汪雨昌 趙學(xué)謙 胡寒婷 宋亞虎 毛寬亮 王 博

(1.洛陽中重鑄鍛有限責(zé)任公司鑄鍛工程技術(shù)及材料研究院，河南471039；2.中信重工機械股份有限公司計量檢測中心，河南471039)

某單位生產(chǎn)的大型支承輥鍛件，在鍛造后超聲檢測發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重超標(biāo)缺陷，并判定報廢。缺陷分布如圖1所示，在非號端輥身2/3長度段的中心?300 mm范圍內(nèi)分布著連續(xù)性缺陷，F(xiàn)(缺陷波)>B(底波)，局部無底波。根據(jù)檢測結(jié)果判定報廢。為避免以后此類大型質(zhì)量事故的再次發(fā)生，對該報廢支承輥進行解剖分析，明確缺陷性質(zhì)及產(chǎn)生原因。

圖1 支承輥鍛件缺陷分布位置Figure 1 Defects distribution position of back up roll forging

1 理化分析

1.1 低倍酸洗檢驗

在缺陷嚴(yán)重部位切取橫向試片，在磨制后進行低倍電解腐蝕實驗，酸洗后的低倍缺陷宏觀形貌如圖2所示。從圖2可以看出，酸洗后磨面上除酸洗前肉眼可見的比較大的孔洞缺陷外，還存在嚴(yán)重的密集點狀孔洞類缺陷。

圖2 低倍試片形貌Figure 2 Macro appearance of specimen

1.2 化學(xué)成分分析

在低倍試樣取樣進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1?？梢钥闯觯鼵、Cr、Mo稍有偏差外，其它各元素的含量均符合標(biāo)準(zhǔn)，出現(xiàn)元素含量偏差主要與冒口端偏析有關(guān)。

1.3 斷口分析

在低倍試片中間沿缺陷背面開槽壓斷口，斷口形貌如圖3所示?？梢钥闯觯瑪嗫谛蚊矠榻Y(jié)晶狀；其中有兩處較大的孔洞缺陷貫穿試片，孔洞內(nèi)壁由于在酸洗時酸液進入而生銹，內(nèi)壁上有類似結(jié)晶形貌，推斷該缺陷有可能是疏松缺陷；斷口其他區(qū)域上分布著多條灰色的條紋，條紋內(nèi)壁比較光滑，見圖3、圖4。為進一步確定缺陷的性質(zhì)，在斷口上取樣進行掃描電鏡分析。

1.4 電鏡分析

在圖4方框所示位置取樣進行電鏡分析，由于缺陷貫通試片，在酸洗的過程中已經(jīng)進酸遭到腐蝕，斷口大部分形貌已被腐蝕物覆蓋無法觀察，對其缺陷附近及周圍灰色條帶進行觀察分析，在掃描電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，灰色條紋內(nèi)壁和孔洞缺陷內(nèi)壁的形貌相似，均顯示為自由表面特征，并且有部分顯示樹枝晶末梢和波紋狀的變形流動痕跡，見圖5。同時發(fā)現(xiàn)在部分區(qū)域上分布著顆粒狀夾雜物。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分析，%)Table 1 Analyzed results of chemical compositions (mass fraction，%)

圖3 斷口的宏觀形貌Figure 3 Macroscopic morphology of fracture

圖4 局部放大形貌Figure 4 Local magnification morphology of fracture

(a)條紋內(nèi)壁形貌

(b)孔洞內(nèi)壁形貌圖 5 條紋內(nèi)壁和孔洞內(nèi)壁自由表面形貌Figure 5 Different free surface appearance of stripe inner wall and hole inner wall

1.5 金相分析

在低倍缺陷處取試樣進行金相分析，試樣經(jīng)磨制、拋光后在金相顯微鏡下觀察缺陷的微觀形貌，見圖6。可以看出，缺陷呈多角形，位于三晶界交接處，沿晶界呈網(wǎng)狀分布，屬于典型的疏松形貌，并且在疏松處有夾雜物存在；試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，缺陷處的組織為粒狀珠光體，并未發(fā)現(xiàn)明顯的氧化脫碳現(xiàn)象。

(a)疏松形貌

(b)腐蝕后疏松形貌圖6 疏松形貌Figure 6 Morphology of porosity

2 原因分析

通過以上理化分析可知，缺陷在低倍上表現(xiàn)為孔洞類缺陷；在掃描電鏡下，缺陷表面具有波紋狀的自由表面特征，部分區(qū)域有顆粒狀夾雜物分布，自由表面特征是鋼液凝固后表面特有的形貌，伴有波紋狀，表明工件經(jīng)過了鍛壓變形；從金相分析可以看出缺陷具有典型的疏松形貌；說明這些孔洞缺陷是鋼液在最后凝固時補縮不足，并在鍛造過程中未鍛合而造成的；再結(jié)合缺陷處在工件中偏冒口的位置，分析認(rèn)為該缺陷性質(zhì)應(yīng)為二次縮孔殘余。

一般來說，二次縮孔缺陷與鋼錠的澆注過程的相關(guān)參數(shù)有關(guān)，影響縮孔尺寸的因素主要有冒口設(shè)計、澆注的溫度和速度、錠身的換熱系數(shù)和錐度。經(jīng)查閱相關(guān)的生產(chǎn)記錄，發(fā)現(xiàn)該規(guī)格尺寸的支承輥已生產(chǎn)數(shù)件，并且均是利用相同的鋼錠模，相同的冒口設(shè)計及材料，在相同的澆注環(huán)境下進行的，而其他的支承輥檢測并未發(fā)現(xiàn)該種缺陷，據(jù)此可以排除這些因素對二次縮孔產(chǎn)生的影響。資料顯示，澆注溫度過高過低均會影響縮孔尺寸的變化，澆注溫度過高，鋼錠的體積收縮量會變大，不利于補縮；澆注溫度過低，溫度梯度過小，保溫磚對鋼液的保溫作用十分有限，來不及補縮就會發(fā)生凝固，冒口的作用也會大打折扣；并且凝固的前沿容易產(chǎn)生較多的樹枝晶組織，阻礙鋼液的補縮，會產(chǎn)生更多的疏松缺陷[1]。所以澆注溫度必須嚴(yán)格控制在一個合理的范圍內(nèi)，才能保證鋼錠中的缺陷尺寸在后續(xù)的鍛造過程能夠鍛合，不會產(chǎn)生此類缺陷。經(jīng)查閱相關(guān)生產(chǎn)記錄發(fā)現(xiàn)，該支承輥的澆注溫度雖然滿足工藝要求，但處于要求范圍的下限，并且澆注時間偏長，說明澆注溫度偏低對該支承輥鍛件產(chǎn)生二次縮孔具有重要影響。

3 結(jié)論

綜合以上分析可知，該大型支承輥鍛件缺陷性質(zhì)為二次縮孔殘余，澆注溫度偏低對該鍛件缺陷的產(chǎn)生具有重要影響。