風(fēng)電法蘭用鋼內(nèi)部裂紋失效分析

李浩秋

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司特鋼事業(yè)部，山東 萊蕪 271105）

1 前言

S355NL鑄坯作為風(fēng)電法蘭用鋼，要求有較好的綜合力學(xué)性能、耐低溫性能，良好的焊接工藝性能和較好的耐腐蝕性能，為了保證鋼材性能，鋼材進(jìn)行Nb、V微合金處理，S355NL鍛造風(fēng)電法蘭后，進(jìn)行100%超聲波探傷檢測。本文對風(fēng)電法蘭內(nèi)部裂紋失效進(jìn)行系統(tǒng)分析，確定工藝改進(jìn)措施，提高風(fēng)電法蘭超聲探傷合格率。

2 風(fēng)電法蘭加工工藝

2.1 坯料下料

根據(jù)法蘭盤大小和高徑比，選擇Φ650 mm和Φ 800 mm坯料，確定下料長度。

2.2 坯料加熱

將坯料預(yù)加熱至800℃，裝料進(jìn)爐（天然氣加熱），加熱溫度1 250℃，以50～60℃/h速度升溫，加熱時間9～10 h。

2.3 鍛壓工序

墩粗，Φ800 mm規(guī)格的圓坯以兩墩兩拔工藝對坯料墩粗。順序為：墩粗→八角拔→墩粗→八角拔→整邊。鍛壓出相應(yīng)尺寸后根據(jù)坯料溫度確定是否回爐，一般回爐溫度900℃左右。Φ650 mm規(guī)格的圓坯直接墩粗后整邊。

2.4 沖孔

Φ800坯料墩粗后的坯料一般經(jīng)過回爐（900℃左右）加熱至1 250℃回爐加熱時間4～5 h，鍛壓機(jī)沖孔，Φ650坯料心部沖孔Φ300 mm，Φ800 mm坯料心部沖孔Φ550 mm。

2.5 擴(kuò)孔

Φ800 mm沖孔完畢后的坯料回爐（900℃左右）加熱至1 250℃，回爐加熱時間4～5 h，相當(dāng)于心部Φ550 mm區(qū)域在鍛壓機(jī)擴(kuò)孔至Φ1.4～1.5 m。

2.6 碾環(huán)工序

擴(kuò)孔后的坯料回爐加熱至1 250℃，回爐加熱時間4～5 h，中間坯轉(zhuǎn)碾環(huán)機(jī)碾環(huán)，碾成規(guī)定尺寸，碾環(huán)相當(dāng)于連續(xù)軋制過程。

2.7 熱處理、機(jī)加工、探傷工序

熱處理去除殘余應(yīng)力。碾環(huán)后工件經(jīng)過正火910℃，至少保溫7 h（根據(jù)工件厚度），根據(jù)客戶需要，增加回火工序。

機(jī)加工。一般機(jī)加工單邊去除10～15 mm（個別區(qū)域存在橢圓），在制作相應(yīng)法蘭時個別區(qū)域機(jī)加工更深。

探傷檢測。伊蘭特生產(chǎn)的風(fēng)電用法蘭盤，百分百全探傷，對方的手持探傷機(jī)靈敏度較高（頻率為4 MHz），近場區(qū)較小，探傷機(jī)能自動當(dāng)量計算。

3 檢測分析及結(jié)果

3.1 缺陷類型數(shù)據(jù)

共16件風(fēng)電法蘭探傷不合，缺陷類型見表1。

表1 16件法蘭探傷不合缺陷分布情況

3.2 沖掉材料質(zhì)量測算

根據(jù)下料重量推算坯料下料長度，根據(jù)開坯沖孔尺寸推算出沖孔去除坯料心部大小，確定心部等軸晶去除大小。根據(jù)質(zhì)量異議的16件風(fēng)電法蘭盤重量，反推下料長度，推算沖孔沖掉坯料的半徑見表2。

表2 沖孔后對應(yīng)坯料芯部半徑

Φ800 mm坯料在開坯后沖孔Φ550 mm，Φ650 mm坯料開坯后沖孔Φ300 mm；隨著開坯尺寸的不同，沖孔去掉坯料等軸晶體積也不同。

3.3 缺陷厚度

機(jī)加工后盤厚為外環(huán)半徑減內(nèi)環(huán)半徑。內(nèi)環(huán)1為缺陷距離內(nèi)環(huán)最遠(yuǎn)距離（見圖1）。內(nèi)環(huán)2為缺陷距離內(nèi)環(huán)最近距離（見圖1）。缺陷厚度為缺陷在厚度方向分布區(qū)域，具體數(shù)據(jù)見（表3）

表3 厚度缺陷分布數(shù)據(jù)mm

圖1 缺陷在法蘭厚度方向上分布示意圖

從探傷分析缺陷在厚度方向上存在一定厚度，距離內(nèi)環(huán)較近。

3.4 缺陷深度

總高為法蘭盤總深度。深1為缺陷距離法蘭盤上表面最遠(yuǎn)距離（見圖2）。深2為缺陷距離法蘭盤上表面最近距離（見圖2）。缺陷深度為缺陷在深度方向的分布范圍。具體數(shù)據(jù)見表4。

表4 深度缺陷分布數(shù)據(jù)mm

圖2 缺陷在法蘭深度方向上的分布

3.5 金相分析

（1）從橫向金相中可以看出裂紋位向一致，在不同深度存在多個裂紋，晶粒存在變形，個別存在孔洞現(xiàn)象，未見明顯夾雜物，與探傷數(shù)據(jù)一致，在橫向上看，裂紋附近珠光體偏聚（見圖3、圖4），在裂紋處晶粒較細(xì)，遠(yuǎn)離裂紋處晶粒較粗，說明裂紋經(jīng)過反復(fù)碾壓。

圖3 2#試樣200×

圖4 5#試樣200×

（2）從縱向金相中可以看出，在不同寬度存在多個裂紋，主干裂紋附近有分支的小裂紋，個別主干裂紋有一定寬度，裂紋起始點未見明顯夾雜物匯聚，裂紋大部分為沿晶裂紋，個別存在穿晶裂紋，裂紋集中在珠光體帶上（見圖5、圖6），裂紋區(qū)域晶粒較細(xì)小，遠(yuǎn)離裂紋區(qū)域晶粒逐漸變粗，說明裂紋附近晶粒經(jīng)過反復(fù)碾壓形成。

圖5 2#試樣200×

圖6 5#試樣200×

3.6 電鏡分析

通過電鏡分析在裂紋附近存在V元素（見圖7），和Nb元素（見圖8、圖9、圖10）富集帶。從成分分布看，存在Nb元素和V元素富集區(qū)（見表5）。

表5 裂紋附近化學(xué)成分

圖7 V元素富集

圖8 Nb元素富集

圖9 Nb元素富集

圖10 Nb元素富集

4 分析與討論

4.1 探傷分析

（1）從探傷情況看，缺陷在厚度方向靠近法蘭盤內(nèi)環(huán)，呈一定寬度，寬度范圍在20～165 mm存在裂紋。

（2）缺陷深度方向看基本位于法蘭盤中間區(qū)域，深度范圍33～76 mm存在裂紋。

（3）缺陷大小不一，最大當(dāng)量達(dá)到Φ8 mm左右，缺陷位向一致，單個缺陷深度一致。

4.2 金相分析

（1）從裂紋橫向與縱向看缺陷都在珠光體富集區(qū)域，縱向金相看，裂紋都在珠光體帶上，與探傷缺陷位向一致。

（2）裂紋分為主干裂紋與多個分支裂紋，存在大量沿晶裂紋和少量穿晶裂紋，在裂紋處晶粒較細(xì)小，遠(yuǎn)離裂紋晶粒較粗大，說明裂紋在碾環(huán)前就已經(jīng)出現(xiàn)，具有反復(fù)碾壓的形貌。

4.3 電鏡分析

（1）通過電鏡分析，試樣確實存在A類、C類、D類夾雜物，但級別未超標(biāo)準(zhǔn)要求，在裂紋附近未發(fā)現(xiàn)夾雜物匯聚，說明裂紋不是夾雜物產(chǎn)生。

（2）通過三次電鏡分析，第一次由于打點較少，發(fā)現(xiàn)1#試樣存在Nb元素，第二次電鏡發(fā)現(xiàn)1#與15#試樣存在富Nb帶，第三次帶去1#、2#、15#試樣，在缺陷附近都發(fā)現(xiàn)富Nb帶，說明缺陷附近存在合金元素偏聚現(xiàn)象。

5 原因分析及改進(jìn)措施

5.1 產(chǎn)生裂紋裂紋原因分析

（1）裂紋擴(kuò)展原因。裂紋長度較大，寬度不一，較寬處為主裂紋，窄處為次生裂紋，主裂紋短粗，鋸齒狀；細(xì)裂紋較平直，主裂紋與次裂紋交替相連，主裂紋寬度相近，無明顯裂紋源。缺陷的產(chǎn)生在鐓粗階段，在后續(xù)的碾環(huán)工序中由于壓縮比小未能將缺陷焊合，后續(xù)經(jīng)過正火后，即使客戶正火工藝正常，由于墩粗產(chǎn)生的裂紋附近（珠光體帶）存在大量殘余應(yīng)力，正火提溫或者冷卻過程中，墩粗裂紋多數(shù)沿珠光體帶擴(kuò)展，產(chǎn)生大量沿晶裂紋，少量的穿晶裂紋。在夾雜物方面，主裂紋區(qū)域沒有看到明顯的夾雜物，細(xì)裂紋區(qū)域有夾雜物串連在一起的可能。無裂紋區(qū)域，夾雜物尺寸較小，無明顯串連。

（2）墩粗裂紋產(chǎn)生原因分析。二次裂紋都在珠光體帶上。裂紋附近區(qū)域存在Nb元素等合金元素偏聚現(xiàn)象，掃描電鏡觀察，部分二次裂紋內(nèi)也看到細(xì)小碳化物存在。鑄坯存在顯微孔隙，組織不均勻，內(nèi)弧柱狀晶發(fā)達(dá)，造成Nb等合金元素偏聚，由于Nb等合金元素的偏聚，Nb等合金元素化合物固溶析出溫度提高（溶解度不變，溫度降低析出明顯），NbC等碳化物析出在奧氏體晶界處，由于此類合金碳化物脆性較大（具有第三脆性特征），奧氏體晶界結(jié)合能降低，產(chǎn)生裂紋。也就是說鍛造溫度與微合金化元素析出溫度重疊，易產(chǎn)生沿晶主裂紋。

（3）鍛件未加熱透造成墩粗裂紋，在墩粗前加熱時間不夠或加熱溫度不足，首先不能改善坯料偏析程度，其次在鍛造過程中由于坯料內(nèi)部溫度低，塑性低，即使客戶壓下率不變，坯料內(nèi)部在三向壓應(yīng)力的作用下，在合金元素富集區(qū)域（塑性差）造成材料的破壞，產(chǎn)生裂紋。

（4）壓下率變化對墩粗產(chǎn)生的影響，通過計算客戶使用的Φ650 mm的坯料高徑比為1.5左右，Φ 800 mm的坯料高徑比為2左右，第一次墩粗壓下率理論上再50%-55%，假如客戶壓下率過高時坯料內(nèi)部在三向壓應(yīng)力作用下，出現(xiàn)應(yīng)變梯度和應(yīng)變速率梯度急劇增大，造成內(nèi)部變形的協(xié)調(diào)性急劇降低（尤其是元素富集區(qū)域），造成材料的破壞，在內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。

5.2 改進(jìn)措施

（1）優(yōu)化Φ800 mm規(guī)格連鑄坯末端電磁攪拌工藝參數(shù)，持續(xù)強(qiáng)化電磁攪拌的合理使用，低碳鋼末端電磁攪拌參數(shù)設(shè)置為電流100 A，頻率3.0 Hz，中高碳鋼末端電磁攪拌參數(shù)設(shè)置為電流200 A，頻率4.0 Hz。

（2）煉鋼車間、連鑄車間嚴(yán)格控制中間包過熱度，確保中間包過熱度滿足澆注工藝要求，連鑄車間優(yōu)化二冷參數(shù)，要求連鑄坯進(jìn)行弱冷配水，抑制柱狀晶過分發(fā)達(dá)，促進(jìn)柱狀晶均勻生長，提高等軸晶比例。

（3）鍛造加熱溫度控制，根據(jù)坯型尺寸做好加熱控制，確保擴(kuò)散均勻，減輕帶狀級別，提高力學(xué)性能穩(wěn)定性。

（4）墩粗加工溫度控制，墩粗加工溫度大于930℃，避免鍛造溫度與微合金化元素析出溫度重疊；墩粗壓下率控制，根據(jù)高徑比合理設(shè)定壓下率。

6 結(jié)論

（1）鑄坯枝晶發(fā)達(dá)，在鑄坯內(nèi)存在間隙與疏松孔，間隙與疏松孔存在元素富集，在墩粗過程間隙與疏松孔未焊合，是風(fēng)電法蘭裂紋產(chǎn)生的根本原因。通過電磁攪拌和優(yōu)化二冷參數(shù)，降低坯料偏析。

（2）客戶墩粗加工溫度與微合金化元素析出溫度重疊，是裂紋未焊合繼續(xù)擴(kuò)展的原因。通過控制鍛造溫度，最大程度增加合金元素固溶程度，減輕帶狀偏析，保證鍛造終端溫度，消除第三脆性區(qū)轉(zhuǎn)變，滿足風(fēng)電法蘭內(nèi)部質(zhì)量探傷要求。

（3）基于探傷缺陷評價分析和全流程工藝優(yōu)化，目前風(fēng)電法蘭超聲探傷合格率達(dá)到99.9%。