連鑄軋坯鍛后端部開裂問題研究

郭 波， 王 帆

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司型材廠， 山西 太原 030003）

1 開裂問題概述

使用快鍛機(jī)將240 mm2軋坯鍛造為Ф160 mm 軸類鍛件，鍛后端部出現(xiàn)開裂問題，宏觀開裂照片見圖1、圖2 所示。對此開展了針對性的分析、進(jìn)行了模擬鍛造、縱剖等試驗研究。分析產(chǎn)生開裂問題的根本原因，并提出改進(jìn)措施，避免類似問題再次發(fā)生[1]。

圖1 鍛后端部開裂

圖2 開裂部位宏觀形貌

2 原因分析和查找

2.1 鍛件低倍及組織

從開裂的軸類鍛件上鋸切低倍試樣（見圖3），檢驗未發(fā)現(xiàn)異常的疏松或縮孔。使用進(jìn)項顯微鏡觀察、對比裂紋處及普通的殘余縮孔、疏松組織可以看到，三者在形貌上有很大的差別，見圖4、圖5、圖6?？苫九懦鸭y由疏松或參與縮孔引起。

圖3 開裂鍛件的低倍試樣

圖4 鍛件裂紋—解剖面

圖5 正常生產(chǎn)探傷坯料- 殘余縮孔

圖6 正常生產(chǎn)探傷坯料- 疏松

2.2 鍛件裂紋附近脫C 層及晶粒

使用進(jìn)項顯微鏡觀察，裂紋附近脫C 不嚴(yán)重，完全脫碳層的厚度在100～200 μm（見圖7），基體組織、晶粒正常，裂紋附近未出現(xiàn)晶粒長大的現(xiàn)象（見圖8），表明缺陷在鍛造前的加熱過程中并未與空氣接觸，裂紋為內(nèi)生缺陷。

圖7 脫C 層

圖8 裂紋周圍晶體組織

2.3 裂紋附近夾雜物

使用掃描電鏡觀察裂紋試樣，在裂紋附件未發(fā)現(xiàn)Al2O3、CaO、MgO 類以及異常的大尺寸夾雜物，掃描電鏡分析如圖9。表明裂紋不是由于大夾雜物引起的鍛造過程開裂。

圖9 裂紋處掃描電鏡分析

2.4 低溫模擬鍛造

分別采用4 支超聲波探傷無缺陷的軋坯、8 支含有超聲波探傷缺陷的軋坯、4 支端面含有嚴(yán)重疏松缺陷的軋坯，共16 支進(jìn)行低溫模擬鍛造。試驗過程中軋坯的保溫溫度分別按照1 100 ℃、1 200 ℃執(zhí)行，均低于正常生產(chǎn)時的保溫溫度；保溫時間分別按照2.5 h、1 h 執(zhí)行；鍛造過程最大單次壓下量為120 mm；并采用不同時長的鍛造時間。16 支試驗料端部均未出現(xiàn)宏觀開裂現(xiàn)象。具體過程參數(shù)見表1。

表1 鍛造過程參數(shù)及結(jié)果

只有2 號與15 號樣品端面產(chǎn)生了類似于圖10的小裂紋，長度約為5 mm。這表明端面開裂具有偶發(fā)性，正常的疏松、探傷不合等缺陷均不會輕易產(chǎn)生宏觀開裂現(xiàn)象。

圖10 端部小裂紋缺陷

2.5 軋坯熱軋態(tài)中心部位力學(xué)性能對比

對軋坯中心部位進(jìn)行抗沖擊性能和熱塑性檢驗，檢驗結(jié)果如圖11、圖12。

圖11 橫/縱向沖擊值

圖12 抗拉強度和對邊收縮率

材料的沖擊功不高，在0 ℃以下時值＜10 J，熱塑性能較好，鋼坯中心部位力學(xué)性能數(shù)據(jù)不支持軋坯鍛造開裂由材料中心不致密、力學(xué)性能下降引起。

2.6 縱剖軋坯和鍛件

將如上頁圖2 所視缺陷沿軸向進(jìn)行縱剖，將鋸切面采用拋光機(jī)打磨，使用濃度為25%的硫酸溶液酸浸15 min，再用干燥的空氣將表面酸液及水分吹干，觀察到鋸切面存在橫縱交錯的裂紋，裂紋長度集中在10～30 mm 范圍（最長約80 mm），見圖13。橫縱交錯裂紋符合鋼坯內(nèi)部[H]溢出造成的晶間開裂特征。

圖13 縱剖鍛件內(nèi)部存在的橫縱交錯裂紋

3 確定改進(jìn)方案

3.1 煉鋼、澆注過程控H

受過程控制能力的提高，正常情況下連鑄圓坯在VD 冶煉和中包階段對應(yīng)的w[H]均＜2×10-6，但仍有40%的w[H]＞0.5×10-6。而連鑄軋坯與模鑄軋坯內(nèi)部疏松缺陷分布形態(tài)不同，如圖14、圖15 低倍試樣所示，連鑄疏松部位更加集中，造成[H]集中分布，出現(xiàn)“H 陷阱”。而要減少[H]對鋼材內(nèi)部質(zhì)量的影響，就需對軋坯進(jìn)行緩冷，促進(jìn)[H]在高溫下的“溢出”。減少冷卻后[H]原子緩慢結(jié)合為[H]分子，體積急劇膨脹，使原材料內(nèi)部晶間開裂。

圖14 模鑄軋坯疏松形貌

圖15 連鑄軋坯疏松形貌

3.2 緩冷與堆冷對比試驗

為了研究連鑄軋坯采取不同冷卻工藝所帶來的探傷合格率的變化，選擇同一澆次的10 爐鋼中的5爐進(jìn)行堆冷（見圖16）、5 爐開展緩冷試驗（見圖17），冷卻后進(jìn)行超聲波探傷，放置10 d 后重新探傷，對比結(jié)果如表2。

圖16 堆冷工藝

圖17 緩冷工藝

表2 超聲波探傷合格率對比 %

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)看：5 爐軋坯堆冷后直接探傷，超聲波探傷合格率為97.9%，處于正常水平；但放置10 d時間后，再次探傷，合格率下降到81%，出現(xiàn)明顯的探傷異?，F(xiàn)象；5 爐執(zhí)行緩冷工藝后的軋坯超聲波探傷合格率為98.4%，放置10 d 后再次探傷，合格率基本保持不變。這表明執(zhí)行堆冷工藝的軋坯隨著放置時間的延長，內(nèi)部缺陷組織形貌發(fā)生變化，導(dǎo)致超聲波探傷缺陷超標(biāo)；采取緩冷工藝可以杜絕類似問題的發(fā)生，直接改善探傷合格率[2]。

為了進(jìn)一步驗證不同緩冷時間對軋坯的超聲波探傷合格率的影響，隨機(jī)選擇5 爐軋坯開展緩冷不同時間的對比試驗，最終確定緩冷時間按照中碳鋼工藝要求≥36 h 即可滿足要求。

4 效果及結(jié)論

將120 爐執(zhí)行36 h 緩冷工藝的軋坯放置一段時間后再次探傷，未出現(xiàn)探傷合格率波動情況；用戶鍛造后也未出現(xiàn)端部開裂現(xiàn)象。

這表明連鑄軋坯執(zhí)行緩冷工藝，可以確保內(nèi)部組織穩(wěn)定，不出現(xiàn)延遲開裂，達(dá)到改善質(zhì)量的作用，從未杜絕鍛后端部開裂。