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摘要:結(jié)合鍛鋼支承輥生產(chǎn)工藝流程對(duì)造成熱鍛裂紋的影響因素進(jìn)行了分析，并結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)提出了質(zhì)量控制措施。

關(guān)鍵詞:鍛鋼支承輥;鍛造裂紋;質(zhì)量控制

大型鍛鋼支承輥是軋機(jī)的重要組成部件，其單件造價(jià)高且屬于消耗品，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響著軋制產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。經(jīng)過(guò)多年的工藝和設(shè)備改進(jìn)，目前國(guó)內(nèi)大鍛件鍛造工藝水平基本可以按照J(rèn)BT4120—2017《大型鍛造合金鋼支承輥技術(shù)條件》的要求保證連軋、中板及寬厚板支承輥產(chǎn)品心部無(wú)損檢測(cè)質(zhì)量，但是鍛造工藝過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)以鍛造裂紋為主的表面問(wèn)題，嚴(yán)重影響工藝執(zhí)行，甚至導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢［1－4］。本文主要從鍛鋼支承輥生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)和實(shí)施方面分析裂紋產(chǎn)生原因，并探討有效的防控措施。

1鍛鋼支承輥制造工藝流程

目前，大型鍛造合金鋼支承輥一般均采用真空鋼錠［5］。鍛造工序一般按照鍛造規(guī)范進(jìn)行3火次～8火次的鍛造生產(chǎn)，完成最終毛坯鍛件的生產(chǎn)。鍛造工序結(jié)束后，鍛件毛坯需要經(jīng)過(guò)鍛后熱處理、調(diào)質(zhì)、差溫等一系列熱處理工藝及粗、精加工等工序最終獲得支承輥零件。本文只討論鍛造工藝過(guò)程中的裂紋問(wèn)題，對(duì)后續(xù)熱處理及加工不作討論。

2鍛鋼支承輥鍛造裂紋影響因素分析

2．1鋼錠裂紋

鋼錠表面裂紋是指在鋼錠未進(jìn)入鍛造工序就已發(fā)現(xiàn)的表面裂紋。對(duì)于常見(jiàn)的24棱、16棱、8棱鋼錠，這種裂紋多數(shù)位于鋼錠相鄰棱之間的鋼錠表面上，以橫紋為主，也存在順紋或者斜紋。但沿鋼錠棱出現(xiàn)的順紋較為少見(jiàn)。大型鍛造合金鋼支承輥一般采用鑄造鋼錠，目前國(guó)內(nèi)普遍以中碳Cr系合金鋼為主。澆鑄工藝如果控制不合理或者工藝執(zhí)行出現(xiàn)波動(dòng)，在降溫過(guò)程中有可能產(chǎn)生很強(qiáng)的宏觀熱應(yīng)力，造成表層出現(xiàn)激冷裂紋。鋼錠模的表面質(zhì)量也會(huì)影響鋼錠的局部應(yīng)力分布，一旦出現(xiàn)粘連，也會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的局部應(yīng)力集中，從而誘發(fā)裂紋出現(xiàn)。此外，鋼錠模設(shè)計(jì)成多棱結(jié)構(gòu)，在棱角部分會(huì)存在較多的夾雜物沉積，使該部分的強(qiáng)度減弱，在熱鍛初期開(kāi)坯階段可能局部開(kāi)裂，通常對(duì)棱角比較明顯的8棱鋼錠進(jìn)行鍛前倒角有助于避免出現(xiàn)此類(lèi)開(kāi)裂。

2．2始鍛裂紋

始鍛裂紋由于在從冶煉工序轉(zhuǎn)鍛造工序前不存在或者沒(méi)有被觀察到，在鍛造工序又基本上沒(méi)有大尺度變形，因此對(duì)于其成因一直存在爭(zhēng)議。一種觀點(diǎn)認(rèn)為此類(lèi)裂紋在鋼錠凝固過(guò)程形成，溫差造成的宏觀應(yīng)力和鋼錠局部材料存在的偏析缺陷使鋼錠局部處于開(kāi)裂或臨界開(kāi)裂狀態(tài)，由于表層氧化皮覆蓋和檢測(cè)手段有限，難以在進(jìn)入鍛造工序前發(fā)現(xiàn)，因此只有在開(kāi)始鍛造變形后，局部才會(huì)以開(kāi)裂方式明顯的表現(xiàn)出來(lái)。對(duì)于這種觀點(diǎn)，首先鋼錠脫模后表面偶爾能夠觀察到的表面裂紋，反映出鋼錠確實(shí)存在進(jìn)鍛造工序前即已存在局部裂紋的可能;其次，此類(lèi)裂紋，鍛造工序在第一火次，表面輕壓即可觀察到裂紋，由此推斷裂紋產(chǎn)生和鍛造變形無(wú)關(guān)。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為此類(lèi)裂紋是在轉(zhuǎn)序階段形成。目前國(guó)內(nèi)大型裝備制造廠，熔煉和鍛造車(chē)間轉(zhuǎn)序，總是要涉及到鋼錠在爐外移動(dòng)，這個(gè)過(guò)程中必然伴隨著快速的溫降，特別是在環(huán)境溫度較低和濕度較大的時(shí)候，這個(gè)溫降速度會(huì)更快，這樣會(huì)導(dǎo)致鋼錠表面形成一個(gè)低溫殼層，并在周向形成拉應(yīng)力，誘發(fā)裂紋產(chǎn)生。針對(duì)此類(lèi)觀點(diǎn)，可以通過(guò)加蓋保溫罩，加強(qiáng)工序協(xié)調(diào)，減少轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間等措施減少轉(zhuǎn)序過(guò)程中的環(huán)境因素影響，但實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，這些質(zhì)量控制措施實(shí)際效果一般，這個(gè)因素并不是導(dǎo)致此類(lèi)裂紋的主要原因。此外，還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為此類(lèi)裂紋和鍛前加熱有關(guān)。由于鋼錠脫模后通常溫度較低，難以滿足直接鍛造需求，因此需要轉(zhuǎn)序后進(jìn)加熱爐加熱，如果升溫過(guò)快或者保溫溫度過(guò)高，那么有可能導(dǎo)致局部裂紋問(wèn)題。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)反饋，由于支承輥類(lèi)材質(zhì)大部分屬于2%Cr～5%Cr的中碳合金鋼，目前大鍛件常用的臺(tái)車(chē)式天然氣或煤氣加熱爐的升溫速度不至于導(dǎo)致支承輥加熱過(guò)程中因傳熱不均開(kāi)裂，而且此類(lèi)合金鋼的液相點(diǎn)一般都在1350℃以上，實(shí)際鍛造首火次加熱溫度一般略高于1200℃，達(dá)不到過(guò)熱過(guò)燒的程度。總體而言，上述三種觀點(diǎn)第一種可能性最大，第三種可能性最小，但由于客觀條件限制，目前很難給出徹底的評(píng)判依據(jù)，特別是鍛造首火次裂紋往往成批出現(xiàn)，且在一定時(shí)間段集中發(fā)生，因此原材料控制、生產(chǎn)管理、設(shè)備穩(wěn)定性等因素也可能在其中有重要影響，制造企業(yè)宜加強(qiáng)質(zhì)量監(jiān)控，注意積累數(shù)據(jù)，用經(jīng)驗(yàn)性的制度管理來(lái)避免問(wèn)題發(fā)生。

2．3鍛造過(guò)程中的橫、順紋

大型鍛鋼支承輥在鍛造過(guò)程中出現(xiàn)的裂紋集中表現(xiàn)為兩類(lèi)［6－7］，一類(lèi)是裂紋方向沿毛坯軸線方向，稱(chēng)為順紋，另一類(lèi)是裂紋方向垂直于毛坯軸線，稱(chēng)為橫紋，圖1給出了鍛造過(guò)程中橫紋與順紋出現(xiàn)的形態(tài)與位置。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，橫紋的危害遠(yuǎn)小于順紋的危害。橫紋出現(xiàn)后，在進(jìn)一步變形過(guò)程中一般不會(huì)隨著變形加劇而不斷擴(kuò)大，甚至在鍛造過(guò)程中，裂紋面逐漸張開(kāi)，成為鍛件毛坯的新表面。相對(duì)而言，順紋一旦出現(xiàn)，如不及時(shí)清理，隨著鍛造進(jìn)行，裂紋會(huì)向心部擴(kuò)展，而且由于支承輥是軸類(lèi)件，順紋一旦位于最終成品的臺(tái)階處，將極易導(dǎo)致產(chǎn)品尺寸不夠而報(bào)廢。由于兩類(lèi)裂紋性質(zhì)和危害有較大差別，一般出現(xiàn)橫紋后可以視情況局部加大尺寸、清傷或在位置合適的時(shí)候?qū)M紋鍛造為一個(gè)臺(tái)階，但對(duì)于順紋，需要及時(shí)清傷，清傷過(guò)程中還要?jiǎng)?wù)求徹底，成品階段出現(xiàn)順紋需要注意加大工藝尺寸量，避免廢品出現(xiàn)。

2．4折傷裂紋

折傷裂紋也是大型鍛造合金鋼支承輥鍛造階段一種重要的裂紋形式。圖2(a)給出了折傷裂紋形成的過(guò)程，圖2(b)給出了在實(shí)際鍛造過(guò)程中形成的折傷裂紋。目前折傷裂紋的成因比較明確，為了壓實(shí)鋼錠心部鑄態(tài)組織，必然要求鍛造過(guò)程中進(jìn)行大變形。在拔長(zhǎng)壓實(shí)階段，由于砧寬通常比坯料軸向長(zhǎng)度短，需要分段鍛造，相鄰砧搭接處會(huì)形成折痕，嚴(yán)重時(shí)折痕處材料撕裂，導(dǎo)致大橫紋出現(xiàn)。對(duì)于此類(lèi)裂紋，可以通過(guò)相鄰砧預(yù)留搭接量以及在砧寬側(cè)邊倒圓弧角的方式盡可能減少裂紋的出現(xiàn)，但是由于心部質(zhì)量更為關(guān)鍵，需要優(yōu)先保證壓下量，確保心部壓實(shí)。對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)的折傷裂紋，通常可以通過(guò)吹氧或燒剝的方式將裂紋熔開(kāi)或剝離成平面，有可能影響生產(chǎn)進(jìn)度，但一般不會(huì)造成質(zhì)量問(wèn)題。

3質(zhì)量控制措施

3．1鋼錠質(zhì)量控制

雜質(zhì)化學(xué)元素的控制和去除對(duì)于降低支承輥鍛造熱裂有著重要影響，如C、Mn元素會(huì)顯著降低支承輥的熱抗力，Cu、Sn、Pb、As等元素及其化合物在晶界富集后會(huì)降低晶界強(qiáng)度，從而誘發(fā)裂紋產(chǎn)生。因此需從原料純度和工藝上對(duì)鋼水成分進(jìn)行控制，首先精選Ni、Mo廢鋼和優(yōu)質(zhì)生鐵嚴(yán)格控制殘余元素含量，精選螢石、石灰等造渣材料，改善渣-金合金反應(yīng)界面的結(jié)構(gòu)和形態(tài)，促進(jìn)脫氧夾雜物的聚合和長(zhǎng)大，有效提高造渣效果;其次嚴(yán)格控制冶煉中氧化期的脫P(yáng)脫C和還原期的脫O脫S。最后限制鋼中加鋁量，抑制氮化鋁沿晶界的析出。因此只有嚴(yán)格控制化學(xué)成分、有效去除有害元素，盡可能的采用真空精煉法和電渣重熔法，避免硫化物、硅酸鹽、氧化物等內(nèi)生夾雜的產(chǎn)生和爐體材料進(jìn)入鋼水造成的外生夾雜的產(chǎn)生，最大限度地提高鋼錠的純凈度，在源頭上避免鋼錠鍛造開(kāi)裂。

3．2輔具及工藝細(xì)節(jié)優(yōu)化

鋼錠模自身結(jié)構(gòu)的完整性對(duì)鋼錠的表面質(zhì)量有著較為重要的影響，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)鋼錠模內(nèi)部有缺陷，或者新鋼錠模預(yù)熱處理不當(dāng)，導(dǎo)致沿鋼錠縱向出現(xiàn)縱向裂紋［8］。所以在鋼錠模日常使用時(shí)澆前要做好清理打磨工作保持尺寸和結(jié)構(gòu)的完整性并及時(shí)淘汰舊鋼錠模。澆鑄鋼錠的操作和工藝規(guī)范對(duì)鋼錠的質(zhì)量和降低支承輥鍛造開(kāi)裂幾率起著重要的作用。澆注產(chǎn)生的缺陷會(huì)間隔基體組織的連續(xù)性，大大減低鋼錠的熱變形塑性。鋼錠在澆鑄過(guò)程中產(chǎn)生裂紋的原因十分復(fù)雜，其根本原因在于鋼錠在凝固和冷卻過(guò)程中受到鋼水的靜壓力、熱應(yīng)力、組織應(yīng)力及其它應(yīng)力的作用，當(dāng)作用在鋼錠上的應(yīng)力超過(guò)了本身的強(qiáng)度極限及塑性變形的臨界值，就會(huì)在鋼錠薄弱處產(chǎn)生裂紋。因此澆鑄鋼錠時(shí)應(yīng)采取以下有效措施:(1)嚴(yán)格控制吊包溫度;(2)控制澆注溫度;(3)選擇適宜的澆注速度;(4)澆注溫度高時(shí)采取慢注，澆注溫度低時(shí)應(yīng)快速澆注［3］。脫模對(duì)鋼錠的表面質(zhì)量的影響同樣不可忽略。鋼錠凝固后，表面組織已轉(zhuǎn)變完成，體積按正常冷卻過(guò)程收縮，而內(nèi)部正發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，體積發(fā)生膨脹，膨脹的內(nèi)層必然給表面層一個(gè)明顯的拉應(yīng)力，當(dāng)三個(gè)應(yīng)力之和超過(guò)晶界強(qiáng)度，就會(huì)導(dǎo)致鋼錠產(chǎn)生裂紋，而這些裂紋會(huì)隱藏在鋼錠的鐵皮下，鍛造時(shí)就會(huì)擴(kuò)展，因此鋼錠要避免過(guò)早脫模，通過(guò)緩冷消除鋼錠冷卻溫度下降時(shí)體積收縮造成的熱應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變引起的組織應(yīng)力。

3．3吹氧、燒剝清傷

實(shí)際中仍會(huì)有少量鋼錠的過(guò)程控制出現(xiàn)紕漏，導(dǎo)致少數(shù)鋼錠在鍛前和鍛后出現(xiàn)裂紋，一般會(huì)選用吹氧和燒剝的方式進(jìn)行物理性的材料去除，實(shí)現(xiàn)裂紋的清理。吹氧和燒剝技術(shù)的好壞對(duì)裂紋的有效清理有著重要的影響。在吹氧和燒剝的工藝上要采取重視和優(yōu)先順紋的清理，優(yōu)化不同人員清傷操作的規(guī)范性和一致性，保證清傷部位清理完為平面或凸面，避免出現(xiàn)凹面。在過(guò)程管理上要做到成品火次前完成清傷處理，轉(zhuǎn)序前做好轉(zhuǎn)序溝通，轉(zhuǎn)序中注意保溫，轉(zhuǎn)序后盡快入爐并做好檢查記錄。

3．4生產(chǎn)質(zhì)量聯(lián)合管控

由于支承輥鍛造屬于一個(gè)多生產(chǎn)工序的協(xié)調(diào)生產(chǎn)過(guò)程，工序多、周期長(zhǎng)，多生產(chǎn)工序就會(huì)產(chǎn)生多種隨機(jī)因素從而導(dǎo)致鍛造裂紋的出現(xiàn)時(shí)間、出現(xiàn)形態(tài)以及形成的原因不同。支承輥生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)組織的規(guī)范性對(duì)降低鍛造裂紋的產(chǎn)生有積極的作用。在生產(chǎn)過(guò)程中要嚴(yán)格按照工藝進(jìn)行，確保生產(chǎn)操作的規(guī)范性和可追溯性，提高鍛造過(guò)程中的問(wèn)題監(jiān)控，有效避免工序間的推諉。

4結(jié)論

大型鍛造合金鋼支承輥的熱鍛裂紋問(wèn)題是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題，不僅涉及到材質(zhì)的可鍛性、鍛造工藝參數(shù)、生產(chǎn)質(zhì)量管控，還涉及到大型鋼錠冶煉和毛坯料轉(zhuǎn)序質(zhì)量控制，很難找到一勞永逸的解決方案。通過(guò)前述討論的質(zhì)量預(yù)防和控制措施能夠減少鍛造裂紋的出現(xiàn)和有效控制鍛造裂紋的影響，但是在制造過(guò)程中，還應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際狀況不斷針對(duì)性的加強(qiáng)和規(guī)范質(zhì)量控制，避免裂紋的出現(xiàn)，控制裂紋的影響。

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作者：周京 蘇越 周樹(shù)銀 李揚(yáng) 馬緒鵬 單位：天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院