5%cr系钢制锻造冷轧辊坯心部缺陷成因分析

5%cr系钢制锻造冷轧辊坯心部缺陷成因分析

金属丝是金属压力机的主要部件。作为一种特殊的工具，它可以生成金属的塑性变形，并制算出各种压力产品。5%Cr系锻造冷轧辊用钢,含碳量达0.8%以上,含铬量5%左右,另外还含有一定量的Ni、Mo、V等合金元素,属高碳过共析钢。按有关探伤标准的规定,宝钢特殊钢分公司锻造的5%Cr系钢锻造冷轧辊的超声波探伤部位如图1所示。图中的Ⅳ区(辊颈非传动区)允许有ϕ2mm～ϕ3mm的分散缺陷和密集缺陷。经超声波探伤的不合格品中,缺陷集中在Ⅳ区,为密集缺陷,当量可达ϕ4mm～ϕ5mm,缺陷部位基本位于横截面中心区域。本文研究了5%Cr系钢制锻造冷轧辊超声波探伤不合格的原因,并分析了导致轧辊不合格的缺陷的成因,找到了预防措施。1缺陷表面元素组成在超声波探伤缺陷波超标部位,使用带锯切取20mm厚的试样,再经过超声波探伤确定试样横截面上缺陷的分布状况,再按照缺陷位置锯切成200mm×200mm×20mm试样。试样经酸洗后观察,检验面上见多条小裂纹。在裂纹处取样,经高倍显微观察试样纵截面,裂纹处未见夹杂物,见图2、图3。经腐蚀后观察发现,试样中有大量的网络状分布的空洞、裂纹,并沿碳化物网开裂,碳化物网角处有熔融痕迹,见图3。也就是说,超声波探伤缺陷超标的试样中存在大量的网络状空洞,符合过烧组织的晶界-碳化物-裂纹分布特征,即过烧时碳化物沿晶界析出,晶界处出现了裂纹,在裂纹处又有大块的碳化物。因此,可以认为这种缺陷是由于过烧造成的。当出现过烧时,由于磷、硫,硅、氧和碳从基体向液体迁移,起始熔化区域便为这些元素所富集。熔化通常在奥氏体晶界上发生。2材料的基本特征合金工具钢在锻造或者铝合金在热挤压时,其加热温度接近钢的液相点,若形变速度过大,则会由于机械能转化为热能,致使其形变量较大的局部区域甚至滑移面温度上升至液相点以上而导致“过烧”,这与热处理加热过烧的特征相同,是都有液相出现,但两者的表现形式却截然不同。热处理过烧是由外部开始,而“形变过烧”则从内部发生;前者在外观上为网裂、沿晶氧化,而后者表面完好,内部呈疏松状。5%Cr系钢制锻造冷轧辊坯心部过烧符合上述“形变过烧”的特点。5%Cr系冷轧辊用钢属高碳过共析钢,其铸造组织中的碳化物为块状或共晶骨骼状液析碳化物。这些碳化物偏聚区材料塑性差,熔点低于基体组织,当温度超过液析碳化物熔点时,很容易使液析碳化物熔解,形成沿碳化物网的空洞、裂纹。经分析,造成冷轧辊坯中心部位温度过高的热加工因素有:(1)钢锭加热温度偏高;(2)锻造变形量过大或集中变形,锻件心部产生的变形热造成的温升超过碳化物熔点。3工艺试验冷轧辊坯的锻造工艺流程为:钢锭高温均匀化-镦粗-锻造拔长-锻造成材-冷轧辊坯退火-精整。3.1温度对非均质化材料的影响为消除钢锭中的非稳态共晶碳化物,通常对钢锭进行高温均质化处理。其目的在于,一方面使粗大的液析碳化物溶解,减小钢的变形抗力,使钢锭易于锻造成型;另一方面改善原始碳化物液析的组织遗传现象,提高辊坯的液析水平。用偏析比SR表示钢中合金元素的分布特征:SR=Cmax/Cmin(1)式中Cmax和Cmin分别为某合金元素在枝晶间的最大浓度值和枝晶臂的最小浓度值。SR值越接近1,表示成分越均匀。根据试验结果得到的偏析比与均匀化处理温度之间的关系如图4所示。由图4可见,在不同温度均匀化处理不同时间后,偏析比均有不同程度的下降。而提高均匀化(扩散)温度对材料均质化效果的作用较延长保温时间更为显著,这是因为温度是影响原子扩散速度的最主要的因素,温度越高,原子越容易迁移,扩散速度也越快。而在某一固定温度下,延长保温时间,扩散流量将随浓度梯度的减少而下降,当溶质原子分布趋于均匀时,即使再延长保温时间,其元素分布变化也不大,即均质化效果不明显。而温度越高,达到均质化所需要的时间也越短。原高温均匀化温度为固相线以下90～120℃,还是出现了由于心部温升导致的碳化物聚集带过烧。根据图4,若仅为降低过烧风险而降低高温均匀化温度,势必影响高温均匀化扩散效果。因此,新工艺选定的高温均匀化温度及时间不变,而是改为随后降低到锻造温度进行锻造。3.2试验结果计算公式为由于锻造过程中存在变形热,难免会使材料内部温度上升。如何控制变形热,使温升尽可能低,从而减小冷轧辊坯锻造过程中心部过烧的风险,这就需要对冷轧辊坯锻造工艺进行研究,以获得相对最佳的锻造工艺。长期以来,金属塑性加工理论研究多限于对变形的力学分析,忽略了热效应及传热等影响。在金属成形过程中,塑性变形功不断转化为热,使变形体内温度不均匀变化,因而使变形体内热加工性能也随之改变。金属塑性变形引起的温升计算公式为:Δt=η⋅K⋅υmεσ0⋅εpρ⋅c(2)Δt=η⋅Κ⋅υεmσ0⋅εpρ⋅c(2)式中:η为排热率,对于纯金属,η=0.85～0.90,对于合金,η=0.75～0.85;K为综合影响系数,根据资料统计分析,K=1.15～3.98;m为变形速率影响指数,与钢种和变形温度有关,钢的m为0.02～0.20;ρ为变形体质量密度(kg/m3);一般钢的密度取ρ=7.8×103(kg/m3);c为变形体比热容(kJ·kg-1·K-1),为0.678～0.708,含碳量高的,取下限值。式(2)中,υε为应变速率,对于工程上大变形的应变速率:υε=υ/H0(3)式中:υ为设备平均移动速度;H0为锻件原始高度。此外,式(2)中σ0为基准(某温度下)流动应力(Pa),常用材料的流动应力可在文献中查得。式(2)中εp为变形体的等效应变增量,工程上大变形的等效应变增量:εp=ln(H0/H)(4)式中:H为变形体高度;H0为变形前原始高度。以直径120mm、高度150mm的35CrMo钢坯为例,加热至1150℃在3t锻锤上镦粗,镦粗后高度80mm,计算其镦粗过程的温升。35CrMo钢的流动应力210MPa,变形速率影响指数m=0.14,综合影响系数K=3.3,应变速率υε=40/s,等效应变增量εp=0.63,排热效率η=0.8,比热容c=0.68。根据式(2)计算可得,锻造过程的平均温升为110℃。由以上计算结果可以看出,锻造时坯料内部的温升是十分明显的。且从式(2)中可得出,锻造温升与变形速率相关,变形速率越大,温升越高。若锻造压下的变形量及变形速度较大,形变处的塑性变形功转化为热能,就使该处温度升高。塑性变形体在变形过程中吸收变形功而导致自身温度升高,对合金内部温度有明显的影响。冷轧辊坯锻造过程经历钢锭镦粗、拔长、成材的过程,钢锭从直径1000mm镦粗至直径1500mm,再锻造至尺寸为300～600mm的各分段,压下量大,心部变形量大,产生的热量更多,如果此时温度超过固相线温度,锻坯就会出现心部过烧现象。对于自由锻工艺来说,锻造时由于产生变形,心部温升在所难免,关键是要控制温升不致超过碳化物的熔点。常规的工艺改进可以通过减少变形量来控制温升,但是对于5%Cr系钢锻造冷轧辊,单纯减小锻造变形量有一个很大的弊端——由于锭型很大,心部疏松十分严重,心部疏松需要较大的锻造压下量使之焊合。如果过分减小锻造变形量,势必造成锻材心部疏松无法被焊合。因此锻造压下量必须控制在一个比较合理的范围,既不致产生心部过烧,又确保锻透。制定新的锻造工艺时要着重考虑以下几点:(1)防止镦粗温升过高,镦粗过程由原来的一次镦粗改进为分段镦粗,在保证镦粗比不变的前提下,最大限度降低镦粗变形速率。(2)拔长时严格控制压下量,并改进成材变形方式。原变形方式为各台阶逐步成材,容易导致辊颈部分由于变形量大、变形集中而导致温升。后改为“整体变形,共同成材”的变形方式,同时采用合理的进铁量,可有效防止同一截面反复锻压而造成心部温升。采用改进后的锻造工艺生产的冷轧辊坯,探伤合格率提高了8个百分点,效果明显。4铸造温度对心部温度的影响(1)导致5%Cr系钢制锻造冷轧辊坯超声波探伤超标的原因是锻