5%cr系鋼制鍛造冷軋輥坯心部缺陷成因分析

5%cr系鋼制鍛造冷軋輥坯心部缺陷成因分析

金屬絲是金屬壓力機的主要部件。作為一種特殊的工具，它可以生成金屬的塑性變形，并制算出各種壓力產品。5%Cr系鍛造冷軋輥用鋼,含碳量達0.8%以上,含鉻量5%左右,另外還含有一定量的Ni、Mo、V等合金元素,屬高碳過共析鋼。按有關探傷標準的規(guī)定,寶鋼特殊鋼分公司鍛造的5%Cr系鋼鍛造冷軋輥的超聲波探傷部位如圖1所示。圖中的Ⅳ區(qū)(輥頸非傳動區(qū))允許有?2mm～?3mm的分散缺陷和密集缺陷。經超聲波探傷的不合格品中,缺陷集中在Ⅳ區(qū),為密集缺陷,當量可達?4mm～?5mm,缺陷部位基本位于橫截面中心區(qū)域。本文研究了5%Cr系鋼制鍛造冷軋輥超聲波探傷不合格的原因,并分析了導致軋輥不合格的缺陷的成因,找到了預防措施。1缺陷表面元素組成在超聲波探傷缺陷波超標部位,使用帶鋸切取20mm厚的試樣,再經過超聲波探傷確定試樣橫截面上缺陷的分布狀況,再按照缺陷位置鋸切成200mm×200mm×20mm試樣。試樣經酸洗后觀察,檢驗面上見多條小裂紋。在裂紋處取樣,經高倍顯微觀察試樣縱截面,裂紋處未見夾雜物,見圖2、圖3。經腐蝕后觀察發(fā)現,試樣中有大量的網絡狀分布的空洞、裂紋,并沿碳化物網開裂,碳化物網角處有熔融痕跡,見圖3。也就是說,超聲波探傷缺陷超標的試樣中存在大量的網絡狀空洞,符合過燒組織的晶界-碳化物-裂紋分布特征,即過燒時碳化物沿晶界析出,晶界處出現了裂紋,在裂紋處又有大塊的碳化物。因此,可以認為這種缺陷是由于過燒造成的。當出現過燒時,由于磷、硫,硅、氧和碳從基體向液體遷移,起始熔化區(qū)域便為這些元素所富集。熔化通常在奧氏體晶界上發(fā)生。2材料的基本特征合金工具鋼在鍛造或者鋁合金在熱擠壓時,其加熱溫度接近鋼的液相點,若形變速度過大,則會由于機械能轉化為熱能,致使其形變量較大的局部區(qū)域甚至滑移面溫度上升至液相點以上而導致“過燒”,這與熱處理加熱過燒的特征相同,是都有液相出現,但兩者的表現形式卻截然不同。熱處理過燒是由外部開始,而“形變過燒”則從內部發(fā)生;前者在外觀上為網裂、沿晶氧化,而后者表面完好,內部呈疏松狀。5%Cr系鋼制鍛造冷軋輥坯心部過燒符合上述“形變過燒”的特點。5%Cr系冷軋輥用鋼屬高碳過共析鋼,其鑄造組織中的碳化物為塊狀或共晶骨骼狀液析碳化物。這些碳化物偏聚區(qū)材料塑性差,熔點低于基體組織,當溫度超過液析碳化物熔點時,很容易使液析碳化物熔解,形成沿碳化物網的空洞、裂紋。經分析,造成冷軋輥坯中心部位溫度過高的熱加工因素有:(1)鋼錠加熱溫度偏高;(2)鍛造變形量過大或集中變形,鍛件心部產生的變形熱造成的溫升超過碳化物熔點。3工藝試驗冷軋輥坯的鍛造工藝流程為:鋼錠高溫均勻化-鐓粗-鍛造拔長-鍛造成材-冷軋輥坯退火-精整。3.1溫度對非均質化材料的影響為消除鋼錠中的非穩(wěn)態(tài)共晶碳化物,通常對鋼錠進行高溫均質化處理。其目的在于,一方面使粗大的液析碳化物溶解,減小鋼的變形抗力,使鋼錠易于鍛造成型;另一方面改善原始碳化物液析的組織遺傳現象,提高輥坯的液析水平。用偏析比SR表示鋼中合金元素的分布特征:SR=Cmax/Cmin(1)式中Cmax和Cmin分別為某合金元素在枝晶間的最大濃度值和枝晶臂的最小濃度值。SR值越接近1,表示成分越均勻。根據試驗結果得到的偏析比與均勻化處理溫度之間的關系如圖4所示。由圖4可見,在不同溫度均勻化處理不同時間后,偏析比均有不同程度的下降。而提高均勻化(擴散)溫度對材料均質化效果的作用較延長保溫時間更為顯著,這是因為溫度是影響原子擴散速度的最主要的因素,溫度越高,原子越容易遷移,擴散速度也越快。而在某一固定溫度下,延長保溫時間,擴散流量將隨濃度梯度的減少而下降,當溶質原子分布趨于均勻時,即使再延長保溫時間,其元素分布變化也不大,即均質化效果不明顯。而溫度越高,達到均質化所需要的時間也越短。原高溫均勻化溫度為固相線以下90～120℃,還是出現了由于心部溫升導致的碳化物聚集帶過燒。根據圖4,若僅為降低過燒風險而降低高溫均勻化溫度,勢必影響高溫均勻化擴散效果。因此,新工藝選定的高溫均勻化溫度及時間不變,而是改為隨后降低到鍛造溫度進行鍛造。3.2試驗結果計算公式為由于鍛造過程中存在變形熱,難免會使材料內部溫度上升。如何控制變形熱,使溫升盡可能低,從而減小冷軋輥坯鍛造過程中心部過燒的風險,這就需要對冷軋輥坯鍛造工藝進行研究,以獲得相對最佳的鍛造工藝。長期以來,金屬塑性加工理論研究多限于對變形的力學分析,忽略了熱效應及傳熱等影響。在金屬成形過程中,塑性變形功不斷轉化為熱,使變形體內溫度不均勻變化,因而使變形體內熱加工性能也隨之改變。金屬塑性變形引起的溫升計算公式為:Δt=η?K?υmεσ0?εpρ?c(2)Δt=η?Κ?υεmσ0?εpρ?c(2)式中:η為排熱率,對于純金屬,η=0.85～0.90,對于合金,η=0.75～0.85;K為綜合影響系數,根據資料統(tǒng)計分析,K=1.15～3.98;m為變形速率影響指數,與鋼種和變形溫度有關,鋼的m為0.02～0.20;ρ為變形體質量密度(kg/m3);一般鋼的密度取ρ=7.8×103(kg/m3);c為變形體比熱容(kJ·kg-1·K-1),為0.678～0.708,含碳量高的,取下限值。式(2)中,υε為應變速率,對于工程上大變形的應變速率:υε=υ/H0(3)式中:υ為設備平均移動速度;H0為鍛件原始高度。此外,式(2)中σ0為基準(某溫度下)流動應力(Pa),常用材料的流動應力可在文獻中查得。式(2)中εp為變形體的等效應變增量,工程上大變形的等效應變增量:εp=ln(H0/H)(4)式中:H為變形體高度;H0為變形前原始高度。以直徑120mm、高度150mm的35CrMo鋼坯為例,加熱至1150℃在3t鍛錘上鐓粗,鐓粗后高度80mm,計算其鐓粗過程的溫升。35CrMo鋼的流動應力210MPa,變形速率影響指數m=0.14,綜合影響系數K=3.3,應變速率υε=40/s,等效應變增量εp=0.63,排熱效率η=0.8,比熱容c=0.68。根據式(2)計算可得,鍛造過程的平均溫升為110℃。由以上計算結果可以看出,鍛造時坯料內部的溫升是十分明顯的。且從式(2)中可得出,鍛造溫升與變形速率相關,變形速率越大,溫升越高。若鍛造壓下的變形量及變形速度較大,形變處的塑性變形功轉化為熱能,就使該處溫度升高。塑性變形體在變形過程中吸收變形功而導致自身溫度升高,對合金內部溫度有明顯的影響。冷軋輥坯鍛造過程經歷鋼錠鐓粗、拔長、成材的過程,鋼錠從直徑1000mm鐓粗至直徑1500mm,再鍛造至尺寸為300～600mm的各分段,壓下量大,心部變形量大,產生的熱量更多,如果此時溫度超過固相線溫度,鍛坯就會出現心部過燒現象。對于自由鍛工藝來說,鍛造時由于產生變形,心部溫升在所難免,關鍵是要控制溫升不致超過碳化物的熔點。常規(guī)的工藝改進可以通過減少變形量來控制溫升,但是對于5%Cr系鋼鍛造冷軋輥,單純減小鍛造變形量有一個很大的弊端——由于錠型很大,心部疏松十分嚴重,心部疏松需要較大的鍛造壓下量使之焊合。如果過分減小鍛造變形量,勢必造成鍛材心部疏松無法被焊合。因此鍛造壓下量必須控制在一個比較合理的范圍,既不致產生心部過燒,又確保鍛透。制定新的鍛造工藝時要著重考慮以下幾點:(1)防止鐓粗溫升過高,鐓粗過程由原來的一次鐓粗改進為分段鐓粗,在保證鐓粗比不變的前提下,最大限度降低鐓粗變形速率。(2)拔長時嚴格控制壓下量,并改進成材變形方式。原變形方式為各臺階逐步成材,容易導致輥頸部分由于變形量大、變形集中而導致溫升。后改為“整體變形,共同成材”的變形方式,同時采用合理的進鐵量,可有效防止同一截面反復鍛壓而造成心部溫升。采用改進后的鍛造工藝生產的冷軋輥坯,探傷合格率提高了8個百分點,效果明顯。4鑄造溫度對心部溫度的影響(1)導致5%Cr系鋼制鍛造冷軋輥坯超聲波探傷超標的原因是鍛