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(jī)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(chǎn)品。5%Cr系鍛造冷軋輥用鋼,含碳量達(dá)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(guò)共析鋼。按有關(guān)探傷標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)區(qū))允許有?2mm～?3mm的分散缺陷和密集缺陷。經(jīng)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(dāng)量可達(dá)?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(dǎo)致軋輥不合格的缺陷的成因,找到了預(yù)防措施。1缺陷表面元素組成在超聲波探傷缺陷波超標(biāo)部位,使用帶鋸切取20mm厚的試樣,再經(jīng)過(guò)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(jīng)酸洗后觀察,檢驗(yàn)面上見(jiàn)多條小裂紋。在裂紋處取樣,經(jīng)高倍顯微觀察試樣縱截面,裂紋處未見(jiàn)夾雜物,見(jiàn)圖2、圖3。經(jīng)腐蝕后觀察發(fā)現(xiàn),試樣中有大量的網(wǎng)絡(luò)狀分布的空洞、裂紋,并沿碳化物網(wǎng)開(kāi)裂,碳化物網(wǎng)角處有熔融痕跡,見(jiàn)圖3。也就是說(shuō),超聲波探傷缺陷超標(biāo)的試樣中存在大量的網(wǎng)絡(luò)狀空洞,符合過(guò)燒組織的晶界-碳化物-裂紋分布特征,即過(guò)燒時(shí)碳化物沿晶界析出,晶界處出現(xiàn)了裂紋,在裂紋處又有大塊的碳化物。因此,可以認(rèn)為這種缺陷是由于過(guò)燒造成的。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)燒時(shí),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(shí),其加熱溫度接近鋼的液相點(diǎn),若形變速度過(guò)大,則會(huì)由于機(jī)械能轉(zhuǎn)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(diǎn)以上而導(dǎo)致“過(guò)燒”,這與熱處理加熱過(guò)燒的特征相同,是都有液相出現(xiàn),但兩者的表現(xiàn)形式卻截然不同。熱處理過(guò)燒是由外部開(kāi)始,而“形變過(guò)燒”則從內(nèi)部發(fā)生;前者在外觀上為網(wǎng)裂、沿晶氧化,而后者表面完好,內(nèi)部呈疏松狀。5%Cr系鋼制鍛造冷軋輥坯心部過(guò)燒符合上述“形變過(guò)燒”的特點(diǎn)。5%Cr系冷軋輥用鋼屬高碳過(guò)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(diǎn)低于基體組織,當(dāng)溫度超過(guò)液析碳化物熔點(diǎn)時(shí),很容易使液析碳化物熔解,形成沿碳化物網(wǎng)的空洞、裂紋。經(jīng)分析,造成冷軋輥坯中心部位溫度過(guò)高的熱加工因素有:(1)鋼錠加熱溫度偏高;(2)鍛造變形量過(guò)大或集中變形,鍛件心部產(chǎn)生的變形熱造成的溫升超過(guò)碳化物熔點(diǎn)。3工藝試驗(yàn)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(zhǎng)-鍛造成材-冷軋輥坯退火-精整。3.1溫度對(duì)非均質(zhì)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(duì)鋼錠進(jìn)行高溫均質(zhì)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(xiàn)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(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到的偏析比與均勻化處理溫度之間的關(guān)系如圖4所示。由圖4可見(jiàn),在不同溫度均勻化處理不同時(shí)間后,偏析比均有不同程度的下降。而提高均勻化(擴(kuò)散)溫度對(duì)材料均質(zhì)化效果的作用較延長(zhǎng)保溫時(shí)間更為顯著,這是因?yàn)闇囟仁怯绊懺訑U(kuò)散速度的最主要的因素,溫度越高,原子越容易遷移,擴(kuò)散速度也越快。而在某一固定溫度下,延長(zhǎng)保溫時(shí)間,擴(kuò)散流量將隨濃度梯度的減少而下降,當(dāng)溶質(zhì)原子分布趨于均勻時(shí),即使再延長(zhǎng)保溫時(shí)間,其元素分布變化也不大,即均質(zhì)化效果不明顯。而溫度越高,達(dá)到均質(zhì)化所需要的時(shí)間也越短。原高溫均勻化溫度為固相線以下90～120℃,還是出現(xiàn)了由于心部溫升導(dǎo)致的碳化物聚集帶過(guò)燒。根據(jù)圖4,若僅為降低過(guò)燒風(fēng)險(xiǎn)而降低高溫均勻化溫度,勢(shì)必影響高溫均勻化擴(kuò)散效果。因此,新工藝選定的高溫均勻化溫度及時(shí)間不變,而是改為隨后降低到鍛造溫度進(jìn)行鍛造。3.2試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算公式為由于鍛造過(guò)程中存在變形熱,難免會(huì)使材料內(nèi)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(guò)程中心部過(guò)燒的風(fēng)險(xiǎn),這就需要對(duì)冷軋輥坯鍛造工藝進(jìn)行研究,以獲得相對(duì)最佳的鍛造工藝。長(zhǎng)期以來(lái),金屬塑性加工理論研究多限于對(duì)變形的力學(xué)分析,忽略了熱效應(yīng)及傳熱等影響。在金屬成形過(guò)程中,塑性變形功不斷轉(zhuǎn)化為熱,使變形體內(nèi)溫度不均勻變化,因而使變形體內(nèi)熱加工性能也隨之改變。金屬塑性變形引起的溫升計(jì)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(duì)于純金屬,η=0.85～0.90,對(duì)于合金,η=0.75～0.85;K為綜合影響系數(shù),根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)分析,K=1.15～3.98;m為變形速率影響指數(shù),與鋼種和變形溫度有關(guān),鋼的m為0.02～0.20;ρ為變形體質(zhì)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(yīng)變速率,對(duì)于工程上大變形的應(yīng)變速率:υε=υ/H0(3)式中:υ為設(shè)備平均移動(dòng)速度;H0為鍛件原始高度。此外,式(2)中σ0為基準(zhǔn)(某溫度下)流動(dòng)應(yīng)力(Pa),常用材料的流動(dòng)應(yīng)力可在文獻(xiàn)中查得。式(2)中εp為變形體的等效應(yīng)變?cè)隽?工程上大變形的等效應(yīng)變?cè)隽?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(jì)算其鐓粗過(guò)程的溫升。35CrMo鋼的流動(dòng)應(yīng)力210MPa,變形速率影響指數(shù)m=0.14,綜合影響系數(shù)K=3.3,應(yīng)變速率υε=40/s,等效應(yīng)變?cè)隽喀舙=0.63,排熱效率η=0.8,比熱容c=0.68。根據(jù)式(2)計(jì)算可得,鍛造過(guò)程的平均溫升為110℃。由以上計(jì)算結(jié)果可以看出,鍛造時(shí)坯料內(nèi)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(guān),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(zhuǎn)化為熱能,就使該處溫度升高。塑性變形體在變形過(guò)程中吸收變形功而導(dǎo)致自身溫度升高,對(duì)合金內(nèi)部溫度有明顯的影響。冷軋輥坯鍛造過(guò)程經(jīng)歷鋼錠鐓粗、拔長(zhǎng)、成材的過(guò)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(chǎn)生的熱量更多,如果此時(shí)溫度超過(guò)固相線溫度,鍛坯就會(huì)出現(xiàn)心部過(guò)燒現(xiàn)象。對(duì)于自由鍛工藝來(lái)說(shuō),鍛造時(shí)由于產(chǎn)生變形,心部溫升在所難免,關(guān)鍵是要控制溫升不致超過(guò)碳化物的熔點(diǎn)。常規(guī)的工藝改進(jìn)可以通過(guò)減少變形量來(lái)控制溫升,但是對(duì)于5%Cr系鋼鍛造冷軋輥,單純減小鍛造變形量有一個(gè)很大的弊端——由于錠型很大,心部疏松十分嚴(yán)重,心部疏松需要較大的鍛造壓下量使之焊合。如果過(guò)分減小鍛造變形量,勢(shì)必造成鍛材心部疏松無(wú)法被焊合。因此鍛造壓下量必須控制在一個(gè)比較合理的范圍,既不致產(chǎn)生心部過(guò)燒,又確保鍛透。制定新的鍛造工藝時(shí)要著重考慮以下幾點(diǎn):(1)防止鐓粗溫升過(guò)高,鐓粗過(guò)程由原來(lái)的一次鐓粗改進(jìn)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(zhǎng)時(shí)嚴(yán)格控制壓下量,并改進(jìn)成材變形方式。原變形方式為各臺(tái)階逐步成材,容易導(dǎo)致輥頸部分由于變形量大、變形集中而導(dǎo)致溫升。后改為“整體變形,共同成材”的變形方式,同時(shí)采用合理的進(jìn)鐵量,可有效防止同一截面反復(fù)鍛壓而造成心部溫升。采用改進(jìn)后的鍛造工藝生產(chǎn)的冷軋輥坯,探傷合格率提高了8個(gè)百分點(diǎn),效果明顯。4鑄造溫度對(duì)心部溫度的影響(1)導(dǎo)致5%Cr系鋼制鍛造冷軋輥坯超聲波探傷超標(biāo)的原因是鍛