談鍛鋼支承輥熱鍛裂紋原因與質(zhì)量控制范文
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摘要:結(jié)合鍛鋼支承輥生產(chǎn)工藝流程對造成熱鍛裂紋的影響因素進(jìn)行了分析，并結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗提出了質(zhì)量控制措施。
關(guān)鍵詞:鍛鋼支承輥;鍛造裂紋;質(zhì)量控制
大型鍛鋼支承輥是軋機(jī)的重要組成部件，其單件造價高且屬于消耗品，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響著軋制產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。經(jīng)過多年的工藝和設(shè)備改進(jìn)，目前國內(nèi)大鍛件鍛造工藝水平基本可以按照J(rèn)BT4120—2017《大型鍛造合金鋼支承輥技術(shù)條件》的要求保證連軋、中板及寬厚板支承輥產(chǎn)品心部無損檢測質(zhì)量，但是鍛造工藝過程中經(jīng)常會出現(xiàn)以鍛造裂紋為主的表面問題，嚴(yán)重影響工藝執(zhí)行，甚至導(dǎo)致產(chǎn)品報廢［1－4］。本文主要從鍛鋼支承輥生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)和實施方面分析裂紋產(chǎn)生原因，并探討有效的防控措施。
1鍛鋼支承輥制造工藝流程
目前，大型鍛造合金鋼支承輥一般均采用真空鋼錠［5］。鍛造工序一般按照鍛造規(guī)范進(jìn)行3火次～8火次的鍛造生產(chǎn)，完成最終毛坯鍛件的生產(chǎn)。鍛造工序結(jié)束后，鍛件毛坯需要經(jīng)過鍛后熱處理、調(diào)質(zhì)、差溫等一系列熱處理工藝及粗、精加工等工序最終獲得支承輥零件。本文只討論鍛造工藝過程中的裂紋問題，對后續(xù)熱處理及加工不作討論。
2鍛鋼支承輥鍛造裂紋影響因素分析
2．1鋼錠裂紋
鋼錠表面裂紋是指在鋼錠未進(jìn)入鍛造工序就已發(fā)現(xiàn)的表面裂紋。對于常見的24棱、16棱、8棱鋼錠，這種裂紋多數(shù)位于鋼錠相鄰棱之間的鋼錠表面上，以橫紋為主，也存在順紋或者斜紋。但沿鋼錠棱出現(xiàn)的順紋較為少見。大型鍛造合金鋼支承輥一般采用鑄造鋼錠，目前國內(nèi)普遍以中碳Cr系合金鋼為主。澆鑄工藝如果控制不合理或者工藝執(zhí)行出現(xiàn)波動，在降溫過程中有可能產(chǎn)生很強(qiáng)的宏觀熱應(yīng)力，造成表層出現(xiàn)激冷裂紋。鋼錠模的表面質(zhì)量也會影響鋼錠的局部應(yīng)力分布，一旦出現(xiàn)粘連，也會產(chǎn)生較強(qiáng)的局部應(yīng)力集中，從而誘發(fā)裂紋出現(xiàn)。此外，鋼錠模設(shè)計成多棱結(jié)構(gòu)，在棱角部分會存在較多的夾雜物沉積，使該部分的強(qiáng)度減弱，在熱鍛初期開坯階段可能局部開裂，通常對棱角比較明顯的8棱鋼錠進(jìn)行鍛前倒角有助于避免出現(xiàn)此類開裂。
2．2始鍛裂紋
始鍛裂紋由于在從冶煉工序轉(zhuǎn)鍛造工序前不存在或者沒有被觀察到，在鍛造工序又基本上沒有大尺度變形，因此對于其成因一直存在爭議。一種觀點認(rèn)為此類裂紋在鋼錠凝固過程形成，溫差造成的宏觀應(yīng)力和鋼錠局部材料存在的偏析缺陷使鋼錠局部處于開裂或臨界開裂狀態(tài)，由于表層氧化皮覆蓋和檢測手段有限，難以在進(jìn)入鍛造工序前發(fā)現(xiàn)，因此只有在開始鍛造變形后，局部才會以開裂方式明顯的表現(xiàn)出來。對于這種觀點，首先鋼錠脫模后表面偶爾能夠觀察到的表面裂紋，反映出鋼錠確實存在進(jìn)鍛造工序前即已存在局部裂紋的可能;其次，此類裂紋，鍛造工序在第一火次，表面輕壓即可觀察到裂紋，由此推斷裂紋產(chǎn)生和鍛造變形無關(guān)。另一種觀點認(rèn)為此類裂紋是在轉(zhuǎn)序階段形成。目前國內(nèi)大型裝備制造廠，熔煉和鍛造車間轉(zhuǎn)序，總是要涉及到鋼錠在爐外移動，這個過程中必然伴隨著快速的溫降，特別是在環(huán)境溫度較低和濕度較大的時候，這個溫降速度會更快，這樣會導(dǎo)致鋼錠表面形成一個低溫殼層，并在周向形成拉應(yīng)力，誘發(fā)裂紋產(chǎn)生。針對此類觀點，可以通過加蓋保溫罩，加強(qiáng)工序協(xié)調(diào)，減少轉(zhuǎn)運時間等措施減少轉(zhuǎn)序過程中的環(huán)境因素影響，但實際生產(chǎn)經(jīng)驗表明，這些質(zhì)量控制措施實際效果一般，這個因素并不是導(dǎo)致此類裂紋的主要原因。此外，還有一種觀點認(rèn)為此類裂紋和鍛前加熱有關(guān)。由于鋼錠脫模后通常溫度較低，難以滿足直接鍛造需求，因此需要轉(zhuǎn)序后進(jìn)加熱爐加熱，如果升溫過快或者保溫溫度過高，那么有可能導(dǎo)致局部裂紋問題。根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗反饋，由于支承輥類材質(zhì)大部分屬于2%Cr～5%Cr的中碳合金鋼，目前大鍛件常用的臺車式天然氣或煤氣加熱爐的升溫速度不至于導(dǎo)致支承輥加熱過程中因傳熱不均開裂，而且此類合金鋼的液相點一般都在1350℃以上，實際鍛造首火次加熱溫度一般略高于1200℃，達(dá)不到過熱過燒的程度。總體而言，上述三種觀點第一種可能性最大，第三種可能性最小，但由于客觀條件限制，目前很難給出徹底的評判依據(jù)，特別是鍛造首火次裂紋往往成批出現(xiàn)，且在一定時間段集中發(fā)生，因此原材料控制、生產(chǎn)管理、設(shè)備穩(wěn)定性等因素也可能在其中有重要影響，制造企業(yè)宜加強(qiáng)質(zhì)量監(jiān)控，注意積累數(shù)據(jù)，用經(jīng)驗性的制度管理來避免問題發(fā)生。
2．3鍛造過程中的橫、順紋
大型鍛鋼支承輥在鍛造過程中出現(xiàn)的裂紋集中表現(xiàn)為兩類［6－7］，一類是裂紋方向沿毛坯軸線方向，稱為順紋，另一類是裂紋方向垂直于毛坯軸線，稱為橫紋，圖1給出了鍛造過程中橫紋與順紋出現(xiàn)的形態(tài)與位置。結(jié)合生產(chǎn)實際情況，橫紋的危害遠(yuǎn)小于順紋的危害。橫紋出現(xiàn)后，在進(jìn)一步變形過程中一般不會隨著變形加劇而不斷擴(kuò)大，甚至在鍛造過程中，裂紋面逐漸張開，成為鍛件毛坯的新表面。相對而言，順紋一旦出現(xiàn)，如不及時清理，隨著鍛造進(jìn)行，裂紋會向心部擴(kuò)展，而且由于支承輥是軸類件，順紋一旦位于最終成品的臺階處，將極易導(dǎo)致產(chǎn)品尺寸不夠而報廢。由于兩類裂紋性質(zhì)和危害有較大差別，一般出現(xiàn)橫紋后可以視情況局部加大尺寸、清傷或在位置合適的時候?qū)M紋鍛造為一個臺階，但對于順紋，需要及時清傷，清傷過程中還要務(wù)求徹底，成品階段出現(xiàn)順紋需要注意加大工藝尺寸量，避免廢品出現(xiàn)。
2．4折傷裂紋
折傷裂紋也是大型鍛造合金鋼支承輥鍛造階段一種重要的裂紋形式。圖2(a)給出了折傷裂紋形成的過程，圖2(b)給出了在實際鍛造過程中形成的折傷裂紋。目前折傷裂紋的成因比較明確，為了壓實鋼錠心部鑄態(tài)組織，必然要求鍛造過程中進(jìn)行大變形。在拔長壓實階段，由于砧寬通常比坯料軸向長度短，需要分段鍛造，相鄰砧搭接處會形成折痕，嚴(yán)重時折痕處材料撕裂，導(dǎo)致大橫紋出現(xiàn)。對于此類裂紋，可以通過相鄰砧預(yù)留搭接量以及在砧寬側(cè)邊倒圓弧角的方式盡可能減少裂紋的出現(xiàn)，但是由于心部質(zhì)量更為關(guān)鍵，需要優(yōu)先保證壓下量，確保心部壓實。對于已經(jīng)出現(xiàn)的折傷裂紋，通常可以通過吹氧或燒剝的方式將裂紋熔開或剝離成平面，有可能影響生產(chǎn)進(jìn)度，但一般不會造成質(zhì)量問題。
3質(zhì)量控制措施
3．1鋼錠質(zhì)量控制
雜質(zhì)化學(xué)元素的控制和去除對于降低支承輥鍛造熱裂有著重要影響，如C、Mn元素會顯著降低支承輥的熱抗力，Cu、Sn、Pb、As等元素及其化合物在晶界富集后會降低晶界強(qiáng)度，從而誘發(fā)裂紋產(chǎn)生。因此需從原料純度和工藝上對鋼水成分進(jìn)行控制，首先精選Ni、Mo廢鋼和優(yōu)質(zhì)生鐵嚴(yán)格控制殘余元素含量，精選螢石、石灰等造渣材料，改善渣-金合金反應(yīng)界面的結(jié)構(gòu)和形態(tài)，促進(jìn)脫氧夾雜物的聚合和長大，有效提高造渣效果;其次嚴(yán)格控制冶煉中氧化期的脫P(yáng)脫C和還原期的脫O脫S。最后限制鋼中加鋁量，抑制氮化鋁沿晶界的析出。因此只有嚴(yán)格控制化學(xué)成分、有效去除有害元素，盡可能的采用真空精煉法和電渣重熔法，避免硫化物、硅酸鹽、氧化物等內(nèi)生夾雜的產(chǎn)生和爐體材料進(jìn)入鋼水造成的外生夾雜的產(chǎn)生，最大限度地提高鋼錠的純凈度，在源頭上避免鋼錠鍛造開裂。
3．2輔具及工藝細(xì)節(jié)優(yōu)化
鋼錠模自身結(jié)構(gòu)的完整性對鋼錠的表面質(zhì)量有著較為重要的影響，實踐中發(fā)現(xiàn)鋼錠模內(nèi)部有缺陷，或者新鋼錠模預(yù)熱處理不當(dāng)，導(dǎo)致沿鋼錠縱向出現(xiàn)縱向裂紋［8］。所以在鋼錠模日常使用時澆前要做好清理打磨工作保持尺寸和結(jié)構(gòu)的完整性并及時淘汰舊鋼錠模。澆鑄鋼錠的操作和工藝規(guī)范對鋼錠的質(zhì)量和降低支承輥鍛造開裂幾率起著重要的作用。澆注產(chǎn)生的缺陷會間隔基體組織的連續(xù)性，大大減低鋼錠的熱變形塑性。鋼錠在澆鑄過程中產(chǎn)生裂紋的原因十分復(fù)雜，其根本原因在于鋼錠在凝固和冷卻過程中受到鋼水的靜壓力、熱應(yīng)力、組織應(yīng)力及其它應(yīng)力的作用，當(dāng)作用在鋼錠上的應(yīng)力超過了本身的強(qiáng)度極限及塑性變形的臨界值，就會在鋼錠薄弱處產(chǎn)生裂紋。因此澆鑄鋼錠時應(yīng)采取以下有效措施:(1)嚴(yán)格控制吊包溫度;(2)控制澆注溫度;(3)選擇適宜的澆注速度;(4)澆注溫度高時采取慢注，澆注溫度低時應(yīng)快速澆注［3］。脫模對鋼錠的表面質(zhì)量的影響同樣不可忽略。鋼錠凝固后，表面組織已轉(zhuǎn)變完成，體積按正常冷卻過程收縮，而內(nèi)部正發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，體積發(fā)生膨脹，膨脹的內(nèi)層必然給表面層一個明顯的拉應(yīng)力，當(dāng)三個應(yīng)力之和超過晶界強(qiáng)度，就會導(dǎo)致鋼錠產(chǎn)生裂紋，而這些裂紋會隱藏在鋼錠的鐵皮下，鍛造時就會擴(kuò)展，因此鋼錠要避免過早脫模，通過緩冷消除鋼錠冷卻溫度下降時體積收縮造成的熱應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變引起的組織應(yīng)力。
3．3吹氧、燒剝清傷
實際中仍會有少量鋼錠的過程控制出現(xiàn)紕漏，導(dǎo)致少數(shù)鋼錠在鍛前和鍛后出現(xiàn)裂紋，一般會選用吹氧和燒剝的方式進(jìn)行物理性的材料去除，實現(xiàn)裂紋的清理。吹氧和燒剝技術(shù)的好壞對裂紋的有效清理有著重要的影響。在吹氧和燒剝的工藝上要采取重視和優(yōu)先順紋的清理，優(yōu)化不同人員清傷操作的規(guī)范性和一致性，保證清傷部位清理完為平面或凸面，避免出現(xiàn)凹面。在過程管理上要做到成品火次前完成清傷處理，轉(zhuǎn)序前做好轉(zhuǎn)序溝通，轉(zhuǎn)序中注意保溫，轉(zhuǎn)序后盡快入爐并做好檢查記錄。
3．4生產(chǎn)質(zhì)量聯(lián)合管控
由于支承輥鍛造屬于一個多生產(chǎn)工序的協(xié)調(diào)生產(chǎn)過程，工序多、周期長，多生產(chǎn)工序就會產(chǎn)生多種隨機(jī)因素從而導(dǎo)致鍛造裂紋的出現(xiàn)時間、出現(xiàn)形態(tài)以及形成的原因不同。支承輥生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)組織的規(guī)范性對降低鍛造裂紋的產(chǎn)生有積極的作用。在生產(chǎn)過程中要嚴(yán)格按照工藝進(jìn)行，確保生產(chǎn)操作的規(guī)范性和可追溯性，提高鍛造過程中的問題監(jiān)控，有效避免工序間的推諉。
4結(jié)論
大型鍛造合金鋼支承輥的熱鍛裂紋問題是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)問題，不僅涉及到材質(zhì)的可鍛性、鍛造工藝參數(shù)、生產(chǎn)質(zhì)量管控，還涉及到大型鋼錠冶煉和毛坯料轉(zhuǎn)序質(zhì)量控制，很難找到一勞永逸的解決方案。通過前述討論的質(zhì)量預(yù)防和控制措施能夠減少鍛造裂紋的出現(xiàn)和有效控制鍛造裂紋的影響，但是在制造過程中，還應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)實際狀況不斷針對性的加強(qiáng)和規(guī)范質(zhì)量控制，避免裂紋的出現(xiàn)，控制裂紋的影響。
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作者：周京 蘇越 周樹銀 李揚(yáng) 馬緒鵬 單位：天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院