典型Cr5支承輥UT缺陷分析與制造工藝優(yōu)化

袁 川 陳先毅 冉 玲 孫承才

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

目前，Cr5支承輥的生產(chǎn)工藝已比較完善，但工藝過程復雜，影響支承輥鍛件質(zhì)量的因素繁多而且難以控制，很容易產(chǎn)生缺陷而報廢，造成重大經(jīng)濟損失[1]。因此，研究支承輥鍛件中的典型缺陷，分析缺陷產(chǎn)生原因，通過工藝優(yōu)化和質(zhì)量控制使其順利通過超聲檢測，對提高大型軋機制造水平和企業(yè)的經(jīng)濟效益具有重要意義。

1 缺陷支承輥

該支承輥采用真空冶煉和真空澆注的方式生產(chǎn)，鋼錠重93 t。由于輥身直徑達到1600 mm，為打碎鋼錠鑄態(tài)組織、焊合內(nèi)部空隙，同時滿足技術協(xié)議鍛比要求，在120 MN水壓機上采取兩次鐓拔的自由鍛造方式保證鍛件質(zhì)量。后經(jīng)鍛后球化退火熱處理，降低硬度、均勻內(nèi)部組織、改善粗加工車削性能，為初次無損檢測做準備。粗加工后按JB/T 4120進行檢測，發(fā)現(xiàn)輥身近冒口端心部位置存在最大單個缺陷當量?10 mm，缺陷部位顯示無底波。

2 試驗方案

2.1 確定缺陷位置

為了既能探究無損檢測缺陷具體性質(zhì)，又能方便加工取試，在支承輥輥身的最大缺陷處標示位置，對該處過軸心沿徑向套取一根?120 mm×1620 mm的棒料，進一步對試棒做PT檢測，套棒及檢測結果分別如圖1、圖2所示。

圖1 缺陷定位及套棒Figure 1 Defects location and sampling

圖2 試棒PT顯示Figure 2 PT display of specimen

從PT檢測情況可以看出，缺陷由一條裂紋分叉開來，著色印記逐漸淡化消失，且印記對立側無著色顯示，初步證明較大裂紋源應在試棒內(nèi)部。

2.2 取試方案

根據(jù)檢測情況確定了缺陷區(qū)域，將缺陷區(qū)切削加工，獲取一節(jié)缺陷試棒?120 mm×200 mm，編號Q1；同時，在試棒檢測完好區(qū)域，從輥身徑向由外向內(nèi)切削5片?120 mm×25 mm試片，分別編號A1、B1、C1、D1、E1，如圖3所示。

2.3 試驗步驟

(1)將Q1試棒沿裂紋顯示端面切開，找到裂紋源，緊臨裂紋源面切取一片低倍試片。

(2)在斷口切取試片進行掃描電鏡觀察，并磨制高倍試樣。

(3)對A1、B1、C1、D1、E1試片做晶粒度檢驗。

(4)檢驗試樣并得出結果，對缺陷做定性分析。

3 試驗結果與分析

3.1 宏觀端口檢驗結果

對Q1試棒沿外圓裂紋端部切開，恰好暴露裂紋源位置，裂紋源為一處10 mm左右的孔洞，以此為源區(qū)，裂紋面擴展到套料棒表面，見圖4。斷裂面陳舊光滑，存在顯著的高溫痕跡。

圖3 試棒取樣及編號Figure 3 Sampling and numbering of test rods

圖4 斷口及裂紋源形貌Figure 4 Morphology of fracture and crack source

圖5 低倍組織形貌Figure 5 Macrostructure morphology

3.2 低倍檢驗結果

低倍試片經(jīng)50%鹽酸水溶液侵蝕后雙面觀察，低倍面上有孔洞和長短不等的數(shù)條裂紋，且裂紋穿過孔洞，其他完好區(qū)域致密均勻，顯示正常，如圖5所示，可以很明顯地看出低倍面上有疏松、孔洞和裂紋。

3.3 高倍及徑向晶粒度檢驗結果

裂紋區(qū)磨制高倍試樣，未經(jīng)腐蝕觀察，斷口面及斷口附近發(fā)現(xiàn)有較多的密集非金屬夾雜，如圖6所示；經(jīng)過4%硝酸酒精溶液侵蝕后觀察，裂紋周圍組織無變形、無氧化脫碳現(xiàn)象，正常區(qū)組織為球化珠光體組織[2]，如圖7所示。另外，我們將徑向試片A1、B1、C1、D1、E1晶粒度檢驗結果作輔證比對分析，晶粒度檢驗結果如表1所示，從該結果初步判定，輥身組織晶粒度呈現(xiàn)規(guī)律性變化，徑向由外向內(nèi)晶粒更加細化，心部?400 mm范圍略有降低，可以判斷，坯料心部實現(xiàn)了充分壓實，鑄態(tài)組織有效破碎和再結晶，晶粒細致較為均勻。

表1 徑向試樣晶粒度檢驗結果Table 1 Test results of grain size for radial specimens

圖6 非金屬夾雜物形貌Figure 6 Morphology of non-metallic inclusions

圖7 高倍顯微組織Figure 7 Microstructure

圖8 電鏡試樣能譜區(qū)域掃描結果Figure 8 Scanning results of energy regionof electron microscope samples

圖9 高倍試樣能譜面掃描結果Figure 9 Scanning results of macroscopic sample energy spectrum

表2 試樣斷口成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 2 Chemical composition of specimen fracture

3.4 掃描電鏡和能譜分析結果

用掃描電鏡對裂紋源區(qū)斷口試樣進行微觀觀察，觀察位置及結果見圖8及表2。經(jīng)能譜成分分析，夾渣的主要成分為Si、Mn、O，對高倍試樣上的夾渣進行成分分析，成分同樣以Si、Mn、O為主，見圖9。由此可確定裂紋源表面和附近存在大量的Mn和Si的氧化物，即脫氧產(chǎn)物。

4 實驗結果分析

不排除鍛件心部金屬塑流纖維稀疏影響晶粒結晶，對比缺陷區(qū)與周圍正常組織，可以確定缺陷源為非金屬氧化物覆蓋表面的殘余縮孔，殘余縮孔經(jīng)大鍛比鐓拔鍛造，沿周向開裂延展，周圍組織結晶為正常珠光體組織；斷裂面經(jīng)過高溫，形成光滑的表面。

通過比對檢測的缺陷位置與成型工藝尺寸，估算缺陷源位于鋼錠錠身靠近冒口40%位置，可以排除鋼錠頭部軸心縮孔的可能，很有可能為深入鋼錠錠身的二次縮孔，其形成機理是：鋼錠凝固初期和中期，保溫冒鋼水凝固速度比鋼錠本體慢，而在凝固后期，在保溫冒下面區(qū)域鋼錠凝固速度加快并形成致密的“金屬橋”，使鋼錠本體心部凝固收縮得不到冒部鋼水的填充，便產(chǎn)生二次縮孔[3]。

5 工藝優(yōu)化

結合以上試驗分析結果，對大型支承輥的熱加工工藝做以下幾個方面的改進和優(yōu)化：

(1)在大型支承輥的鋼錠冶煉過程中，真空除氣完全，使用適當?shù)陌l(fā)熱劑和絕熱性好的保溫冒，延緩冒口頂部凝固時間，保證鋼液補充，使縮孔集中在冒口區(qū)。優(yōu)化錠模設計，并控制合理的澆注速度和較高的澆注溫度，加強過程管控，嚴防夾雜物污染鑄錠。

(2)鍛造采用新的壓實模式和壓實方法，在鍛造高溫階段，充分實現(xiàn)大型支承輥整體壓實效果(尤其是對輥身芯部的壓實)和多次動態(tài)再結晶，以達到細化晶粒和改善組織均勻性的效果。同時考慮適當調(diào)整壓下量，保證鍛合鍛件內(nèi)部孔洞缺陷的情況下，均衡鍛件內(nèi)部應力。

(3)鍛后熱處理方面開展材料試驗研究，并結合數(shù)值模擬分析，找到更合理的鍛后熱處理工藝模式，使鍛件內(nèi)部質(zhì)量進一步得到改善。

6 結語

鋼錠夾雜物、孔洞偏析等缺陷成為大型鑄鍛件報廢的直接或間接因素，通過采取調(diào)整澆注工藝、優(yōu)化鍛造方案等有效措施，大型支承輥的超聲波檢測質(zhì)量得到明顯改善，材質(zhì)均勻性也得到了顯著提高。