的力學性能影響較大,隨著Si/C的提高,材質(zhì)的抗拉強度隨之提高,在Si/C為0.57時,材質(zhì)將得到不低于300 MPa的抗拉強度,而CE范圍在3.75%～3.85%時,Si/C對材質(zhì)的力學性能沒有明顯影響。所以在較低的CE時,高Si/C比是提高灰鑄鐵力學性能的有效途徑,但是Si的含量應控制在一個合理的范圍,以免影響材質(zhì)的到導熱性。

3.2.3 錳(Mn)及硅錳比(Si/Mn)

相關(guān)的研究表明,Mn在鑄鐵基體中能細化珠光體,沈定釗等[23]經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn),低硅高錳是獲得在高溫下穩(wěn)定的珠光體的必要條件,珠光體的含量越高,高溫下越穩(wěn)定,裂紋擴展的速度就越慢,鋼錠模的使用壽命就越高,所以應該適當提高錳的含量。

4 大型鋼錠模失效分析實踐

4.1 鋼錠模失效分析方案制訂

通過以上灰鑄鐵鋼錠模失效過程的分析,可知灰鑄鐵鋼錠模在循壞使用后,基體中的石墨周圍會慢慢氧化形成微觀孔洞,使石墨與基體的結(jié)合變得脆弱,從而以如圖3所示的形式發(fā)生斷裂產(chǎn)生微觀裂紋。隨著使用次數(shù)的增加,微觀裂紋最終累積形成宏觀裂紋,造成鋼錠模的報廢。根據(jù)以上分析,失效鋼錠模的組織、化學成分與新鋼錠模的組織、化學成分會有較大變化,下面對國內(nèi)某大型重機廠使用21次170 t失效鋼錠模進行組織、化學成分變化的分析,取樣情況如圖4所示。

圖4 失效錠模取樣位置

取樣部位位于該170 t鋼錠模上半部分,模厚為3 700 mm,在失效鋼錠模上取四個試樣,試樣1取離鋼錠模內(nèi)壁龜裂20 mm處,試樣2取鋼錠模中部離斷裂面20 mm處,試樣3取鋼錠模中部與鋼錠模內(nèi)外壁平行處,試樣4取離鋼錠模外壁20 mm處。為了對比,對隨鋼錠模附帶的試塊稱標樣。對標樣及試樣1、試樣2、試樣3、試樣4做化學成分和金相分析。

4.2 試樣化學成分

某重機廠對上述所取的試樣及標樣做化學成分分析,分析結(jié)果見表1。

表1 化學成分分析

從表1的分析結(jié)果我們可以看到,試樣的C、Si、Mn較標樣均呈下降趨勢,龜裂處和斷裂面的C、Si、Mn下降最多,特別是龜裂處,C下降0.81%,下降率為21.5%;Si下降0.35%,下降率為31.5%;Mn下降0.23%,下降率為31.9%。相關(guān)的研究表明[24],硅含量的降低使鑄鐵的相變溫度也相應降低,相變后,鑄鐵的體積膨脹率約為相變前的三倍,這樣使鋼錠模受到的相變組織應力激增;隨著鋼錠模使用次數(shù)的增加,內(nèi)壁硅含量持續(xù)減少,以上過程不斷重復,最終導致內(nèi)壁出現(xiàn)龜裂而失效。本次試樣化學成分分析的結(jié)果也驗證了這點。

4.3 試樣金相組織

某重機廠對上述所取的試樣及標樣進行了金相組織分析,分析結(jié)果如圖5～圖9所示。

圖5 室溫下標樣金相組織

圖6 室溫下試樣1金相組織

圖7 室溫下試樣2金相組織

圖8 室溫下試樣3金相組織

圖9 室溫下試樣4金相組織

從試樣的金相組織圖可知,標樣(鋼錠模原始組織)石墨為A型片狀石墨,基本沿晶界均勻分布于基體組織中,珠光體含量占組織的65%以上;試樣1(鋼錠模內(nèi)壁龜裂處)石墨氧化嚴重,片狀石墨周圍出現(xiàn)大量的微觀孔洞,鑄鐵組織的石墨呈全面氧化狀態(tài),珠光體基本分解完畢,含量不足組織的15%;試樣2(鋼錠?？v裂斷面處)石墨氧化嚴重,氧化主要沿片狀石墨周圍發(fā)散,晶界處明顯被破壞,珠光體分解明顯,含量約占組織的30%;試樣3(鋼錠模中部橫截面)和試樣4(鋼錠模離外壁20 mm處)的金相組織較完整,石墨氧化情況較輕,珠光體含量稍有下降,約占組織的55%左右。金相組織分析的結(jié)果也印證了前述鋼錠模失效過程理論。

5 結(jié)論

通過對大型鋼錠模失效過程的理論分析,結(jié)合某重機廠對使用21次170 t失效鋼錠?；瘜W成分、金相組織的分析結(jié)果,可以得出以下結(jié)論。

(1)鋼錠模在失效后,材質(zhì)從內(nèi)壁至外壁其主要成分C、Si、Mn的含量較原始成分含量均有下降,其中龜裂處和縱裂面處成分含量下降最明顯。

(2)鋼錠模內(nèi)壁龜裂處組織石墨呈全面氧化的狀態(tài),珠光體幾乎全部分解,片狀石墨周圍密集分布微觀孔洞,呈羽化形態(tài)。

(3)鋼錠模的縱裂面處片狀石墨周圍微觀孔洞明顯,晶界處被明顯破壞,珠光體分解嚴重。

(4)鋼錠模中部和錠模外壁化學成分呈一定程度的下降,基體組織基本完好,珠光體含量略有下降。