支承輥鋼錠表面裂紋的成因及控制

在研磨過程中，張力棒表面的肉裂紋是技術工人的難題。裂紋缺陷輕者可采用吹氧或火焰燒剝清除的方式進行挽救,重者則直接報廢,經濟損失十分嚴重。本文從理論角度對導致支承輥鋼錠表面裂紋的因素進行初步分析,尋找有效的控制方法。1鋼錠面火次出現的裂紋支承輥鋼錠經常在鐓粗時出現順裂,KD時出現橫裂,甚至在壓鉗口時就已經出現裂紋。因大鋼錠現已取消倒棱工序,鐓粗前錠身仍未鍛壓,為確定裂紋究竟是鋼錠本身原因還是鍛造或加熱造成的,我們從鋼錠脫模、熱送,到鍛造整個過程,對鋼錠的表面質量進行了仔細檢查。發現個別鋼錠在脫模后表面有細橫裂或順裂,部分入加熱爐前無表面裂紋的鋼錠,在壓鉗口時錠身表面會發現細順紋或細橫紋。可以確定鋼錠鍛造過程中出現的裂紋,部分是鋼錠本身存在的,只是未發現而已。由于不倒棱,壓鉗口火次存在的裂紋絕大多數藏匿在氧化鐵皮下方,同時部分順裂較細、較短,確認難度較大。可以肯定裂紋的形態及出現時機不同,形成原因一定不同。下面逐一從成分、冶煉、鑄錠、脫模、熱送、加熱和鍛造來分析影響鋼錠表面質量的因素和造成鍛造裂紋的原因,并提出減少鋼錠鍛造裂紋的措施。2制造過程分析2.1yb-70含碳量對鋼錠損傷的影響在大批量生產的工況下,裂紋集中在YB-65、YB-70、YB-75這三種材質的支承輥鋼錠上。YB-75出現裂紋的比例最高,YB-65次之。YB-70和YB-75是Cr5材質,YB-65是Cr4材質,YB-65和YB-75含碳量為0.45%~0.55%,YB-70的含碳量為0.48%~0.58%。這三種材質可以看成是在中碳鋼基礎上添加合金元素而成。碳含量處于0.4%~0.6%之間的中碳鋼材料鑄態組織的熱裂抗力比較低,同樣碳含量居于這一區間的42CrMo、45等材質的中碳鋼鋼錠也會在鍛造中出現嚴重裂紋,只是生產批量少而沒引起關注而已。實際成分統計中發現YB-70的碳含量要高于YB-65和YB-75,YB-65的含Mn量比YB-75高。這說明C、Mn元素影響這三種支承輥材質的熱裂抗力,對鋼錠裂紋形成有一定影響。因此,在成分規格范圍不變的前提下,運用計算材料學的方法,設計并調整合金成分,有利于降低支承輥鋼錠的裂紋傾向。另外,Cu、Pb、Sn、As等元素及其化合物在晶界富集,降低了晶界強度,這也是誘發裂紋的原因之一,應嚴格控制由原料和廢鋼帶入的上述元素含量。2.2研磨和鑄造主軸2.2.1保證運輸及存放過程的注意事項鋼中氫、氧、氮、磷、硫和非金屬夾雜物含量高,將不同程度地降低鋼的強度和塑性。因此,礦石、螢石及鐵合金必須烘烤良好,硅鐵粉、鋁粉、硅鈣粉、電極粉、碳粉進行烘干,遇雨季時更要嚴格要求。尤其石灰必須燒透,運輸及存放中應注意防潮,保證使用時出窯時間不大于24h。加強氧化操作,脫碳保證不小于40%,確保脫碳強度,形成一種良好的熔池,有利于夾雜上浮及排除。另外,加鋁量要嚴加控制,氮含量盡量降低,過多的鋁會導致AlN析出面在鍛造時開裂。2.2.2澆注溫度和注速控制(1)澆注溫度通過數據統計發現,當注速一定時,澆注溫度過高,鋼錠容易產生裂紋。這是由于在鋼錠模冷卻能力不變的前提下,澆注溫度的提高使鑄錠的激冷層變薄,在熔體靜壓力作用下存在拉裂、鋼液中的夾雜物逸出等問題。同時澆注溫度過高,鋼錠易焊在鋼錠模上,使脫模困難,鋼錠易產生裂紋。其次,澆注溫度高時,凝固前沿上的溫度梯度大,因而固液兩相區窄,兩相區內一次枝晶短,一次枝晶的間距也小,所以鋼錠外殼整體向內收縮而產生的側表面的線收縮大。若縱向收縮受到阻礙易產生橫裂,橫向收縮受到阻礙時易產生順裂的傾向也越大。另外,澆注溫度太高會使耐火材料嚴重沖蝕,鋼中夾雜物增多。(2)澆注速度鎮靜鋼一般對表面裂紋相當敏感,所以應適當緩慢地澆注,但應保證非金屬夾雜物的上浮。注速應當根據注溫來調節,澆注溫度高時采用慢注,相反澆注溫度低時應快速澆注。這是由于慢速澆注相當于降低了鋼液溫度,快速澆注相當于提高了模內鋼液的溫度。為將注速控制在規定范圍內,要防止水口擴徑。對裂紋敏感的支承輥材質鋼錠要均勻慢速澆注,以加厚鋼錠激冷層,減弱鋼錠對流循環,使鋼液靜壓力增加緩慢,防止產生熱裂紋。(3)澆注系統整個澆注系統要保證清潔,同時加強烘烤,避免鋼液卷入耐火材料等非金屬夾雜物。當鋼錠表面及皮下一旦有集中的非金屬夾雜物,對鋼錠形成裂紋的威脅最大。整個鑄錠可采取以下措施:1)用抗渣性能良好的耐火材料砌筑鋼包。2)鋼錠模下到真空室后,確保中心位置對正,避免鋼錠偏心澆注導致局部激冷層薄。3)嚴格控制注溫注速,真正做到高溫慢注、低溫快注,保持鋼液平穩上升。4)在夏季,鋼錠模在澆注前的溫度不能過高,同時盡量避免鋼錠模溫度不均勻導致鋼錠激冷層厚度差別過大。5)保溫帽與鋼錠模間墊好石棉繩,以防鋼水滲入縫隙后造成懸掛,縱向收縮受阻,鋼錠錠身冒口端在錠重的拉力作用下而將激冷層薄弱處拉裂產生橫裂。6)注意鋼錠模底面修磨,避免鋼錠水口燒氧,以免由于錠模與底盤接合不緊密,鋼水滲入形成飛邊阻礙鋼錠縱向冷凝收縮而產生錠身水口端橫裂。7)加強錠模內壁修磨,若過于粗糙,有嚴重的裂縫、凹坑,會阻礙鋼錠收縮而產生裂紋。2.3鋼錠抗熱應力的措施鋼錠冷卻時,內外層并不同時凝固。當外層凝固成殼時,內部未凝鋼液對外層鋼殼有靜壓力,力圖把這層殼拉破。同時在鋼錠凝固的過程中由于表層的溫度下降比內部快,致使內外層存在較大的溫度差異,這種差異導致鋼錠內外層體積收縮不一致,表層先收縮的部分必受到內層尚未收縮部分的阻礙而產生熱應力。另外,鋼冷卻到650℃時有組織轉變,伴隨著體積的突然膨脹,由于內外溫差的存在,這種體積膨脹必然不會同時發生。例如,表層組織已轉變完,體積按正常冷卻過程收縮,而內部正發生組織轉變,體積發生膨脹,膨脹的內層必然給表面層一個明顯的拉應力。當這三者應力之和超過晶界強度,會導致鋼錠產生裂紋,裂紋常出現在鋼錠皮下,鍛造時就會擴展成表面裂紋。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力和由組織轉變引起的組織應力。可采取的措施有:(1)要規定合理的脫模時間,使鋼錠在相變后脫模。(2)避免脫模后受到雨淋或受潮。2.4鋼錠表面溫度實際生產中熱送大鋼錠到裝爐,鋼錠表面溫度(距冒口端錠身三分之一處)很難大于650℃,基本可以認定鋼錠表層,尤其是鋼錠水口端已發生組織轉變,在加熱時表面裂紋將局限在奧氏體晶界深度,不會沿夾雜富集的晶界深入內部。而表面溫度大于550℃的鋼錠可以直接入高溫爐加熱。加熱前期,爐內輻射和對流傳熱特別強,鋼錠表面的升溫較快,到后期隨著鋼錠表面溫度的升高,輻射和對流傳熱量減小,鋼錠表面溫度升高速度將減緩。由于熱送鋼錠水口端比冒口端低100~150℃,同時水口端直徑小,使水口端升溫速度最快,所承受溫差引起的熱應力最大。鋼錠加熱到750℃左右時將發生相變造成組織應力,同時鋼錠在550~750℃時的塑性低,若加熱速度過大時,巨大的的熱應力和組織應力會疊加在一起,導致鋼錠表面產生順裂。鋼錠加熱到750~1200℃時,金屬塑性急劇增加,組織應力和熱應力消失。可采取的措施有:(1)熱送鋼錠及時裝爐,避免拖延。(2)鋼錠表面升溫到750℃時的速率盡量緩慢,避免應力過大。(3)熱送鋼錠在相變后加熱,通過改善重結晶柱狀晶,使夾雜物和顯微縮孔的危害降低。(4)鐓粗火次加熱溫度提高到1270℃,使析出相充分固溶,改善微觀偏析,組織均勻化,提高鋼錠的鑄態組織塑性。但要控制最高加熱溫度(爐溫)不能超過1270℃,以免過燒,同時避免在高溫過長時間停留。2.5鋼錠抗沖劑內部分缺陷引起的表面橫裂。根據鋼錠面對材質易出現裂紋的支承輥鋼錠,應在壓鉗口火次恢復倒棱。通過小變形量表面變形,焊合鋼錠表層可能存在的皮下微裂紋等缺陷,同時將表層金屬由鑄態變成鍛態,高溫塑性明顯提高,使鋼錠鐓粗時表面不致產生裂紋。倒棱同時能去除錠身氧化鐵皮,盡早發現藏匿在氧化鐵皮下的裂紋。如表面有長度大于100mm的順裂時,必須逐一吹氧清除,以免鐓粗過程中裂紋擴大、變深。鐓粗過程中,裂紋常出現在鋼錠棱之間的凹面。裂紋延伸方向呈筆直或約45°斜裂,或二者結合。這是由于鋼錠澆注后,鋼錠的棱部散熱條件好,冷卻快,激冷層較棱之間的凹面厚,起著“加強筋”的作用。部分鋼錠鐓粗在鼓形還未明顯出現時,裂紋已經出現,裂紋以錠身水口端居多,錠身中部(鼓形的最大直徑)次之,錠身冒口端極少出現裂紋。由于鐓粗時,鋼錠水口端端面與鐓粗蓋板(或砧板)間摩擦的影響及鋼錠截面半徑不同,鐓粗時鋼錠不均勻變形,鋼錠軸向產生很大的壓應力。在鋼錠側表面周邊變形區由于不均勻變形,出現環向(切向)拉應力,應力作用與結晶方向垂直,并且越靠近表面越大,同時徑向壓應力減弱,并且越靠近表面越小。鐓粗變形是在金屬的等強溫度以上進行的,晶界變形較大,同時由于鋼錠的柱狀晶粒發達,晶界上往往聚集了大量的冶金缺陷、非金屬夾雜和顯微縮孔,分離了柱狀晶界,大大降低了晶粒間結合能力,宏觀表現就是柱狀晶區塑性較低。在拉應力足夠大時,柱狀晶晶界夾雜物就會造成晶間開裂,形成微裂紋,然后擴展,相連成大裂紋,裂口與表面垂直。如鐓粗變形速度緩慢,裂紋只能在柱狀區擴展,不能延伸至表面高塑性區。鐓粗時,與軸線成45°角方向有最大的切應力,所以鋼錠表層富含夾雜物的低塑性的區域易產生45°角方向的斜裂。另外,鋼錠本身存在的應力裂紋也會在附加拉應力的作用下向外擴展到鋼錠表面。隨著壓下量的增大,產生的鼓形也必然逐漸增大,從而導致側表面的周向拉應力越來越大,鼓形最大截面外側已有微小缺陷處的應力狀態達到臨界值,出現微觀裂紋,續鐓導致側表面縱裂。可采取以下措施:(1)由于鐓粗的目的是為下一步拔長壓實提高鍛比,壓實效果甚微。制定鍛造工藝時,最好不采取鐓粗變形,優先選擇鋼錠拔長鍛比大于3的錠型,如制定一錠出兩件的工藝。(2)鋼錠溫度不均時返爐加熱,因為各部分溫度不均導致各部位的塑性不同,變形時的拉齊作用使局部發生撕裂。(3)制定鍛造工藝時,考慮鐓粗的壓下量應小于材料塑性允許的范圍。(4)鋼錠加熱到該材質所允許的最高溫度,減小鐓粗所需的壓力。(5)鐓粗時,壓下速度要盡量緩慢,不能用水壓機最大能力鐓粗。(6)采用凹形鐓粗蓋板鐓粗。在凹形鐓粗蓋板鐓粗過程中,端面直徑的增大幾乎全由側面金屬的翻轉而成,水口端外表面的附加拉應力較平面鐓粗蓋板鐓粗小。KD拔長時,側表面出現橫裂,可認為是送進量和壓下量很大時,軸心部分變形大,側表面沿軸向受拉應力作用較大,而變形區的前、后側面由于未與砧面接觸,摩擦阻力的影響很小,如此處恰是夾雜物相對富集的低塑性區,則易引起表面橫裂。主要對策是適當控制壓下量與壓下速率,不能采用水壓機最大能力拔長。KD時如果鋼錠表面本身有良好的塑性,甚至局部有橫裂,也可以通過局部塑性變形使裂口鈍化、拔平。由于裂紋尖端