控制大型鍛件帶狀組織的研究與實踐

對于大型軸類鍛件，為控制橫向與縱向機械性能基本一致，一般對帶狀組織要求低于2.0級。生產過程中由于控制不當，造成較多大型鍛件帶狀組織不合格而報廢。本文就帶狀組織形成原因、工藝過程的控制研究與實踐進行論述。

背景闡述

山東光明工模具制造有限公司是以生產冷軋、熱軋工作輥、中小型支承輥、冷熱作工具鋼的企業。具有10t中頻爐、30t電弧爐、30tLF爐、30tVD真空室各一臺、1～30t電渣重熔爐10臺、800t、1600t、3150t自由鍛造水壓機各一臺等熱加工設備，具有年生產鍛件40000t的生產能力。

冷軋工作輥是黑色與有色冶金行業的大型工具，屬于細長軸類鍛件。在軋機生產線的工作過程中，承受著彎曲、扭轉、剪切復合應力聯合作用。其中輥身工作區承受著耐磨性與次表層周期剪應力的剪切作用。一般冶金企業以性能價格比要求軋輥生產廠的產品質量。為防止軋輥在使用過程中輥身或輥頸斷裂，在技術要求中要求帶狀組織級別按GB/T 18254-2002標準低于2.0級。因此，在冷軋工作輥的毛坯制造過程中，要對產生帶狀組織的要素進行控制。

實際生產過程中，一些汽輪機轉子、風力發電機主軸、發電機轉子等軸類鍛件，也一樣對帶狀組織有要求。控制不當會造成整件報廢，造成生產制造企業經濟損失。經過多年的實際生產總結及理論分析，筆者認為用以下工藝過程，可以將大型鍛件的帶狀組織控制變為可能。

帶狀組織形成原因分析

對冷軋工作輥、發電機轉子、汽輪機轉子在鍛后熱處理出爐后、粗加工時，在輥頸端部三分之一半徑處取縱向試樣，按縱向作金相分析，判定是否符合技術條件要求。

從金相分析認為，帶狀組織的形成原因有以下幾個因素。

⑴低溫鍛造：一般鍛造工藝規定，最后一火的輥身鍛造比Y＝1.5。目的是改善鍛造始鍛溫度下被粗化的晶粒度。實際鍛造過程中，完成輥身鍛造后，再鍛造輥頸，此時的輥頸溫度已經低于鋼種回復與再結晶溫度，鍛造變形產生的滑移線得不到回復而保留下來，輥頸鍛造比大多Y≥6.0。在鍛后熱處理的正火溫度下，無法消除滑移線而形成帶狀組織。

⑵夾雜物。煉鋼的三個時期為熔化、氧化、還原。現代煉鋼一般還原期均在LF爐中進行，對于一般要求的成品鋼水[O]=20～40PPm。由于氧的存在，在LF爐中精煉時，無論使用高鋁系還是高鈣系還原渣，夾雜物尺寸在φ5μm以下的，無法上浮形成膠體。只有夾雜物尺寸在φ20μm以上的，才具備上浮條件。這些夾雜物在鍛造變形過程中沿滑移線方向分布，就形成了帶狀組織。

夾雜物一般分為不可變形夾雜物和可變形夾雜物。不可變形夾雜物變形性指數為零（γ=0）。這類夾雜物多為D類的Cao·SiO2類型。這類夾雜物在鍛造變形時不發生變形，產生位移后，其沿著鍛造變形方向留下焊合的撕裂帶，形成明顯帶狀組織。

另一類夾雜物為可變形夾雜物，變形性指數γ≥1.0。此類夾雜物為A類的MnS。其沿著變形方向被拉長，顯微鏡觀察為帶狀組織。

近些年在生產實踐中，發現新一類夾雜物。在顯微鏡下觀察判斷變形性指數應該在0.2≤γ≤0.6之間。這類夾雜物在電子探針下能譜分析認定為：CaO·SiO2·MnO的多分子夾雜物。這類夾雜物在顯微鏡下為細長條帶，認為是促成帶狀組織的成因之一。

⑶碳化物。二次碳化物在鍛后冷卻過程沿纖維方向析出，鍛后熱處理過程無法完全溶解，形成了帶狀組織。

帶狀組織工藝控制

⑴冶煉工藝控制帶狀組織。

1)控制氧含量[O]≤20PPm。從帶狀組織形成因素可以看出，氧化物是帶狀組織的成因。為減少氧化物沿變形方向分布，煉鋼時應盡可能降低成品鋼水中的氧含量。操作上采用多次深脫氧或長效深脫氧劑（如CaSiAlBe）。對于冷軋工作輥（冷作模具鋼），建議其成品鋼水的[O]≤8PPm。

同時，根據技術要求中對A、B、C、D四類夾雜物要求的不同，選擇LF爐或電渣重熔時的渣系。以利于要求嚴格的鋼水中的夾雜物類型、夾雜物與渣具有良好的浸潤性而被捕捉到、降低夾雜物含量。

2)Mn加入時機控制。通過分析帶狀組織成因，MnS與含MnO的鹽類對帶狀組織的影響不大：因為現代煉鋼LF爐的應用，在高溫+還原氣氛+高堿度的冶煉條件下，鋼水中的［S］≤50PPm控制并不困難，MnS的形成量級不會很高。

粗煉鋼水兌入LF爐后，有些鋼廠會在還原初期用Mn鐵作為還原劑，或過早的加入Mn鐵。使未被完全還原的EBT粗煉的、含FeO較高的鋼水被Mn還原，形成MnO。之后與鋼水中的SiO2、CaO形成可以變形的CaO·SiO2·MnO化合物，被拉長后形成帶狀組織。實踐證實鋼水溫度升到1650℃以上，渣在對鋼水還原良好的狀態下，再加入MnFe合金化，對控制帶狀組織非常有利。

通過對MnFe加入時機的控制，可同時減少鍛造并提高終鍛溫度，使原來只有2.5級的帶狀組織提高到1.5級。改進前后的帶狀組織如圖1所示。

圖1 改進前后的帶狀組織

鍛造變形過程中所產生的滑移線，如果不能在變形過程中自動回復與再結晶，或者在鍛后熱處理過程中消除。在粗加工取樣時，會形成由滑移線引起的帶狀組織。

經過生產驗證，鍛件的成形火次將鍛造比控制在Y=1.3～1.5之間，同時控制終鍛溫度在回復再結晶溫度范圍內，產生帶狀組織的程度較輕。

⑵用熱處理控制帶狀組織。

關于帶狀組織在熱處理原理中的描述——帶狀組織可以用熱處理辦法消除，但并無針對性的工藝措施，如加熱溫度等參數。那么一旦鍛后熱處理結束，取樣發現帶狀組織不合格時該如何處理呢？

江蘇南工鍛造廠的34CrMo1A發電機轉子與山東光明工模具鋼的5%Cr型冷軋工作輥，在粗加工時發現帶狀組織不合格的情況，通過借用契爾諾夫B點分析與應用，可以將帶狀組織2.5級降低到1.5級。具體工藝如圖2所示。

這種對已出現的帶狀組織進行補救的工藝，雖然有效。但是其增加了生產成本、同時生產周期延長。因此還是應該在冶煉、鍛造工藝過程中控制帶狀組織的發生。

實際執行控制工藝

⑴冶煉工藝。

表1為5%Cr型冷軋工作輥的電極坯與電渣重熔后的技術要求（化學成分）。為完成技術要求，結合我公司冶煉設備進行分析：EBT(粗煉鋼水）+LF爐精煉+VD（真空處理）+氬氣保護（下注）+電渣重熔。

1)粗煉鋼水。

電弧爐：粗煉鋼水時，配碳量為終點碳量+總脫碳量，一般總脫碳量為0.60%左右。此鋼種的配碳量為0.90%左右，熔化期為全部金屬爐料熔清。這時取第一個化學試樣，作全分析。

氧化期：造高堿度渣，用過管道氧等加氧方式脫P。脫P應在鋼水溫度1600℃以下完成，P≤0.010%后，可以造泡沫渣并升溫。

出鋼條件：溫度1680℃、C為0.25%～0.30%、P≤0.010%。

2)LF爐精煉控制Mn工藝要點。

造高Al2O3渣，添加50%的CaO+38%Al2O3，總渣量約15kg/t鋼，成渣后形成熔點較低的(CaO)12.(Al2O3)7。這種渣對B、C、D三類夾雜物均有較好的浸潤性，有利于對鋼水中夾雜物進行捕捉，凈化鋼水。

當鋼水溫度升高到1650℃，取樣作全分析。按分析結果進行合金化操作。合金加入次序為：Ni→Mo→Si→Cr，MnFe在渣完全進入還原狀態后加入，控制MnS、MnO的形成數量。

此后的操作正常進行，這里不再贅述。

圖2 契爾諾夫B點減輕帶狀組織分析

表15 %Cr型冷軋工作輥的電極坯與電渣重熔后的技術要求（化學成分）

圖3 鍛造工藝控制帶狀組織

⑵鍛造工藝控制實例。

1)鍛造比：鍛件在出成品火次后，使輥身、兩端輥頸預留鍛比Y=1.3。此鍛造比既可以破碎始鍛溫度下的粗大晶粒，也控制了大變形造成的滑移線嚴重，但對于回復及再結晶不利而留下帶狀組織。

2)終鍛溫度：在預留鍛比Y=1.3的條件下，可以在回復與再結晶溫度范圍內完成成形鍛造，使較輕滑移線得到回復、減輕帶狀組織。具體鍛造工藝如圖3所示。

結束語

本文分析了大型鍛件的帶狀組織的形成原因；提出了帶狀組織的控制思路；并在實際生產工藝執行后，取得了滿足技術要求的結果。