任 飛，邢國(guó)成

(撫順特殊鋼股份有限公司 第一煉鋼廠，遼寧 撫順 113001)

20CrNi3H鋼主要用于商用車變速箱主軸，對(duì)夾雜物、淬透性、晶粒度、內(nèi)部組織致密性有較高的要求[1-2]。某公司通過(guò)工藝攻關(guān)，成功開發(fā)該品種，目前夾雜物、淬透性等質(zhì)量已滿足用戶的使用要求，但用戶在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生一些質(zhì)量缺陷，主要為主軸零件存在的中心孔洞缺陷導(dǎo)致的探傷不合格。用戶采用楔橫軋工藝生產(chǎn)，其孔洞問(wèn)題影響因素較多，包括軋機(jī)模具設(shè)計(jì)、模具磨損、材料質(zhì)量、加熱工藝等多因素影響。此前對(duì)產(chǎn)生孔洞缺陷件分析時(shí)，未發(fā)現(xiàn)明顯的材料缺陷，雙方對(duì)缺陷產(chǎn)生原因未達(dá)成一致。隨著生產(chǎn)量的擴(kuò)大，部分爐號(hào)探傷不合格率較高，達(dá)到 20%以上。通過(guò)比較分析，需要提高棒材原料的質(zhì)量。

1 生產(chǎn)工藝流程及設(shè)備參數(shù)

20CrNi3H鋼的化學(xué)成分見表1。

某鋼廠提供的棒材原料生產(chǎn)工藝流程：60 t UHP→60 t LF→60 t VD→四機(jī)四流連鑄機(jī)→鑄坯紅送/緩冷→連軋機(jī)組→退火→精整→相控陣探傷→檢驗(yàn)→入庫(kù)。

表1 20CrNi3H鋼的化學(xué)成分 %

工藝裝備參數(shù)見表2。

表2 冶煉-連鑄-軋制設(shè)備參數(shù)

主軸零件生產(chǎn)工藝流程：原料驗(yàn)收探傷→加熱→楔橫軋軋制→探傷。

采用楔橫軋方式生產(chǎn)的齒輪軸，由于其特殊的加工方式，鋼材內(nèi)部受三向拉應(yīng)力作用，零件極易產(chǎn)生內(nèi)部疏松、孔洞缺陷。因此，對(duì)原材料的中心質(zhì)量比普通軋制要求嚴(yán)格。為確保提供的棒材原料質(zhì)量，對(duì)每支成品棒材進(jìn)行相控陣超聲波探傷，探傷合格后出廠交付使用。

2 質(zhì)量問(wèn)題與缺陷描述

合格棒材原料經(jīng)楔橫軋軋機(jī)軋制成零件后，再進(jìn)行探傷，發(fā)生了探傷不合，對(duì)探傷不合的零件進(jìn)行解剖分析。

2.1 低倍檢驗(yàn)

通過(guò)解剖，發(fā)現(xiàn)缺陷類型有兩種，一種為在中心撕裂開后成開放型的孔洞，能夠看到中心區(qū)域有明顯的撕裂，見圖1(a)；另一種為收斂型，有一個(gè)小孔，見圖1(b)。

圖1 主軸零件孔洞缺陷

對(duì)于第二種缺陷試樣，加工試樣橫截面，并經(jīng)1∶1的鹽酸水溶液加熱浸蝕，低倍組織缺陷見圖1(b)。

在試樣的中心可見有小孔，缺陷為孔洞。在缺陷的周圍可見有發(fā)達(dá)的柱狀晶，中心等軸晶比例較小而且是偏心的。

2.2 高倍檢驗(yàn)

對(duì)缺陷進(jìn)行金相分析，見圖2、圖3。

圖2 中心孔洞 (×200)

在孔洞缺陷附近并沒有非金屬夾雜物缺陷，高倍下形貌系多孔的、撕裂狀。

由于棒材經(jīng)過(guò)了楔橫軋的二次加工，對(duì)孔洞缺陷產(chǎn)生的根源易產(chǎn)生分歧。

圖3 中心孔洞SEM

3 缺陷研究與機(jī)理分析

撕裂首先發(fā)生在夾雜物等薄弱環(huán)節(jié)，通過(guò)上述檢驗(yàn)，可以得出，探傷不合不是由鋼種潔凈度引起的?？梢酝茰y(cè)缺陷由以下三種情況產(chǎn)生：

(1)楔橫軋軋制工藝問(wèn)題；

(2)棒材原料本身存在缺陷；

(3)楔橫軋軋制方式對(duì)原材料的使用要求更高。

針對(duì)上述可能的原因，雙方都進(jìn)行了排查，并進(jìn)行了對(duì)比軋制，排除了第一項(xiàng)因素。生產(chǎn)前通過(guò)二次驗(yàn)收探傷，再軋制，探傷合格的原料經(jīng)軋制后也出現(xiàn)了探傷不合。因此，可以確認(rèn)第三種因素是主要原因。

解決問(wèn)題方向——研究鋼材中心質(zhì)量如何能夠滿足楔橫軋方式的生產(chǎn)要求。

3.1 對(duì)缺陷分析研究

通過(guò)對(duì)主軸零件低倍觀察，發(fā)現(xiàn)存在質(zhì)量問(wèn)題的零件，中心質(zhì)量存在以下特點(diǎn)：

(1)中心等軸晶區(qū)域?。?/p>

(2)中心等軸晶不在中心區(qū)域；

(3)柱狀晶生長(zhǎng)異常，有穿晶現(xiàn)象。

通過(guò)上述低倍信息可以得出連鑄坯在凝固組織方面可以進(jìn)行改進(jìn)。

等軸晶的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)致密，各個(gè)等軸晶彼此相互嵌入結(jié)合牢固；熱加工性能好；鋼材力學(xué)性能呈各向異性[3-4]。

柱狀晶發(fā)達(dá)時(shí)，對(duì)熱加工和產(chǎn)品質(zhì)量會(huì)帶來(lái)不利影響，要提高產(chǎn)品質(zhì)量，首先要控制鑄坯低倍組織，在凝固過(guò)程中要抑制柱狀晶生長(zhǎng)，擴(kuò)大鑄坯中心等軸晶區(qū)[5]。

結(jié)合高低倍檢驗(yàn)，可以初步判斷，該批材料的低倍組織不能滿足加工要求，引發(fā)材料失效。

3.2 凝固缺陷產(chǎn)生機(jī)理分析

鋼水注入結(jié)晶器，由于結(jié)晶器內(nèi)具有高的溫度梯度G和快的凝固速度R，形成致密的激冷層，在激冷層形成后，柱狀晶就開始生長(zhǎng)。在擇優(yōu)生長(zhǎng)和水平方向傳熱最快的作用下，主軸垂直于鑄坯表面的晶體以最大凝固速度生長(zhǎng)，形成了單方向的柱狀晶。

鋼水過(guò)熱度和連鑄二冷強(qiáng)度決定了鑄坯中柱狀晶的發(fā)達(dá)程度，冷卻速度過(guò)大，柱狀晶異常發(fā)展，就可形成穿晶組織。在液相穴固液界面，由于液體運(yùn)動(dòng)把枝晶熔斷，它在液相穴中會(huì)下沉作為等軸晶形核核心長(zhǎng)大，過(guò)熱度逐漸消除，由漸近結(jié)晶過(guò)渡到體積結(jié)晶，生長(zhǎng)的柱狀晶與沉積在液相穴底部的等軸晶連接，柱狀晶停止生長(zhǎng)而形成中心等軸晶區(qū)。

由于重力和對(duì)流的影響，鑄坯內(nèi)弧側(cè)的柱狀晶在凝固過(guò)程中會(huì)熔斷，打擾外弧側(cè)的柱狀晶的生長(zhǎng)，并為外弧側(cè)的鋼液提供形核核心，所以外弧側(cè)的中心等軸晶區(qū)較寬[6]。

4 對(duì)缺陷改善的試驗(yàn)研究

4.1 對(duì)原工藝的鑄坯取樣分析

根據(jù)上述分析，采用對(duì)比工藝進(jìn)行標(biāo)定。

在連澆中，任選一爐，采用原工藝和新工藝參數(shù)進(jìn)行對(duì)比標(biāo)定：在采用原工藝的第三流上，任選連續(xù)兩根鑄坯，取低倍進(jìn)行檢驗(yàn)。在同一澆次的同一爐上、流場(chǎng)和溫度場(chǎng)相同的第二流上，采用新工藝參數(shù)，與采用原工藝參數(shù)的同節(jié)號(hào)鑄坯上，也連續(xù)取兩個(gè)低倍試片進(jìn)行檢驗(yàn)，這樣就可以與原工藝參數(shù)的鑄坯進(jìn)行比對(duì)標(biāo)定。

首次調(diào)整時(shí)，在拉速匹配制度不變的條件下，新二冷參數(shù)的比水量對(duì)原二冷參數(shù)的比水量降低20%，并調(diào)整了各區(qū)的分配，將一區(qū)(足輥)水量分配比降低4%。

完成首次試驗(yàn)后，對(duì)標(biāo)記的鑄坯取低倍試片，進(jìn)行熱酸浸蝕。結(jié)合國(guó)標(biāo)低倍評(píng)級(jí)圖譜，對(duì)四塊鑄坯低倍質(zhì)量進(jìn)行評(píng)級(jí)和測(cè)量，見圖4、圖5，得出數(shù)據(jù)見表3。

圖4 連鑄坯低倍缺陷(優(yōu)化前)

通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)得出如下試驗(yàn)結(jié)論：

(1)在相同過(guò)熱度下，采用弱水冷卻制度后，中心等軸晶比例提高了5%～6%，中心裂紋的級(jí)別得到大幅降低。

圖5 連鑄坯低倍缺陷(優(yōu)化后)

表3 首次試驗(yàn)鑄坯檢測(cè)數(shù)據(jù)

(2)在相同二次冷卻制度下，降低過(guò)熱度，中心等軸晶比例提高了3%～5%，中心裂紋級(jí)別得到一定的減輕。

(3)原二次冷卻參數(shù)下的鑄坯，中心等軸晶嚴(yán)重下沉，內(nèi)弧側(cè)的柱狀晶已生長(zhǎng)到鑄坯的幾何中心；而采用新工藝參數(shù)后，柱狀晶的生長(zhǎng)得到抑制，中心等軸晶得到發(fā)展，避免了中心等軸晶偏心的問(wèn)題。

4.2 連鑄參數(shù)的二次優(yōu)化及固化

為進(jìn)一步提高鑄坯低倍質(zhì)量，徹底消除中心裂紋，再次調(diào)整工藝參數(shù)——明確過(guò)熱度控制目標(biāo)20～40 ℃，在考慮設(shè)備長(zhǎng)期安全運(yùn)行的條件下，二次冷卻水的比水量再次下調(diào)10%，取橫縱試片進(jìn)行對(duì)比。

在不同爐號(hào)分別取橫縱低倍試片，機(jī)加工后進(jìn)行熱酸浸蝕檢驗(yàn)，見圖6。

根據(jù)高鎳鋼鋼種凝固特性，通過(guò)再次優(yōu)化二次冷卻水參數(shù)、規(guī)范中間包過(guò)熱度控制，鑄坯的中心等軸晶比例得到進(jìn)一步提升，穩(wěn)定在25%左右，中心質(zhì)量良好，而且平均分布于鑄坯的幾何中心，沒有出現(xiàn)以往的穿晶組織、中心裂紋、中心縮孔等缺陷。

5 效果驗(yàn)證

改進(jìn)工藝后的鑄坯，送連軋軋制成材后，提高探傷級(jí)別后未發(fā)現(xiàn)異常，隨機(jī)抽檢成材棒材進(jìn)行熱酸浸蝕檢驗(yàn)，見圖7。

圖6 試驗(yàn)爐號(hào)10734、爐號(hào)20677低倍檢驗(yàn)

圖7 10733爐號(hào)成品材低倍檢驗(yàn)

從成品棒材低倍來(lái)看，中心等軸晶區(qū)域明顯，且均勻分布于圓棒材的中心區(qū)域，沒有穿晶組織、中心裂紋、中心縮孔等缺陷。

在改善前，成品棒材的低倍質(zhì)量是不穩(wěn)定的，有的低倍質(zhì)量與圖8的缺陷相似：中心存在穿晶組織，等軸晶區(qū)不在幾何中心。

6 結(jié) 論

(1)連鑄坯的凝固組織對(duì)成品材有嚴(yán)格的遺傳性，良好的凝固組織可提高加工性能。采用楔橫軋軋機(jī)生產(chǎn)，對(duì)原材料的中心質(zhì)量要求更高，應(yīng)引起重視。

圖8 20601爐號(hào)成品材低倍檢驗(yàn)

(2)汽車主軸用20CrNi3H鋼零件中心孔洞缺陷系鑄坯凝固組織不均勻、柱狀晶異常發(fā)達(dá)，形成穿晶組織造成加工性能差。

(3)通過(guò)調(diào)整連鑄二次冷卻參數(shù)，中心等軸晶比例由原來(lái)的11%～14%提高到25%，而且均勻分布在幾何中心，鑄坯的中心裂紋得到消除，提高了其加工性能。

(4)通過(guò)以上的工藝調(diào)整和工藝規(guī)范，孔洞類探傷不合情況未再發(fā)生。