S48C環(huán)件探傷不合原因分析及工藝改進(jìn)

寇雨成,毛鳴,汪敏,張如敏

(馬鋼股份公司 安徽馬鞍山 243000)

環(huán)件產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于冶金機(jī)械、工程機(jī)械、風(fēng)力發(fā)電、高鐵等產(chǎn)業(yè),它主要用于支撐傳動(dòng)零部件,由于作業(yè)環(huán)境惡劣,需經(jīng)受頻繁的起制動(dòng)、徑向和軸向均需要接受沖擊載荷,所以不僅要求環(huán)件用鋼具有高強(qiáng)度、高韌性,而且需要具備良好的抗疲勞性能[1]。為了避免在使用過程中出現(xiàn)開裂而造成安全生產(chǎn)事故,采用超聲波探傷檢驗(yàn)已成為環(huán)件及其鋼坯質(zhì)量的檢測(cè)手段之一[2-5]。國(guó)內(nèi)某鋼廠采用鐵水(高爐)—電爐冶煉—LF爐精煉—RH 真空脫氣—圓坯連鑄機(jī)工藝流程生產(chǎn)S48C 環(huán)件用鋼坯,生產(chǎn)初期曾因鋼中氫含量高而產(chǎn)生白點(diǎn)缺陷會(huì)使S48C超聲波探傷不合[1],在RH 真空脫氣氫含量進(jìn)一步降低后,機(jī)械性能及其穩(wěn)定性、末端淬透性帶寬、晶粒度等關(guān)鍵指標(biāo)均領(lǐng)先于同行業(yè),但超聲波探傷不合的現(xiàn)象還時(shí)有發(fā)生,因此,搞清楚這次S48C環(huán)件超聲波探傷不合的原因及提出工藝改進(jìn)措施,迫切而重要。

1 S48C環(huán)件超聲波探傷不合原因分析

針對(duì)S48C環(huán)件探傷不合的批次,從中選擇一塊總高度約535 mm、厚度約172 mm 的環(huán)件,采用超聲波探傷定位取樣,探傷定位取樣位置和探傷缺陷分析試樣如圖1所示。分別在1#-6#位置取試樣進(jìn)行金相和掃描電鏡檢測(cè)分析,以1號(hào)試樣和3號(hào)試樣為例,其檢測(cè)分析結(jié)果如圖2-圖5所示。由圖2和圖3可知,1號(hào)和3號(hào)試樣位置均發(fā)現(xiàn)不規(guī)則夾雜缺陷,缺陷周圍組織正常,缺陷長(zhǎng)度分別為167μm 和224μm,寬度分別57μm 和87 μm。由圖4和圖5可知,1號(hào)和3號(hào)試樣夾雜為Al-Mg-O 類等非金屬夾雜物,由此說明夾雜物可能是造成超聲波探傷不合的原因。

圖1 探傷缺陷分析試樣及探傷定位取樣位置圖

圖2 1號(hào)和3號(hào)試樣孔洞缺陷形貌

圖3 1號(hào)和3號(hào)試樣孔洞缺陷附近微觀組織形貌

圖4 1號(hào)試樣孔洞缺陷掃描電鏡分析結(jié)果

圖5 3號(hào)試樣孔洞缺陷掃描分析

2 現(xiàn)場(chǎng)工藝改進(jìn)和效果分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)工藝改進(jìn)方案

針對(duì)上述問題,調(diào)研了國(guó)內(nèi)相關(guān)先進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)S48C用鋼坯連鑄圓坯工藝,LF 爐均采用Ca處理工藝。因此,本次現(xiàn)場(chǎng)工藝改進(jìn)試驗(yàn)方案,設(shè)置Ca處理和對(duì)照組非Ca處理工藝方案,如表1 所示?，F(xiàn)場(chǎng)跟蹤這三個(gè)試驗(yàn)爐次整個(gè)生產(chǎn)過程,基本正常,重點(diǎn)關(guān)注水口結(jié)瘤情況,也就是對(duì)比澆注過程塞棒位置和結(jié)晶器液面波動(dòng)曲線,如圖6所示。由該圖可知,采用優(yōu)化后兩種工藝方案,塞棒曲線及液面波動(dòng)改善明顯。

表1 現(xiàn)場(chǎng)工藝改進(jìn)試驗(yàn)方案

圖6 兩輪試驗(yàn)澆注曲線

2.2 研究方法和試驗(yàn)效果分析

采用高倍光學(xué)顯微鏡對(duì)三種試驗(yàn)工藝方案進(jìn)行夾雜物評(píng)級(jí),采用Aspex檢驗(yàn)[6]對(duì)夾雜物粒徑和成分分析以及整根鍛坯進(jìn)行水浸探傷,研究方法如表2所示。

表2 研究方法

2.2.1 非金屬夾雜物評(píng)級(jí)

對(duì)三種方案取非金屬夾雜物分析,結(jié)果如表3所示,由表3可知,方案二LF爐Ca處理工藝非金屬夾雜物最好,尤其是Ds類非金屬夾雜物均為0級(jí),其他方案次之。

表3 非金屬夾雜物評(píng)級(jí)

2.2.2 非金屬夾雜物Aspex分析

三種試驗(yàn)方案的非金屬夾雜物Aspex分析結(jié)果如圖7所示。從三元相圖來看,方案二和方案三兩種工藝的非金屬夾雜物均較未Ca處理工藝非金屬夾雜物更向低熔點(diǎn)區(qū)聚集,在高溫鋼水中,低熔點(diǎn)的夾雜物成更易聚集上浮去除,以及從夾雜物變性效果來看,方案二更加。

圖7 試樣中典型夾雜物三元相圖

統(tǒng)計(jì)試樣中當(dāng)量直徑d＞1 um 夾雜物數(shù)量以及富Mg的夾雜物(Aspex識(shí)別含有Spinel類型的夾雜物)數(shù)量百分比,如圖8所示。雖然方案二非金屬夾雜物數(shù)量最多,是方案一、三的兩倍,但方案二的夾雜物中富Mg非金屬夾雜物數(shù)量百分比最少,方案二降低了富Mg非金屬夾雜物的含量,從而有效控制了富Mg長(zhǎng)條狀非金屬夾雜物的來源。

圖8 試樣中夾雜物含量及富Mg夾雜物數(shù)量百分比

統(tǒng)計(jì)試樣中夾雜物當(dāng)量直徑分布,如圖9 所示,方案二的試樣中單大尺寸非金屬夾雜物最少。因此,從控制大型非金屬夾雜物及富Mg長(zhǎng)條狀非金屬夾雜物方面考慮,方案二更佳。

圖9 試樣中夾雜物當(dāng)量直徑分布

2.2.3 水浸探傷分析

對(duì)三種方案工藝生產(chǎn)的圓坯經(jīng)鍛造后取樣進(jìn)行水浸探傷,結(jié)果如圖10所示?？梢?兩種Ca處理工藝水浸探傷均未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷,未Ca處理的發(fā)現(xiàn)一處當(dāng)量為φ0.5 mm 的缺陷,距離表面23 mm,但也符合客戶對(duì)單個(gè)缺陷當(dāng)量的要求(客戶要求單個(gè)缺陷≤0.8 mm)。由于缺陷較小,采用金相法未能找到該缺陷。

圖10 三種試驗(yàn)方案的水浸探傷結(jié)果

3 結(jié)論

1)通過超聲波探傷典型缺陷進(jìn)行金相和掃描電鏡分析,發(fā)現(xiàn)S48C環(huán)件的探傷不合主要原因是存在長(zhǎng)條狀A(yù)l-Mg類非金屬夾雜物。

2)通過現(xiàn)場(chǎng)工藝改進(jìn)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)提出的三種方案(非Ca處理和Ca處理工藝)純凈度均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,其中,方案二(Ca 處理工藝,喂Ca 線0.5 m/t鋼)可有效改善S48C環(huán)件用鋼夾雜物評(píng)級(jí)和減少長(zhǎng)條狀A(yù)l-Mg類非金屬夾雜物,可澆性良好,未發(fā)現(xiàn)有宏觀缺陷。

3)通過工藝改進(jìn)后,S48C環(huán)件客戶后續(xù)未反饋超聲波探傷不合問題,進(jìn)一步說明了改進(jìn)效果顯著。