大型船用鍛件水冒口沖擊功偏差問題研究

辛宇

（駐某地代表室，黑龍江 齊齊哈爾 161042）

0 引言

某型大直徑鍛件是船用重要部件，它的質(zhì)量好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的安全性。通過對大直徑鍛件性能沖擊功偏差問題的分析研究，采取改善措施，制造過程工藝得到固化，對同類產(chǎn)品起到了很好的借鑒作用。

1 問題概述

近期的專項(xiàng)船件中，有4支鍛件（中間軸和螺旋槳軸）出現(xiàn)水冒口沖擊功偏差較大的問題。主要表現(xiàn)為水口沖擊功較高，均值在150～180 J的水平，冒口沖擊功相對較低，均值在50～80 J的水平。水冒口沖擊功都滿足沖擊功均值要求，其他性能指標(biāo)也都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。詳細(xì)的性能結(jié)果如表1～表4所示（要求V型沖擊功均值≥25 J）。

表1 3號中間軸（卡號1701152）性能統(tǒng)計(jì)

表2 4號中間軸（卡號1700639）性能統(tǒng)計(jì)

表3 螺旋槳軸（卡號1700884）性能統(tǒng)計(jì)

表4 螺旋槳軸（卡號1701306）性能統(tǒng)計(jì)

2 調(diào)查分析

專項(xiàng)船件中間軸、螺旋槳軸等鍛件的材質(zhì)為34CrMo1，冶煉方法為VD+VT，尺寸和制造工藝也都相似。前期工藝已進(jìn)行大量研究[1-2]，首先從熱處理設(shè)備、裝爐狀態(tài)、微觀組織等方面進(jìn)行，然后對煉鋼過程進(jìn)行調(diào)查分析。

2.1 熱處理過程分析

螺旋槳軸、艉軸和中間軸鍛件調(diào)質(zhì)熱處理采用水淬油冷工藝[3]，以提高心部強(qiáng)度和沖擊韌性。淬火、回火都在井式爐中進(jìn)行。

螺旋槳軸、艉軸和中間軸鍛件淬回火加熱設(shè)備和水冒口位置情況統(tǒng)計(jì)如表5所示，卡號1700884、1700639等4支水冒口沖擊功偏差較大的鍛件所用的加熱設(shè)備并不完全相同，4支鍛件水冒口在爐中的相對位置也不相同?？梢钥闯觯杭訜嵩O(shè)備和鍛件水冒口在爐中的位置與鍛件水冒口沖擊功偏差沒有明顯的相關(guān)性。

表5 螺旋槳軸等鍛件淬回火加熱設(shè)備和水冒口位置情況統(tǒng)計(jì)

2.2 微觀組織分析

1）選取卡號為1700884鍛件的一組沖擊殘樣（水口端取沖擊功為194 J的試樣，冒口端取沖擊功為39 J的試樣），進(jìn)行金相組織分析，如圖1所示。

圖1 螺旋槳軸（170884）水冒口兩端的金相組織

從金相組織結(jié)果可以看到，鍛件在水口端和冒口端組織差異不明顯，都有不同程度的組織偏析，亮區(qū)組織為貝氏體回火組織+少量回火索氏體組織，暗區(qū)組織為回火索氏體組織+極少量貝氏體組織[4]。水口組織無明顯差異。

2）選取卡號為1700639鍛件的一組沖擊殘樣（水口端取沖擊功為196 J的試樣，冒口端取沖擊功為66 J的試樣），做掃描電鏡，進(jìn)行斷口分析，如圖2和圖3所示。

圖2 4號中間軸（1700639）水口端（196 J）沖擊試樣的斷口形貌

圖3 4號中間軸（1700639）冒口端（66 J）沖擊試樣的斷口形貌

宏觀觀察斷口可知，起裂塑性變形區(qū)和兩側(cè)剪切唇塑性變形較大，纖維區(qū)均勻分布著數(shù)量較多且大而深的韌窩，樣品有較大的側(cè)膨脹，表明斷裂過稱中塑性變形吸收較大的沖擊功。觀察起裂區(qū)的顯微形貌，未見冶金缺陷。

宏觀觀察斷口發(fā)現(xiàn)，斷口較為平直，放射區(qū)所占比例較大，呈結(jié)晶狀，起裂塑性變形區(qū)和兩側(cè)剪切唇均相對較小，未發(fā)現(xiàn)有肉眼可見的冶金缺陷。

在掃描電鏡下，斷口起裂塑性變形區(qū)和快速斷裂區(qū)中均未發(fā)現(xiàn)有影響斷口形態(tài)的夾雜物，起裂塑性變形區(qū)內(nèi)斷口形態(tài)呈韌窩狀?？焖贁嗔褏^(qū)斷口形態(tài)呈準(zhǔn)解理狀。

放大2500倍觀察起裂區(qū)形貌，可以觀察到≤10 μm級別的極少量的小顆粒夾雜，應(yīng)用能譜儀對鋼中夾雜物進(jìn)行成分分析，其成分主要以Al、Mg、O為主。

斷口分析結(jié)果表明，鍛件冒口端的小顆粒夾雜相對較多，小尺寸的夾雜物盡管不至于引起早期斷裂，但是其存在削弱了材料的連續(xù)性，最終導(dǎo)致沖擊功出現(xiàn)波動(dòng)。

2.3 沖擊韌性與強(qiáng)度的關(guān)系

鍛件的強(qiáng)度和沖擊韌性性能相互影響[5]，比較分析4支鍛件的水冒口端強(qiáng)度和沖擊功關(guān)系，總體來看冒口端強(qiáng)度比水口端較高。由于鍛件塑韌性與強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，水冒口兩端的強(qiáng)度偏差也在一定程度上加大了沖擊功的偏差。

2.4 成分與強(qiáng)度的關(guān)系

比較分析34CrMo1鍛件水冒口碳當(dāng)量和強(qiáng)度關(guān)系，總體來看，對于大多數(shù)鍛件碳當(dāng)量為0.77～0.84時(shí)，水冒口強(qiáng)度差別不大。但是個(gè)別鍛件的冒口端的碳當(dāng)量容易出現(xiàn)明顯的偏高，而導(dǎo)致強(qiáng)度顯著上升?；蛘咚诙说奶籍?dāng)量容易出現(xiàn)明顯的偏低，而導(dǎo)致強(qiáng)度顯著下降。

分析表明，水冒口的成分偏差增加了制造的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，對于水冒口兩端成分差異較大的鍛件，回火時(shí)需采用分區(qū)控溫的方法，改善鍛件性能一致性。

2.5 熱處理過程和微觀組織分析結(jié)論

綜上所述，4支鍛件冒口沖擊功均值為50～80 J，滿足要求值。目前的冶煉水平下，冒口端存在不超標(biāo)的極少量小顆粒夾雜物，是造成水冒口沖擊功偏差較大的主要原因，鍛件冒口端強(qiáng)度相對偏高也是導(dǎo)致沖擊功偏差較大的原因之一。

2.6 煉鋼過程分析

2.6.1 冶煉調(diào)查結(jié)果

從統(tǒng)計(jì)的4支鍛件的主要冶煉工藝參數(shù)實(shí)際生產(chǎn)執(zhí)行情況看，4支鋼錠的附具準(zhǔn)備、電爐粗煉、真空精煉、真空澆注、鋼錠熱送工作，未發(fā)現(xiàn)有違反工藝項(xiàng)，滿足工藝要求。但對試樣進(jìn)行微觀組織分析表明, 鋼錠的冒口端的純凈度還需要進(jìn)一步提高。今后在產(chǎn)品的冶煉中要穩(wěn)定工藝參數(shù)，提高鋼錠純凈度。

2.6.2 原因分析

鍛件內(nèi)存在的夾雜物有以下2個(gè)來源：1）鋼-渣界面活性元素動(dòng)態(tài)平衡而引入的細(xì)小夾雜。鋼-渣液面附近總會(huì)滯留大量細(xì)小的氧化物，并隨著高溫鋼液的熱對流而彌散于鋼液。這些細(xì)小的氧化物只有聚集長大到一定尺寸，其產(chǎn)生的向上浮力足于抵抗其他合力時(shí)，才會(huì)順利通過鋼-渣界面進(jìn)入爐渣。從整個(gè)過程來看，鋼液中不可避免地存在大量細(xì)小的氧化物，并保持到后續(xù)澆注過程中。另外，加入造渣劑造渣的過程中也會(huì)形成大量細(xì)小的氧化物。2）凝固過程中生成的夾雜。鋼液冷卻和凝固過程中，[O]溶解度隨溫度降低而下降，同時(shí)偏析使得[O]濃度不斷上升，鋼液中活性元素與[O]化學(xué)反應(yīng)平衡向生成氧化物的方向偏移。生成的氧化物在鋼中很難排除，大多會(huì)殘留在樹枝晶間或最后析出于晶界上。鋼錠澆注結(jié)束后，夾雜物沒有完全上浮，殘留在鋼錠中，因在冒口端存在正偏析，出現(xiàn)夾雜物的富集，因此冒口端夾雜物要多于鋼錠其它區(qū)域，最終引起沖擊值差異。

3 分析結(jié)論

1）鍛件出現(xiàn)水冒口沖擊功偏差較大問題的原因是：冒口端存在不超標(biāo)的極少量小顆粒夾雜物；2）鍛件冒口端強(qiáng)度相對偏高也是導(dǎo)致沖擊功偏差較大的另一個(gè)原因；3）鋼液中存在的大量不能聚集長大細(xì)小的氧化物和造渣的過程中形成的大量細(xì)小的氧化物，并保持到后續(xù)澆注過程中，這是鍛件內(nèi)存在細(xì)小夾雜物的來源之一；4）鋼液冷卻和凝固過程中，鋼液中生成的氧化物在鋼中很難排除，大多會(huì)殘留在樹枝晶間或最后析出于晶界上，這是鍛件內(nèi)存在細(xì)小夾雜物的另一個(gè)來源；5）雖然這些細(xì)小夾雜物探傷不超標(biāo)，但對鍛件的沖擊性能也有微小的影響，因此其沖擊功都在50～80 J的水平上，但滿足技術(shù)要求。

4 改善措施

1）針對已完成冶煉、鍛造和鍛后熱處理等工序的鍛件，此類問題改善的措施主要有：根據(jù)調(diào)質(zhì)前取樣分析的水冒口兩端成分結(jié)果，優(yōu)化熱處理參數(shù)，將強(qiáng)度調(diào)整至合適的水平，提高鍛件的韌性。對于水冒口兩端成分差異較大的鍛件，回火時(shí)采用分區(qū)控溫的方法，使鍛件的均勻性、強(qiáng)韌性匹配得到進(jìn)一步改善。

2）減少鋼錠中細(xì)小夾雜物，提高純凈度的改善措施有：降低易偏析元素[P]、[S]含量，精煉出鋼前要求鋼中[P]的質(zhì)量百分比≤0.004%,[S]的質(zhì)量百分比≤0.002%。為避免澆注后期爐渣卷入錠模內(nèi)，澆注采取留鋼操作，鋼水量要至少多出1 t以上。出鋼前軟吹時(shí)間按工藝規(guī)定值的上限執(zhí)行，增加鋼液中懸浮的夾雜物上浮到熔渣中的概率。澆注結(jié)束后幾分鐘內(nèi)投入發(fā)熱劑，延緩冒口鋼液凝固時(shí)間，充分吸附上浮的夾雜物。

5 結(jié)語

船件一直存在塑性難以滿足要求、材料均勻性差、質(zhì)量不穩(wěn)定的問題。本次船件的制造，在前期產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，對化學(xué)成分、熱處理工藝都進(jìn)行了改進(jìn)。從完成的鍛件數(shù)據(jù)來看，產(chǎn)品一次合格率由原來的47%提高到96%，表明鍛件的質(zhì)量穩(wěn)定性有較大的提升。

通過對大直徑鍛件性能沖擊功水冒口偏差問題的分析研究，找到了原因并采取了改善措施，固化了制造過程工藝，保證了產(chǎn)品質(zhì)量,對同類產(chǎn)品起到了很好的借鑒作用。