S48C環件探傷不合原因分析及工藝改進

寇雨成,毛鳴,汪敏,張如敏

(馬鋼股份公司 安徽馬鞍山 243000)

環件產品廣泛應用于冶金機械、工程機械、風力發電、高鐵等產業,它主要用于支撐傳動零部件,由于作業環境惡劣,需經受頻繁的起制動、徑向和軸向均需要接受沖擊載荷,所以不僅要求環件用鋼具有高強度、高韌性,而且需要具備良好的抗疲勞性能[1]。為了避免在使用過程中出現開裂而造成安全生產事故,采用超聲波探傷檢驗已成為環件及其鋼坯質量的檢測手段之一[2-5]。國內某鋼廠采用鐵水(高爐)—電爐冶煉—LF爐精煉—RH 真空脫氣—圓坯連鑄機工藝流程生產S48C 環件用鋼坯,生產初期曾因鋼中氫含量高而產生白點缺陷會使S48C超聲波探傷不合[1],在RH 真空脫氣氫含量進一步降低后,機械性能及其穩定性、末端淬透性帶寬、晶粒度等關鍵指標均領先于同行業,但超聲波探傷不合的現象還時有發生,因此,搞清楚這次S48C環件超聲波探傷不合的原因及提出工藝改進措施,迫切而重要。

1 S48C環件超聲波探傷不合原因分析

針對S48C環件探傷不合的批次,從中選擇一塊總高度約535 mm、厚度約172 mm 的環件,采用超聲波探傷定位取樣,探傷定位取樣位置和探傷缺陷分析試樣如圖1所示。分別在1#-6#位置取試樣進行金相和掃描電鏡檢測分析,以1號試樣和3號試樣為例,其檢測分析結果如圖2-圖5所示。由圖2和圖3可知,1號和3號試樣位置均發現不規則夾雜缺陷,缺陷周圍組織正常,缺陷長度分別為167μm 和224μm,寬度分別57μm 和87 μm。由圖4和圖5可知,1號和3號試樣夾雜為Al-Mg-O 類等非金屬夾雜物,由此說明夾雜物可能是造成超聲波探傷不合的原因。

圖1 探傷缺陷分析試樣及探傷定位取樣位置圖

圖2 1號和3號試樣孔洞缺陷形貌

圖3 1號和3號試樣孔洞缺陷附近微觀組織形貌

圖4 1號試樣孔洞缺陷掃描電鏡分析結果

圖5 3號試樣孔洞缺陷掃描分析

2 現場工藝改進和效果分析

2.1 現場工藝改進方案

針對上述問題,調研了國內相關先進企業生產S48C用鋼坯連鑄圓坯工藝,LF 爐均采用Ca處理工藝。因此,本次現場工藝改進試驗方案,設置Ca處理和對照組非Ca處理工藝方案,如表1 所示。現場跟蹤這三個試驗爐次整個生產過程,基本正常,重點關注水口結瘤情況,也就是對比澆注過程塞棒位置和結晶器液面波動曲線,如圖6所示。由該圖可知,采用優化后兩種工藝方案,塞棒曲線及液面波動改善明顯。

表1 現場工藝改進試驗方案

圖6 兩輪試驗澆注曲線

2.2 研究方法和試驗效果分析

采用高倍光學顯微鏡對三種試驗工藝方案進行夾雜物評級,采用Aspex檢驗[6]對夾雜物粒徑和成分分析以及整根鍛坯進行水浸探傷,研究方法如表2所示。

表2 研究方法

2.2.1 非金屬夾雜物評級

對三種方案取非金屬夾雜物分析,結果如表3所示,由表3可知,方案二LF爐Ca處理工藝非金屬夾雜物最好,尤其是Ds類非金屬夾雜物均為0級,其他方案次之。

表3 非金屬夾雜物評級

2.2.2 非金屬夾雜物Aspex分析

三種試驗方案的非金屬夾雜物Aspex分析結果如圖7所示。從三元相圖來看,方案二和方案三兩種工藝的非金屬夾雜物均較未Ca處理工藝非金屬夾雜物更向低熔點區聚集,在高溫鋼水中,低熔點的夾雜物成更易聚集上浮去除,以及從夾雜物變性效果來看,方案二更加。

圖7 試樣中典型夾雜物三元相圖

統計試樣中當量直徑d＞1 um 夾雜物數量以及富Mg的夾雜物(Aspex識別含有Spinel類型的夾雜物)數量百分比,如圖8所示。雖然方案二非金屬夾雜物數量最多,是方案一、三的兩倍,但方案二的夾雜物中富Mg非金屬夾雜物數量百分比最少,方案二降低了富Mg非金屬夾雜物的含量,從而有效控制了富Mg長條狀非金屬夾雜物的來源。

圖8 試樣中夾雜物含量及富Mg夾雜物數量百分比

統計試樣中夾雜物當量直徑分布,如圖9 所示,方案二的試樣中單大尺寸非金屬夾雜物最少。因此,從控制大型非金屬夾雜物及富Mg長條狀非金屬夾雜物方面考慮,方案二更佳。

圖9 試樣中夾雜物當量直徑分布

2.2.3 水浸探傷分析

對三種方案工藝生產的圓坯經鍛造后取樣進行水浸探傷,結果如圖10所示。可見,兩種Ca處理工藝水浸探傷均未發現內部缺陷,未Ca處理的發現一處當量為φ0.5 mm 的缺陷,距離表面23 mm,但也符合客戶對單個缺陷當量的要求(客戶要求單個缺陷≤0.8 mm)。由于缺陷較小,采用金相法未能找到該缺陷。

圖10 三種試驗方案的水浸探傷結果

3 結論

1)通過超聲波探傷典型缺陷進行金相和掃描電鏡分析,發現S48C環件的探傷不合主要原因是存在長條狀Al-Mg類非金屬夾雜物。

2)通過現場工藝改進試驗,發現提出的三種方案(非Ca處理和Ca處理工藝)純凈度均能滿足標準要求,其中,方案二(Ca 處理工藝,喂Ca 線0.5 m/t鋼)可有效改善S48C環件用鋼夾雜物評級和減少長條狀Al-Mg類非金屬夾雜物,可澆性良好,未發現有宏觀缺陷。

3)通過工藝改進后,S48C環件客戶后續未反饋超聲波探傷不合問題,進一步說明了改進效果顯著。