樊應(yīng)劍 巴鈞濤 康永斌

(中國(guó)一重鑄鍛鋼事業(yè)部,黑龍江 齊齊哈爾 161042)

H13對(duì)應(yīng)于國(guó)標(biāo)牌號(hào)4Cr5MoSiV1,是國(guó)內(nèi)外廣泛使用的熱作模具鋼,具有十分優(yōu)良的力學(xué)性能,通常在高溫條件下使用,不僅要承受高溫載荷,還要在急冷急熱的環(huán)境中服役,并且還要承受較大的沖擊力,這就對(duì)H13模具鋼的要求比較高,H13模具鋼一般要求球化退火后粗加工超聲檢測(cè)合格交貨,超聲檢測(cè)是非常重要的一道最終檢測(cè)項(xiàng)目,如果鍛件內(nèi)部存在夾雜、夾渣、白點(diǎn)、裂紋及縮孔等超標(biāo)缺陷,將會(huì)大幅度降低模具的使用壽命,因此對(duì)超標(biāo)缺陷進(jìn)行定性分析及判定非常關(guān)鍵,對(duì)預(yù)防和控制模具鋼鍛件內(nèi)部質(zhì)量具有極其重要的意義[1]。

近期,我公司H13模具鋼鍛件出現(xiàn)批量超聲檢測(cè)不合,缺陷性質(zhì)相似,集中在鍛件心部軸向通長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)超標(biāo)密集缺陷,缺陷當(dāng)量尺寸?2～3 mm,如圖1所示。

圖1 鍛件缺陷圖Figure 1 Diagram of forging defect

本文主要對(duì)超聲檢測(cè)不合鍛件解剖分析確定缺陷性質(zhì),并提出改進(jìn)措施,有效地解決H13模具鋼鍛件的內(nèi)部質(zhì)量問(wèn)題。

1 缺陷分析

1.1 解剖分析

1.1.1 缺陷定位

選取一件超聲檢測(cè)不合鍛件,采用超聲檢測(cè)對(duì)鍛件超標(biāo)缺陷進(jìn)行精確定位,鍛件尺寸?960 mm×1100 mm,距水口端70～900 mm范圍發(fā)現(xiàn)?2～2.5 mm密集缺陷,深度225～560 mm,最大反射當(dāng)量?5 mm,水冒口兩端區(qū)域未發(fā)現(xiàn)缺陷。如圖2(a)所示,缺陷主要位于鍛件心部軸向區(qū)域,在密集缺陷最大反射當(dāng)量處鋸切230 mm×230 mm×200 mm缺陷試料,見(jiàn)圖2(b)。

1.1.2 酸洗

圖3為鍛件心部缺陷部位加工的試料,將缺陷試料徑向及軸向兩面進(jìn)行打磨拋光,軸向圖3(a)、徑向圖3(b)面進(jìn)行酸洗,兩面均未發(fā)現(xiàn)裂紋、白點(diǎn)、縮孔、夾雜、偏析等缺陷。一般疏松0.5級(jí),中心疏松0.5級(jí),無(wú)點(diǎn)狀偏析。

1.1.3 著色滲透檢測(cè)(PT)

在酸洗后的試料徑向及軸向兩面進(jìn)行著色滲透檢測(cè),圖4中發(fā)現(xiàn)彌散分布多個(gè)發(fā)紋狀小裂紋,無(wú)方向性,長(zhǎng)度2～5 mm。

1.1.4 磁粉檢測(cè)(MT)

在試料表面進(jìn)行磁粉檢測(cè),圖5中多處發(fā)現(xiàn)彌散分布的小裂紋,無(wú)方向性,長(zhǎng)度2～5 mm。

1.1.5 金相分析

在試料徑向面和軸向面各取兩個(gè)15 mm×15 mm×15 mm的金相試塊,編號(hào)分別為E1、E2、E3、E4,做金相組織、夾雜物、晶粒度、掃描電鏡及能譜分析。E2、E3試樣表面發(fā)現(xiàn)裂紋,長(zhǎng)度約4 mm(見(jiàn)圖6),E1和E4試樣表面未發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖5 磁粉檢驗(yàn)Figure 5 Magnetic particle testing

表1為H13鍛件球化退火后水、冒口心部的金相組織、晶粒度及夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果。晶粒度按GB/T 6394—2017標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)均為7.0級(jí);按GB/T 10561—2005進(jìn)行非金屬夾雜物評(píng)級(jí),除E2試樣B類(lèi)細(xì)系為1.0級(jí),其余各類(lèi)非金屬夾雜物評(píng)級(jí)均≤0.5級(jí),總和≤1.5級(jí),達(dá)到高級(jí)質(zhì)量要求。說(shuō)明鍛件心部組織及非金屬夾雜物符合技術(shù)要求,與超聲檢測(cè)缺陷無(wú)關(guān)。

表1 金相組織、晶粒度及夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果Table 1 Grading results of metallographic structure, grain size and inclusions

如圖7所示,試樣E2、E3裂紋處均存在偏析,裂紋沿試樣面上的偏析區(qū)分布。在試樣偏析區(qū)有大塊黃色相,經(jīng)能譜分析,此相為Cr、Mo、Nb、V元素偏聚處。在試樣E2、E3裂紋處及周?chē)１砻嫣幏謩e做能譜分析,圖7中E2-1和E3-1試樣正常表面未發(fā)現(xiàn)Cr、Mo、V元素偏析,E2-2和E3-2試樣裂紋表面發(fā)現(xiàn)Cr、Mo、V、Nb元素偏析。通過(guò)對(duì)比,發(fā)現(xiàn)E2、E3試樣裂紋表面有明顯的Cr、Mo、V、Nb元素偏析聚集現(xiàn)象。該材質(zhì)不含Nb元素,在冶煉過(guò)程中也未曾添加含Nb的合金及輔料,因感應(yīng)爐采用加氫產(chǎn)品返回廢鋼冶煉,致使H13產(chǎn)品中含Nb元素并且發(fā)生偏析聚集。

1.1.6 斷口掃描電鏡及能譜分析

在試料徑向面和軸向面各取2塊30 mm×30 mm×150 mm的斷口樣,編號(hào)分別為1#、2#,做掃描電鏡及能譜分析,結(jié)果見(jiàn)圖8。

如圖8所示,在掃描電鏡下觀察1#、2#樣斷口微觀形貌為解理+準(zhǔn)解理+撕裂嶺韌窩,經(jīng)能譜分析發(fā)現(xiàn)小顆粒碳化物及合金元素Cr、Mo、V、Nb偏聚。

宏觀觀察2個(gè)斷口面,發(fā)現(xiàn)2#樣瞬斷區(qū)有兩個(gè)裂紋源(一個(gè)主,一個(gè)次),1#樣瞬斷區(qū)有1個(gè)裂紋源。在掃描電鏡下觀察2#樣,發(fā)現(xiàn)2個(gè)裂紋源區(qū)域均在斷口面上有許多小顆粒存在,經(jīng)能譜分析小顆粒均為碳化物,斷口微觀形貌為解理+準(zhǔn)解理+斯裂嶺韌窩,主、次裂紋源處小顆粒的能譜分析見(jiàn)圖8(e)、(f),發(fā)現(xiàn)合金元素Cr、Mo、V、Nb富集偏聚。掃描電鏡下觀察1#樣發(fā)現(xiàn)瞬斷區(qū)裂紋源區(qū)域斷口面上也有許多小顆粒存在,能譜分析小顆粒見(jiàn)圖8(a),觀察1#斷口面,發(fā)現(xiàn)斷口面上有3個(gè)小區(qū)域斷口的微觀形貌有別于其他區(qū)域,這3個(gè)區(qū)域的微觀形貌為準(zhǔn)解理,其余區(qū)域?yàn)榻饫?準(zhǔn)解理十撕裂嶺韌窩,3個(gè)區(qū)域的能譜分析見(jiàn)圖8(a)、(b)、(c),發(fā)現(xiàn)合金元素Cr、Mo、V、Nb偏析。

1.1.7 氣體含量

在試料缺陷區(qū)共取4塊試樣做化學(xué)成分及氣體含量分析,如表2所示。從表2可以看出,產(chǎn)品1#、2#、3#、4#樣氫含量超出規(guī)格要求,尤其是1#、2#及3#樣氫含量非常高,分別為3.9×10-6、3.9×10-6、3.3×10-6,而常規(guī)合格產(chǎn)品的氫含量一般在0.5×10-6～1.5×10-6之間。氧含量和氮含量控制理想,符合技術(shù)規(guī)格要求。元素Si出現(xiàn)明顯的燒損,未超出規(guī)格要求,Cr、Mo成分高于電渣錠成分,說(shuō)明鍛件心部存在Cr、Mo元素偏析。其它元素未出現(xiàn)明顯的偏析,控制理想。由此可見(jiàn),試料心部缺陷區(qū)域氫含量超標(biāo)嚴(yán)重。

表2 化學(xué)成分及氣體含量分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 2 The analysis of chemical composition and gas content(mass fraction, %)

綜上所述,缺陷性質(zhì)為裂紋,其他內(nèi)容正常,且H含量高出標(biāo)準(zhǔn),基本符合H導(dǎo)致裂紋的條件。

2 分析與討論

由于H13模具鋼鍛件出現(xiàn)批量超聲檢測(cè)不合,缺陷性質(zhì)相似,集中在鍛件心部軸向通長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)超標(biāo)密集缺陷,缺陷當(dāng)量尺寸?2～3 mm,存在共性。通過(guò)調(diào)查電極冶煉澆注過(guò)程、電渣重熔冶煉操作及工藝執(zhí)行情況,并運(yùn)用多種檢測(cè)手段對(duì)鍛件進(jìn)行解剖分析,為缺陷定性提供可靠依據(jù),為解決產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題提供保證。

2.1 電極冶煉及電渣重熔分析

2.1.1 電極坯冶煉過(guò)程

針對(duì)超聲檢測(cè)不合的H13模具鋼鍛件,查詢(xún)?cè)紶t次電極的冶煉澆注過(guò)程、化學(xué)成分及氣體含量。此外,本次超聲檢測(cè)不合爐次電極投料集中在7、8月份,正值雨季,初步懷疑鍛件心部氫含量較高產(chǎn)生白點(diǎn)裂紋。經(jīng)查證,電極冶煉澆注過(guò)程正常,按工藝規(guī)定執(zhí)行,化學(xué)成分符合工藝要求,但有個(gè)別爐次氫含量超工藝內(nèi)控要求,具體見(jiàn)表3。

從表3可以看出,電極的氫含量在(1～1.5)×10-6之間的有5爐,符合工藝內(nèi)控要求(H≤1.5×10-6)。電極氫含量在(1.6～2.0)×10-6之間的有3爐,氫含量較高,超出工藝內(nèi)控要求。因產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求H≤1.8×10-6,且后續(xù)電渣重熔會(huì)少量增氫,可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品氫含量超標(biāo)。

表3 電極氫含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),10-6)Table 3 Electrode hydrogen contents(mass fraction, 10-6)

2.1.2 電渣重熔過(guò)程

經(jīng)查電渣重熔操作記錄及現(xiàn)場(chǎng)跟班情況,渣料烘烤、吊渣料到引弧時(shí)間、重熔期電制度控制、熔速控制及脫氧制度控制均符合工藝要求,未發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常及違反工藝操作。從H13模具鋼產(chǎn)品研發(fā)試驗(yàn)到目前為止,工藝參數(shù)未發(fā)生變動(dòng),工藝已經(jīng)固化。已完成3000 t的 H13鍛件產(chǎn)品交貨,超聲檢測(cè)質(zhì)量好,只有個(gè)別鍛件兩端超聲檢測(cè)不合(鍛造采用不切電渣錠水、冒口直接進(jìn)行鍛造,粗加超聲檢測(cè)后切兩端,最大程度提高鍛件利用率),其余鍛件產(chǎn)品超聲檢測(cè)均合格,沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)批量鍛件軸身通長(zhǎng)及心部區(qū)域密集缺陷超標(biāo)現(xiàn)象。

2.1.3 電渣錠氫含量

經(jīng)統(tǒng)計(jì)電渣錠氫含量,6月份以前冶煉的120爐次氫含量大部分為1×10-6,個(gè)別爐次為1.5×10-6。超聲檢測(cè)不合爐次集中在7、8月份冶煉,氫含量在(1.4～1.9)×10-6之間,普遍高于其它月份投料爐次的氫含量,說(shuō)明受雨季影響,電渣重熔過(guò)程中出現(xiàn)增氫現(xiàn)象。此外,電渣錠取樣方式為脫模后在錠尾及冒口邊緣氣割試料塊,然后加工成氣體樣,送實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)氫含量,周期為2～3天。由于受取樣方式及檢測(cè)周期因素等影響,電渣錠水、冒邊緣氫含量不能代表實(shí)際電渣錠心部的氫含量,心部氫含量會(huì)高于檢測(cè)數(shù)據(jù)。

通過(guò)對(duì)電極冶煉澆注、電渣重熔冶煉過(guò)程工藝操作的調(diào)查分析,對(duì)電極及電渣錠氣體含量的統(tǒng)計(jì)分析,以及最后對(duì)超聲檢測(cè)不合件的解剖分析結(jié)果,討論如下:

超聲檢測(cè)不合鍛件原始電極投料集中在7、8月份,正逢雨季,空氣濕度大,在電極澆注及電渣重熔過(guò)程中(大氣冶煉)吸潮,使電極和電渣錠自身氫含量增高,進(jìn)而導(dǎo)致鍛件心部缺陷處氫含量高達(dá)3.9×10-6,存在形成裂紋的傾向。

2.2 解剖分析

(1)通過(guò)對(duì)鍛件心部缺陷部位取樣,進(jìn)行酸洗、PT、MT及金相檢測(cè)后,發(fā)現(xiàn)發(fā)紋狀小裂紋。對(duì)裂紋金相塊進(jìn)一步能譜分析,發(fā)現(xiàn)裂紋處均存在偏析,裂紋沿試樣面上的偏析區(qū)分布。在試樣偏析區(qū)有大塊黃色相,經(jīng)能譜分析,此相為Cr、Mo、Nb、V元素偏聚處。對(duì)金相試樣正常表面進(jìn)行能譜分析,未發(fā)現(xiàn)元素偏析。

(2)斷口樣在掃描電鏡下斷口微觀形貌為解理+準(zhǔn)解理+撕裂嶺韌窩,經(jīng)能譜分析發(fā)現(xiàn)小顆粒碳化物及合金元素Cr、Mo、V、Nb偏聚。

(3)由于H13模具鋼金屬元素含量較高,電渣錠內(nèi)外溫度梯度大,在凝固過(guò)程中,電渣錠心部凝固速度慢,在晶界處及枝晶之間最后凝固時(shí)易富集Cr、Mo、V元素,發(fā)生成分偏析。電渣錠心部溫度高,冷卻速度慢,凝固時(shí)間長(zhǎng),碳化物析出增加,偏析越嚴(yán)重[2]。

綜上所述,分析認(rèn)為,在H13電渣錠心部H含量高的情況下,會(huì)在枝晶間元素集聚及碳化物偏析薄弱處釋放應(yīng)力,形成微裂紋。

3 改進(jìn)措施

針對(duì)H13模具鋼超聲檢測(cè)不合問(wèn)題,結(jié)合分析結(jié)果,擬對(duì)后續(xù)產(chǎn)品工藝采取相應(yīng)措施:

(1)為降低H13電極坯料氫含量,暫時(shí)使用40 t精煉爐冶煉電極坯,不能使用130 t精煉爐。

(2)電極粗煉鋼水采用倒包方式熱兌,根據(jù)感應(yīng)爐Si、Mn含量,兌鋼前包底加入一定量的硅錳合金,提前合金化,縮短精煉時(shí)間。精煉爐采用石灰、氧化鋁粉及硅石造渣,減小渣量控制渣層厚度,使用Al粉和適量C粉擴(kuò)散脫氧。破壞真空后至吊包不允許給電,測(cè)溫取樣后不允許調(diào)任何合金,要求[H]內(nèi)控≤0.00012%,[O]內(nèi)控≤0.0015%,當(dāng)[H]>0.00012%時(shí)需二次真空,嚴(yán)格控制電極本身的氣體含量,為后序電渣重熔留出富余量。精煉爐出鋼時(shí),用氬氣帶通過(guò)中注管對(duì)整個(gè)澆注系統(tǒng)進(jìn)行氬氣置換,注流通過(guò)氬氣保護(hù)罩進(jìn)行保護(hù)直到澆注結(jié)束,要求水口處護(hù)板平整,包底壓實(shí)氣保罩,嚴(yán)禁注流裸露。

(3)渣料配比稱(chēng)量后送入加熱爐中烘烤,在700℃及以上烘烤至少12 h后在爐中保溫待用,保溫溫度不低于500℃。待電渣爐具備冶煉條件時(shí),立即吊出渣料送電引弧化渣,縮短渣料與空氣的接觸時(shí)間,避免吸潮增氫增氧。

(4)對(duì)電渣錠水、冒口進(jìn)行取樣,做化學(xué)成分和氣體含量分析。根據(jù)氫含量分析結(jié)果,對(duì)H≤1.5×10-6的電渣錠不執(zhí)行擴(kuò)氫工藝;H>1.5×10-6的電渣錠執(zhí)行熱處理擴(kuò)氫工藝。

按上述規(guī)定試行一段時(shí)間后,跟蹤后續(xù)電渣錠鍛件(擴(kuò)氫與不擴(kuò)氫)的超聲檢測(cè)質(zhì)量情況,論證此次超聲檢測(cè)不合是否因鍛件心部氫含量過(guò)高在元素富集及碳化物偏析薄弱處釋放應(yīng)力,形成微裂紋。

4 結(jié)論

(1)在H13電渣錠心部氫含量高的情況下,會(huì)在枝晶間元素集聚及碳化物偏析薄弱處釋放應(yīng)力,形成微裂紋。

(2)通過(guò)優(yōu)化電極冶煉澆注、電渣重熔及熱處理工藝參數(shù)后,后續(xù)鍛件超聲檢測(cè)合格,從源頭上有效解決了H13模具鋼鍛件質(zhì)量問(wèn)題。