乙繼海 邵奎祥 劉 麗 喬 堅(jiān)

(1.中國(guó)第一重型機(jī)械股份公司鑄鍛鋼事業(yè)部，黑龍江161042；2.天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

我公司生產(chǎn)的4 300 mm軋機(jī)用大型支承輥鍛坯，在鍛后熱處理后機(jī)加工前發(fā)現(xiàn)其冒口端輥頸端面中心和距中心65 mm處各有一條裂紋狀缺陷，其中距中心65 mm處相對(duì)較大的一條裂紋狀缺陷探傷檢查其縱向長(zhǎng)度約為2 500 mm。為了解支承輥鍛坯輥頸端面裂紋狀缺陷性質(zhì)和產(chǎn)生的原因，對(duì)該支承輥解剖取樣并進(jìn)行理化分析。

1 4 300 mm軋機(jī)用支承輥鍛坯基本情況

該支承輥鍛坯實(shí)物照片見(jiàn)圖1，材質(zhì)為YB-50，鋼錠重360 t，其實(shí)際生產(chǎn)工序?yàn)椋弘姞t粗煉鋼水→鋼包精煉(真空除氣)→真空鑄錠→鍛前加熱→水壓機(jī)鍛造(切除冒口和鍛壓成型)→鍛后熱處理(正火加球化退火、回火)→粗加工→超聲波探傷。在輥坯粗加工前，發(fā)現(xiàn)冒口端輥頸端面存在兩條裂紋狀缺陷。一條位于端面中心，尺寸較小，長(zhǎng)約97 mm；另一條距中心65 mm處，，呈彎曲狀，尺寸較大，長(zhǎng)約450 mm。經(jīng)超聲波探傷檢查尺寸較大缺陷縱向長(zhǎng)度約為2 500 mm，缺陷在各部位粗細(xì)程度(張口寬度或在空間走向連續(xù)性)不一致，其粗細(xì)部位的分布較為雜亂。

圖1 支承輥鍛坯實(shí)物形貌Figure 1 The actual appearance of backup roll forged blank

2 試樣分析

2.1 截取試樣

首先對(duì)支承輥鍛坯進(jìn)行冒口端輥頸根部橫向鋸切→立車(chē)加工成?940 mm圓坯→在距冒口端面100 mm處橫向鋸切?940 mm×40 mm試片→繼續(xù)鋸切取?940 mm×180 mm×35 mm的條形試料。對(duì)條形試料進(jìn)行低倍酸洗檢驗(yàn)后，將其解剖切取化學(xué)分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、高倍金相檢驗(yàn)與電鏡檢測(cè)分析等試樣。

2.2 理化檢測(cè)分析

2.2.1 低倍檢驗(yàn)

由于裂紋狀缺陷穿過(guò)切取的?940 mm×180 mm×35 mm試樣，且數(shù)量較輥頸端面多，所以該樣切取時(shí)就分裂為幾塊。取其中一塊帶有宏觀裂紋斷口面及鋸切面中裂紋形貌的試片，見(jiàn)圖2。圖中所示其上表面和左側(cè)表面均為裂紋狀缺陷斷口，由于嚴(yán)重氧化呈黑蘭色，斷口表面呈平緩起伏，沒(méi)有放射狀臺(tái)階花樣。將試片進(jìn)行酸洗檢驗(yàn)，用肉眼觀察可見(jiàn)在該檢驗(yàn)面上有兩條尺寸較大的裂紋狀缺陷，以及疏松和偏析缺陷，裂紋狀缺陷周?chē)杷商貏e多，見(jiàn)圖3。在體視顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，大尺寸裂紋狀缺陷周?chē)忻芗男〕叽缌鸭y狀缺陷(龜裂)，見(jiàn)圖4。

2.2.2 化學(xué)成分分析

圖2 橫向試片斷口及鋸切面中裂紋形貌Figure 2 Crack appearance on transversal test piece fracture and saw cutting plane

從試片中心到輥頸表面等距離取樣，分別編號(hào)為1～6，進(jìn)行化學(xué)分析，其結(jié)果見(jiàn)表1。

圖3 橫向試片低倍酸洗形貌Figure 3 The macroscopic appearance of transversal test piece pickling

圖4 輥坯大裂紋狀缺陷周?chē)奈⒘鸭y狀缺陷Figure 4 Microcrack defects around roller large crack defect

表1 取樣部位中心到輥頸表面等距離處化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)Table 1 Chemical composition at the same distance from sampling location center to roll neck surface (mass fraction，%)

2.2.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

表2 各取樣部位力學(xué)性能檢驗(yàn)值Table 2 Mechanical property test values on various sampling position

2.2.4 高倍金相檢驗(yàn)

從試片中心到表面等距離切取編號(hào)為1～6的樣品進(jìn)行非金屬夾雜物、金相組織和裂紋狀缺陷高倍特征檢驗(yàn)，其中各處非金屬夾雜物級(jí)別均較低，表明其鋼中純凈度尚可。

輥內(nèi)各處顯微組織均為球狀顆粒狀珠光體+少量碳化物，見(jiàn)圖5。經(jīng)檢驗(yàn)，各處晶粒均較細(xì)，晶粒度級(jí)別均在7.5級(jí)～8級(jí)之間。1～3號(hào)樣可見(jiàn)有顯微空隙缺陷，表明鍛坯雖經(jīng)鍛造，但其鍛比較低，不足以將其鍛合。

在細(xì)裂紋狀缺陷處取樣進(jìn)行金相高倍檢驗(yàn)。拋光后未浸蝕觀察可見(jiàn)細(xì)紋缺陷側(cè)區(qū)域密集分布有高溫氧化生成物，見(jiàn)圖6。將樣品用4%的硝酸酒精溶液浸蝕后觀察，可見(jiàn)細(xì)紋邊緣脫碳現(xiàn)象較為嚴(yán)重，見(jiàn)圖7。

2.2.5 斷口電鏡觀察

由于原鍛坯裂紋狀斷口表面氧化嚴(yán)重，已無(wú)法有效地進(jìn)行掃描電鏡斷口觀察與分析。所以?xún)H對(duì)鍛坯細(xì)紋缺陷部位斷口上一些原始的且未明顯氧化的斷口進(jìn)行了掃描電鏡觀察，這些斷口都具有自由表面特征，見(jiàn)圖8。

圖5 輥內(nèi)顯微組織形貌 1 000×Figure 5 Microstructure appearance in roller 1 000×

圖6 細(xì)紋缺陷側(cè)高溫氧化生成物形貌 100×Figure 6 High temperature scale appearance on the side of fine texture defect 100×

圖7 細(xì)紋缺陷側(cè)脫碳形貌 200×Figure 7 Decarburization appearance on the side of fine texture defect 200×

另外，用掃描電鏡對(duì)上述1號(hào)拉伸樣斷口進(jìn)行了觀察，呈石狀斷口部分為沿晶開(kāi)裂，晶粒表面有明顯的自由表面特征，見(jiàn)圖9、10。

3 分析與討論

綜合上述檢驗(yàn)分析結(jié)果，可以認(rèn)為：

圖8 鍛坯細(xì)紋缺陷部位斷口中顯微孔隙中自由面形貌Figure 8 Free face appearance of microcavity on fracture of forged blank crack position

圖9 1號(hào)拉伸斷口SEM低倍形貌Figure 9 SEM macroscopic appearance of No. 1 tensile fracture

圖10 1號(hào)拉伸斷口呈石狀斷口處形貌Figure 10 Stone-like fracture appearance on No.1 tensile fracture

(2)支承輥鍛坯從表面到心部金相組織均為球狀顆粒狀珠光體+少量碳化物，不存在大塊狀碳化物或大量碳化物密集分布現(xiàn)象。

(3)支承輥鍛坯發(fā)現(xiàn)裂紋狀缺陷前經(jīng)歷了正火加球化、回火熱處理，存在產(chǎn)生熱處理裂紋的可能性。從裂紋狀缺陷斷口表面嚴(yán)重氧化和裂紋兩側(cè)嚴(yán)重脫碳情況看，不可能出現(xiàn)由于正火冷卻速度過(guò)快引起開(kāi)裂和回火過(guò)程中產(chǎn)生再熱裂紋；從裂紋僅發(fā)生于支承輥鍛坯直徑較細(xì)一端且分枝較多，斷口表面起伏平緩看，也不是加熱速度太快引起的。因此，可以排除發(fā)生熱處理裂紋的可能性。

(4)支承輥鍛坯重量重，直徑粗，易出現(xiàn)由于加熱不足、加熱不均(或心部未加熱透)等原因引起的鍛件心部開(kāi)裂的鍛造裂紋。其中加熱不均或心部未加熱透引起的鍛件內(nèi)裂多呈對(duì)角線(xiàn)，加熱不足引起的鍛件內(nèi)裂多呈放射狀[1]。這兩種裂紋在空間走向或粗細(xì)應(yīng)是連續(xù)的。裂紋分枝少，裂紋周?chē)粫?huì)出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象。上述鍛造裂紋特征與在支承輥鍛坯觀察到的大的裂紋狀缺陷基本無(wú)共同點(diǎn)，另外支承輥鍛坯化學(xué)成分符合要求，金相組織較均勻，沒(méi)有碳化物嚴(yán)重偏析現(xiàn)象，不容易發(fā)生鍛造裂紋。因此，可以排除鍛造裂紋的可能性。

(5)在支承輥鍛坯中發(fā)現(xiàn)的裂紋狀缺陷在空間走向和粗細(xì)上無(wú)良好的連續(xù)性，分枝較多，周?chē)蟹浅６嗟氖杷珊托×鸭y，斷口面呈平緩起伏狀，斷口上可見(jiàn)一些自由表面特征等，這些現(xiàn)象表明裂紋狀缺陷為鑄錠中近冒口的鑄造缺陷，在鍛造時(shí)被壓擠成一條彎曲的裂紋狀。該鑄造缺陷應(yīng)是縮孔殘余或二次縮孔。裂紋狀缺陷周?chē)?xì)裂紋應(yīng)是被壓扁的疏松。由于縮孔殘余或二次縮孔在鑄錠中的空間形狀是規(guī)則的，當(dāng)鍛造比不大時(shí)，所形成的裂紋狀缺陷在空間走向或粗細(xì)上必然無(wú)良好的連續(xù)性。

4 結(jié)論

4 300 mm軋機(jī)用大型支承輥鍛坯冒口端輥頸端面出現(xiàn)的紋狀缺陷性質(zhì)為縮孔殘余或二次縮孔。

[1] 胡世炎.破斷故障金相分析[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1979，110-118.