趙學謙 王明飛 陳遠博 牛銘越 劉祥瑞

(中信重工機械股份有限公司計量檢測中心,河南 洛陽 471000)

泵頭體鍛件為生產某壓力容器管道泵的關鍵部件,材質為0Cr13Ni5Mo,其生產過程為冶煉→鍛造→分割→粗加工→熱處理→精加工。該批鍛件在粗車后進行超聲檢測時,發(fā)現存在超標缺陷,按標準要求評定不合格。為確定其缺陷產生原因,避免再次發(fā)生此類質量事故,故開展此次鍛件缺陷原因分析。

選取缺陷較為嚴重的鍛件進行分析,該鍛件缺陷為分布于鍛件端部的密集型缺陷,缺陷面積為90 mm×55 mm,缺陷當量?2～4.8 mm。經超聲波定位,在缺陷最嚴重的部位取低倍試片。泵頭體鍛件及試片形貌見圖1。

圖1 泵頭體鍛件切取的缺陷部位試片Figure 1 The test piece of the defect part Taken in the pump head forgings

1 理化分析

1.1 低倍試驗

將所取的低倍試片,在磨制后進行熱酸蝕試驗,酸洗后放置一定時間進行觀察,發(fā)現在試片的邊緣位置,即圖2中方框所示位置,有相互平行的線型缺陷,尺寸基本在2～4 mm之間。其中部分缺陷形態(tài)細長,類似發(fā)紋形態(tài),部分缺陷具有一定寬度,顏色較基體顏色偏深,類似偏析形態(tài),所有缺陷處均沒有明顯的反酸現象,可以初步推斷排除裂紋類缺陷的可能,具體形貌見圖2,除上述缺陷外,未發(fā)現其他低倍缺陷。

圖2 缺陷低倍形貌Figure 2 Defect macroscopic morphology

1.2 金相分析

在缺陷最嚴重部位取樣,磨制并拋光后,在光學顯微鏡下進行觀察,在試樣上發(fā)現存在非金屬夾雜物,見圖3。夾雜物均勻分布于整個試樣上,具有一定的方向性,形態(tài)主要為相互平行的具有一定寬度的深灰色條狀,其中夾雜著一些棱角分明、形態(tài)比較小的顆粒,同時也存在一些以顆粒狀排列的鏈條狀形態(tài)分布的夾雜物。在較高的放大倍數下,除部分夾雜物在試樣磨制過程中脫落,夾雜物邊界與基體連接緊密,根據夾雜物的形態(tài)和顏色判斷應為氧化物和硅酸鹽類夾雜物,其中最大尺寸約4.5 mm。

圖3 夾雜物形貌Figure 3 Inclusion morphology

試樣經4%硝酸乙醇溶液浸蝕后觀察,夾雜物的分布與組織沒有相關性。試樣的金相組織為板條馬氏體組織,未有異?，F象,見圖4。

圖4 金相組織Figure 4 Metallographic structure

1.3 電鏡及能譜分析

電鏡下的夾雜物形貌見圖5,在二次電子成像形貌下,夾雜物形貌較顯微鏡下形貌更為直觀立體,顆粒形貌清晰。在背散射電子成像形貌中,因其成分元素差異,可以清晰看出不同成分的夾雜物的形態(tài)。對棱角清晰的顆粒及夾雜物基底兩處進行能譜分析,結果顯示該處夾雜物的成分主要含有O、Al、Si,以及少量的Ca、Mg、Mn等元素,可以判斷該夾雜物應為氧化鋁及硅酸鹽類夾雜物。

2 綜合分析與討論

通過以上檢驗結果可知,該鍛件缺陷性質為鋼中非金屬夾雜,夾雜物類型主要為氧化鋁及硅酸鹽類夾雜物。以下就夾雜物的來源及缺陷原因進行分析。

2.1 夾雜物來源分析

鋼中的夾雜物根據來源可分為內生和外來兩種。內生夾雜物是指鋼在冶煉和凝固過程中,因內部發(fā)生的一系列化學反應而產生的第二相,尺寸一般為微米、毫米級。外來夾雜物是指煉鋼過程中,混入其中的各種爐渣、耐火材料,或是這些混入物相互之間與鋼液之間化學反應的產物,尺寸都在毫米級以上,大多數情況下,肉眼可見[1]。

圖5 電鏡形貌及能譜分析Figure 5 Electron microscope morphology and energy spectrum analysis

夾雜物從形態(tài)角度上分析,鍛件中的內生夾雜物在經鍛壓變形以后,脆性夾雜物易受壓力而破碎成更小的顆粒,呈鏈狀沿變形方向分布,塑性良好的夾雜物會沿變形方向延伸,呈條狀分布[2]。而外來夾雜物一般形狀極不規(guī)則,多呈棱角成堆集狀,分布位置零散,具有偶然性[3]。從上述宏觀及金相檢驗可知,該夾雜物表現為互相平行且具有一定方向性的條狀形態(tài),據此判斷,該夾雜物形貌符合內生夾雜物形貌特征。

根據生產調查,冶煉爐各部位爐襯材料主要為鎂質磚、鋁鎂質磚、鎂鈣質磚等,爐渣化學成分中一般以Mg、Al、Ca元素為主[4]。根據上述能譜結果可知,該夾雜物的主要成分以Al和Si為主,因此可排除外來夾雜物的可能。

通過以上夾雜物的來源分析可知,雖然該泵頭體鍛件中夾雜物尺寸較大,但是其形態(tài)及分布符合內生夾雜物的形態(tài)和特征。

2.2 夾雜物缺陷產生原因分析

夾雜物之所以在鍛件上呈現出來,是因為在鋼錠冶煉及凝固過程中,鋼中產生的夾雜物沒有完全的上浮和沉積所導致。根據實際生產統(tǒng)計分析,同時期共生產四支鋼錠,其規(guī)格重量、生產工藝參數等均一致。兩支鋼錠鍛造分割后,在鍛件上出現夾雜物缺陷,另外兩支鋼錠生產的鍛件均合格、無缺陷。通過對四支鋼錠生產工藝參數及過程控制進行對比分析,重點分析其冶煉過程中,脫氧劑的加入數量、加入時機以及澆注溫度等主要影響夾雜物形成與運動的因素[5]。

2.2.1 夾雜物生成條件分析

在冶煉過程中,鋼水中需要加入大量的還原劑來脫除鋼中的氧,使得鋼中氧含量滿足標準要求。除在此過程中產生氧化物外,若鋼水中的氧含量過高,在鋼液的冷卻結晶過程中,也會與鋼中的合金元素反應生產新的氧化物[6]。

通過對比四支鋼錠的脫氧劑使用情況見表1,由表中數據可知,脫氧劑的加入種類及加入量并無明顯不同,但正常爐次Al線及Si-Ca的用量均明顯多于問題爐次。

對比四支鋼錠的熔煉氣體檢測結果,見表2,從表中可知,有問題爐次的鋼錠氧含量明顯高于正常爐次鋼錠的含量。由此可知,脫氧程度與夾雜物缺陷形成明顯相關。

2.2.2 夾雜物上浮條件分析

冒口端夾雜物產生機理:由于保溫冒口的設置,使鋼錠頭部鋼液能長時間的保持,以便填充鋼錠先凝固部位的收縮,是鋼錠中最后凝固部分。而鋼液在凝固過程中,夾雜物會上浮富集于此處,該部位為大量縮松和夾雜物聚集地[7]。若冒口澆高不夠,則在冒口端容易出現夾雜類質量問題。另外,鋼液的溫度也是夾雜物上浮的關鍵因素,隨著溫度的降低,鋼液的流動性變差,使夾雜物會難以運動上浮[5,8]。

根據表3中參數,四支鋼錠的澆注溫度、澆注時間均符合規(guī)范要求,且相互之間無明顯差異。在冒口澆高方面,問題爐次1的冒口澆高不符合工藝規(guī)范,高度較低,無損檢測在冒口端確實存在夾雜物缺陷,但是問題爐次2的冒口澆高處于規(guī)范要求的上限,同樣出現夾雜缺陷,且缺陷位于鋼錠通身位置。因此,冒口澆高、澆注溫度與缺陷無強相關性,不是主要原因。

表1 脫氧劑加入種類及加入量Table 1 Adding types and amounts of deoxidizer

表2 四支鋼錠熔煉氣體檢測結果(質量分數,%)Table2 Test results of smelting gas of four ingots(mass fraction, %)

表3 四支鋼錠澆注過程關鍵參數Table 3 Key parameters of pouring process for four ingots

通過以上對比分析可知,鋼中夾雜物的產生與冶煉過程的脫氧不充分有關。因鋼液中的氧含量未充分去除,在鋼液的凝固過程中,會不斷與鋼中的合金元素發(fā)生反應產生新的氧化物[6]。若此時鋼液溫度較高,產生的氧化物會不斷上浮至冒口中,但隨著凝固過程溫度的不斷降低,鋼液流動性變差,產生的氧化物難以運動,會殘留在鋼中導致缺陷的產生。

3 結論

通過以上綜合分析,可以得出以下結論:

(1)該泵頭體鍛件缺陷性質為夾雜物缺陷,夾雜物類型為氧化鋁和硅酸鹽類;

(2)夾雜物缺陷產生的主要原因是煉鋼過程中脫氧不充分。