程林 廉榮光 王素娟 安龍森 郭甫 魏孝吉

(金雷科技股份公司，山東271100)

收稿日期：2021-08-20

公司生產(chǎn)的一件鍛軸，材質(zhì)為42CrMo，凈重15 t，采用24 t鋼錠，其生產(chǎn)工藝流程：真空冶煉、澆注→鍛造→鍛后熱處理→粗加工→超聲檢測→調(diào)質(zhì)處理→半精加工→超聲檢測→精加工→磁粉檢測→尺寸及目視檢查→標(biāo)記、包裝、發(fā)貨。該軸在粗加工后進(jìn)行無損檢測時發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，缺陷位置如圖1所示。

距離水口端面1630 mm長度范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)多處分散缺陷，深度范圍210～450 mm，其中A處距離?570 mm軸235 mm，深度346 mm，當(dāng)量?4.5 mm，此處缺陷超標(biāo)；B處距離?570 mm軸45 mm，深度242 mm，當(dāng)量?5.5 mm，其余缺陷當(dāng)量≤?2 mm。該件評定不合格，判定報廢。為了弄清缺陷的性質(zhì)，進(jìn)一步加強(qiáng)工藝管理，提高產(chǎn)品質(zhì)量，在缺陷位置采用低倍、金相、掃描及能譜等研究手段對其進(jìn)行缺陷判定分析。

1 檢驗結(jié)果

為了分析缺陷產(chǎn)生的原因，先通過超聲檢測確定鍛件缺陷較大的部位，并做好標(biāo)記。在該部位鋸下35 mm厚的橫向試片A，對其進(jìn)行分析。

在試片A上，肉眼可觀察到一處2 mm×3 mm的橢圓形孔洞缺陷，呈現(xiàn)與基體組織不同的色澤，形狀不規(guī)則，邊緣比較清晰，具有異金屬夾雜物的低倍形貌特征[1]，位于圖2中試塊1方框區(qū)域。根據(jù)缺陷的分布情況，按照圖2取樣要求，截取試塊1、2、3，并對試塊進(jìn)行分析。經(jīng)過著色分析，試塊2，試塊3未發(fā)現(xiàn)任何缺陷。

圖1 缺陷位置示意圖Figure 1 Schematical diagram of defect location

圖2 缺陷截取試片A位置圖Figure 2 Diagram of defect test piece A position

2 能譜分析

對試塊1缺陷部位進(jìn)行能譜分析，試塊1的檢測部位見圖3。

圖3 試塊1缺陷檢測部位Figure 3 Defect detection position of test block No.1

對試塊1中較小的缺陷部位進(jìn)行能譜分析，圖4為試塊1能譜測定部位圖。圖5為試塊1三處測定點(diǎn)的能譜圖，表1為試塊1能譜測定點(diǎn)各元素的原子分?jǐn)?shù)。

圖4 能譜測定缺陷部位圖Figure 4 Defect location map determinedby energy spectrum

(a)譜圖1

表1 缺陷部位能譜測定點(diǎn)各元素的成分Table 1 Composition of each element at the energy spectrum measurement point of defect positions

從試塊1的能譜分析可以看出，試塊1大塊夾渣中的主要成分為Mn、Al、Si、O元素。

為了查找夾雜物的來源，對中注管和湯道中的耐火材料進(jìn)行能譜分析，圖6為四處測定點(diǎn)的能譜圖，表2為耐火材料能譜測定點(diǎn)各元素及化合物成分。

(a)譜圖1

從中注管和湯道中的耐火材料能譜分析可以看出，耐火材料的主要成分為Al、Si、O元素，且以Al2O3和SiO2的形式存在。

表2 耐火材料上各測定點(diǎn)元素及化合物成分Table 2 Composition of element and compounds at each measurement point on the refractory

3 電鏡掃描分析

在能譜分析的同時，對試塊1的孔洞做電鏡掃描分析，圖7為試塊1的電鏡掃描分析的圖像。

(a)大塊夾渣形貌 (b)局部夾渣形貌(c)夾渣為一體,沒有破碎

由圖7(a)和圖7(c)可知，試塊1的夾雜物局部形貌都是石子狀。

4 化學(xué)成分分析

在試塊1孔洞缺陷周邊進(jìn)行光譜分析，光譜檢測面見圖8。

圖8 試塊1金相分析截面和光譜檢測部位Figure 8 Metallographic analysis section and spectral detection part of test block No.1

由表3可知，試塊1化學(xué)成分均滿足驗收要求，無異常情況。

表3 試塊1的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 The chemical composition of test block No.1(mass fraction,%)

5 金相分析

在試塊1孔洞缺陷周邊進(jìn)行金相分析，金相檢測面見圖9，金屬夾渣組織圖見圖10，組織晶粒圖見圖11。

由于試塊1的夾雜物尺寸過大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了評級圖中的級別，因此無法判定各類夾雜物的具體級別。試塊1缺陷周邊組織、晶粒度良好，組織為鐵素體和珠光體，晶粒度均為6.0級。

6 原因分析

內(nèi)生夾雜和外來夾雜的主要特點(diǎn)為：內(nèi)生夾雜的顆粒一般比較細(xì)小，故又稱為細(xì)夾雜，數(shù)目多，較均勻地分布在鋼錠的各個部位，夾雜物的成分與鋼液成分有很強(qiáng)的依賴關(guān)系；外來夾雜物往往尺寸較大，故又稱粗夾雜，形狀不規(guī)則，分布沒有規(guī)律，位置不定，具有偶發(fā)性，成分和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它與鋼液成分沒有直接的關(guān)系。但是實際煉鋼過程中內(nèi)生夾雜或外來夾雜，它們經(jīng)常是共生的，其原因是：(1)在煉鋼過程中各階段，內(nèi)生夾雜以外來夾雜為核心析出，并發(fā)生交互反應(yīng)是一種普遍現(xiàn)象；(2)脫氧的鋼液與卷入的鋼渣(包括保護(hù)渣)或耐火材料接觸時總會或多或少地起反應(yīng)，因此仍保持原來的內(nèi)生或外來夾雜的成分或結(jié)構(gòu)是不多見的。

(a)(b)

(a)(b)

由于試塊1夾渣的尺寸過大，內(nèi)生夾雜應(yīng)該不是產(chǎn)生該類夾渣的主要原因，其主要原因很可能為外來夾雜。依據(jù)公司的實際生產(chǎn)情況，外來夾雜的主要來源為鋼渣、保護(hù)渣、鋼包內(nèi)襯耐火材料、中注管和湯道耐火材料等。目前使用的鋼包內(nèi)襯耐火材料主要是采用鎂碳磚，由能譜分析可知，夾雜物中不含Mg元素，所以夾雜物來源于鎂碳磚的可能性不大。鋼渣和保護(hù)渣的含Ca量不低，但是試塊1能譜分析的主要成分結(jié)果顯示不含Ca元素，因此該類夾渣產(chǎn)生于鋼渣和保護(hù)渣的可能性較小。

所使用的湯道磚、中注管耐火材料的主要成分為燒結(jié)莫來石，燒結(jié)莫來石的化學(xué)成分見表4。

由表4可知，莫來石的主要成分為Al、Si、O元素，另外從中注管和湯道耐火材料能譜分析結(jié)果可以看出，其耐火材料的主要成分為Al、Si、O元素，且以Al2O3和SiO2的形式存在，這與莫來石的主要成分相吻合，而試塊1能譜分析的主要成分結(jié)果均為Mn、Al、Si、O元素。由此可見，除了Mn元素外，其他元素跟耐火材料成分很接近。

表4 燒結(jié)莫來石化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 4 Chemical composition of sintered mullite(mass fraction,%)

夾渣中Mn元素的來源存在以下可能：一是在澆注過程中，當(dāng)外來夾雜物進(jìn)入鋼水中后，夾雜物可能會與鋼水之間產(chǎn)生相互作用，導(dǎo)致其成分發(fā)生變化，從而使鋼水中的Mn進(jìn)入夾雜物；二是外來夾雜物中氧化鋁的含量較高，鋼水中的Mn可能會吸附在氧化鋁上，再加上本爐鋼水中S含量很低，無法使Mn+S團(tuán)簇長大并脫離夾雜物，從而導(dǎo)致夾雜物上含有Mn。該鋼錠采用的澆注方式是下注式，澆注過程中，鋼水從中注管流入湯道，再進(jìn)入鋼錠模，由于中注管和湯道中耐火材料可能存在質(zhì)量問題，隨著澆注時間越來越長，耐火材料侵蝕就越來越嚴(yán)重，以至于出現(xiàn)了局部耐火材料脫落，并隨著鋼水流入鋼錠模，此時已接近澆注后期，脫落的耐火材料進(jìn)入鋼錠模后，在還來不及完全上浮的情況下，鋼水已經(jīng)凝固，導(dǎo)致其留存于鋼錠靠近水口端的心部，從而形成孔洞類的夾渣[2]。

7 建議

建議采取以下措施避免該缺陷的產(chǎn)生：

(1)制定完善的耐火材料管理和驗收制度，并嚴(yán)格落實各項制度和規(guī)定，加強(qiáng)工序檢驗，提高工作質(zhì)量，防止外來夾雜物的產(chǎn)生。

(2)鍛造工序嚴(yán)格按工藝執(zhí)行，保證水口部棄料，防止鋼錠水口端缺陷存留于本體內(nèi)。