趙文龍 馬慶賢

(清華大學(xué)，北京100084)

鑄造鋼錠通常直接作為鍛件坯料用于大型鍛件的生產(chǎn)制造，但鋼錠內(nèi)部會(huì)存在不同程度的疏松、縮孔和非金屬夾雜物等缺陷，且隨著鋼錠體積、重量的增大，鑄造缺陷的嚴(yán)重程度及其對(duì)鍛件質(zhì)量的不利影響也愈加明顯。此時(shí)，便體現(xiàn)出鍛造“成形、改性”作用的重要性。獲得優(yōu)質(zhì)大鍛件的關(guān)鍵在于合理的鍛造工藝，而充分了解鋼錠內(nèi)部缺陷類型、形貌和分布，是明確鍛造目的和選擇適當(dāng)工藝參數(shù)的基礎(chǔ)。為此，本文對(duì)某380 t級(jí)大型鋼錠的水口位置進(jìn)行取樣，觀察并分析鋼錠的典型鑄造缺陷，以獲得相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為大型鍛件鍛造工藝的合理制定提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用材料為30Cr2Ni4MoV鋼，屬于超純凈鋼種，是核電轉(zhuǎn)子鍛件的常用材料。 其主要化學(xué)成分以及我國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)30Cr2Ni4MoV鋼化學(xué)成分的規(guī)定如表1所示[1-2]。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

從鋼錠的水口位置剖取試樣，切割過程中噴水冷卻，以防止高速摩擦形成高溫而破壞試樣的原始組織。切取后對(duì)試樣進(jìn)行鑲樣，隨后經(jīng)過砂紙粗磨、細(xì)磨，再到拋光機(jī)拋光。采用混有適量洗潔劑的過飽和苦味酸水溶液作為腐蝕劑，將試樣水浴加熱至70℃左右，保溫3 min～5 min，以顯示奧氏體晶粒的晶界。最后，對(duì)腐蝕好的試樣進(jìn)行顯微組織觀察。

2 典型鑄造缺陷

2.1 非金屬夾雜物

從本次對(duì)30Cr2Ni4MoV鋼大型鋼錠的解剖分析來看，獲得夾雜的樣品中包含了外來夾雜物和內(nèi)生夾雜物。其中，外來夾雜物的尺寸可達(dá)35 mm之多，樣品宏觀上已呈現(xiàn)出明顯的夾雜性裂紋，在切取試樣過程中，承受較小的切削力即產(chǎn)生斷裂，裂紋表面呈現(xiàn)與基體顏色明顯不同的暗黑色，如圖1(a)所示。夾雜的微觀形貌呈現(xiàn)出網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，是由大量尺寸很小的鏈狀?yuàn)A雜拼接而成。經(jīng)能譜儀檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)鈣、氧元素的含量明顯，如圖1(b)所示，可認(rèn)定為堿性爐渣氧化鈣夾雜。此外，在對(duì)其他夾雜樣品的能譜分析中還發(fā)現(xiàn)了棱角形結(jié)晶狀的硅酸鹽夾雜，如圖2所示，這種成分的夾雜可能是由外來的耐火磚顆?；烊脘撘褐行纬傻?。

表1 30Cr2Ni4MoV鋼主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Main chemical composition of 30Cr2Ni4MoV steel (mass fraction,%)

由于30Cr2Ni4MoV鋼屬于超純凈鋼種，合金元素含量較少，所以內(nèi)生夾雜物種類不多，主要以鋁酸鹽為主，尺寸在幾十微米左右，分布位置也相對(duì)分散。但也存在個(gè)別危害較大的FeS夾雜，如圖3所示。

鋼錠中的非金屬夾雜物是由材料的冶金和凝固特性等因素決定的，無法完全避免，但可以通過鍛造改善其大小、形狀和分布。

2.2 粗大晶粒

試樣的顯微組織分析結(jié)果表明，30Cr2Ni4MoV鋼大型鋼錠表層細(xì)晶區(qū)的晶粒細(xì)小，內(nèi)部柱狀晶和等軸晶的晶粒尺寸達(dá)到毫米量級(jí)，而柱狀晶的尺寸更大，腐蝕后可用肉眼直接觀察。粗大的柱狀晶晶粒內(nèi)還保留了明顯的樹枝晶組織，增大了元素偏析的可能性，如圖4所示。

(b)夾雜成分的能譜檢測(cè)圖1 氧化鈣夾雜形貌及能譜Figure 1 Morphology and energy spectrum of calcium oxide inclusions

圖2 硅酸鹽夾雜形貌及能譜Figure 2 Morphology and energy spectrum of silicate inclusions

圖3 FeS夾雜形貌及能譜Figure 3 Morphology and energy spectrum of FeS inclusions

圖 4 鑄造晶粒組織Figure 4 Casting grain microstructure

圖 5 大型鋼錠心部的縮孔Figure 5 The shrinkage cavities in heavy casting steel ingot center

圖6 柱狀晶區(qū)的普通疏松Figure 6 Common porosities in columnar crystal zone

圖7 柱狀晶區(qū)的海綿狀疏松Figure 7 The cavernous porosities in columnar crystal zone

30Cr2Ni4MoV鋼合金含量低，雖然減少了內(nèi)生夾雜物存在的可能，但由于結(jié)晶時(shí)形核不足，所以會(huì)產(chǎn)生粗大晶粒，而且隨著鑄件尺寸的增大，晶粒粗大現(xiàn)象也更加明顯，最后導(dǎo)致粗大晶粒成為30Cr2Ni4MoV鋼大型鋼錠的典型鑄造缺陷。

2.3 縮孔和疏松

實(shí)驗(yàn)得到了大量30Cr2Ni4MoV鋼大型鋼錠的孔洞缺陷，主要以密集性的縮孔為主，如圖5所示。絕大多數(shù)的縮孔集中于等軸晶區(qū)域，即鋼錠的心部。

實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，30Cr2Ni4MoV鋼大型鋼錠存在明顯的疏松缺陷，主要位于鋼錠的柱狀晶區(qū)域，靠近鋼錠心部，如圖6所示。可以看出，疏松組織中分散著許多空洞，且周圍存在粗大的樹枝晶。一般來講，疏松中的空洞多呈橢球形或不規(guī)則多邊形，嚴(yán)重時(shí)則呈海綿狀，如圖7所示。

380 t級(jí)大型鋼錠采用頂注式澆鑄工藝，水口部位一般先于錠身和冒口凝固，從而具有更好的補(bǔ)縮條件，因此該部位縮孔、疏松的嚴(yán)重程度將不及錠身和冒口處的同類缺陷，即實(shí)際鍛件坯料中的縮孔、疏松尺寸會(huì)更大。本文觀察到的縮孔、疏松在缺陷尺寸上雖然不具有代表性，但仍可說明此類缺陷在30Cr2Ni4MoV鋼大型鋼錠中是普遍存在的，后續(xù)鍛造過程中要尤其注意坯料的鍛透與壓實(shí)。

3 結(jié)論

(1)非金屬夾雜物是30Cr2Ni4MoV鋼大型鋼錠典型鑄造缺陷。外來夾雜物長(zhǎng)35 mm之多，成分為氧化鈣。內(nèi)生夾雜物尺寸較小，成分主要以鋁酸鹽為主。

(2)粗大晶粒包括肉眼可見的柱狀晶和毫米量級(jí)的等軸晶，是影響鍛件性能質(zhì)量的潛在隱患。其中，柱狀晶內(nèi)部還混有大量樹枝晶組織，嚴(yán)重影響合金元素的均勻分布。

[1] 劉鑫. 大型核電低壓轉(zhuǎn)子塑性成形及質(zhì)量控制的研究[D].北京：清華大學(xué)，2010.

[2] 中華人民共和國(guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).JB/T7022—2002工業(yè)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子體鍛件技術(shù)條件[S].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.