包晶鋼錠鍛造開裂原因分析

劉占東 岳喜軍

(東北特鋼集團北滿特鋼鍛鋼公司，黑龍江161041)

Fe-C合金在平衡凝固過程中凡是發生包晶反應的鋼統稱為包晶鋼，即碳的質量分數在0.09%～0.53%之間的鋼種。鋼鐵材料的使用性能決定了多數鋼種屬于包晶鋼，各鋼廠生產較多。實際生產所指的包晶鋼是碳含量在0.08%～0.20%范圍的碳鋼及合金鋼。碳含量超出此范圍雖然有包晶反應產物生成，但對塑性惡化作用不明顯，質量容易保證。我公司生產的WB36、16Mn、Q345D、14CrNiMoV等包晶鋼在鍛造過程中經常出現表面周身橫裂和局部龜裂缺陷，如圖1所示。缺陷特點是鋼錠初始變形時基本沒有缺陷，隨著變形逐漸顯現，變形量越大開裂越嚴重。裂口最深35 mm，寬度最大20 mm，出現開裂鍛件基本報廢，無法挽救。

1 缺陷檢驗

觀察鍛件表面，橫裂口明顯有撕裂痕，呈現多面體柱狀，并且都是在緊鄰變形區部位。取樣進行酸浸低倍檢驗，如圖2，發現試片橫斷面存在較嚴重一般疏松，樹枝晶發達，裂口嚴重部位樹枝晶最重。切取裂口部位試樣進行高倍檢查，沒有發現氧化、脫碳現象，也沒有夾雜物，試樣部位已經有一定的塑性變形，晶粒級別為2～5級，晶粒比較粗大，混晶。

2 分析

根據文獻[4]，包晶鋼凝固過程中初生相生成量越多，即為包晶轉變(δ→γ)提供的δ鐵量越多、越粗大，其轉變產生的體積收縮量越大，使得鋼錠產生裂紋的傾向性也增大。包晶轉變階段引起的體積收縮是導致鋼錠裂紋產生的主要原因，且該轉變主要集中在離包晶相變開始界面較小的區段內(<3 mm)，該區段屬于鋼錠凝固的柱狀晶區，是鋼錠裂紋的敏感區。

圖1 鍛件表面橫裂圖片Figure 1 Forging crack picture

圖2 橫裂低倍圖片Figure 2 Macro picture of crack cross section

為了保證鍛件內部致密，需要適當的鍛造比。原始鋼錠鍛比不足時采用鐓粗工藝增加鋼錠直徑。在鐓粗變形時存在局部拉應力，因此鐓粗過程對包晶區域有一定程度的破壞作用。如圖3鐓粗過程圖示，在Ⅲ變形區由于不均勻變形，在鍛件高度中間部位出現環向(切向)拉應力，并且越靠近外層(表面)越大，同時徑向壓應力減弱，并且越靠近外層(表面)越小，應力作用與包晶的結晶方向垂直。由于包晶鋼錠的柱狀(即包晶反應產物δ)晶粒發達，晶粒間結合能力相對較差，宏觀表現就是柱狀晶區塑性較低，在拉應力足夠大時就會造成晶間開裂，裂口與表面垂直。由于鍛造鐓粗變形速度緩慢，一般小于0.1 s-1，因此裂紋只能在柱狀區擴展，不能延伸至表面高塑性區，缺陷類似于皮下裂紋性質。

圖3 鍛件鐓粗時變形及應力分布Figure 3 Deformation and stress distribution when upsetting

鋼錠拔長變形過程對表面也存在破壞作用，如圖4(鍛件局部壓縮)。拔長時處于變形區外不變形的部分稱為外端，外端與變形區相連接，它們之間發生相互作用，影響變形區金屬的變形、應力、速度分布。當無外端壓縮時，ABCD變形后要變成A′B′C′D′的形狀，而在有外端影響時，將變成A″B″C″D″的形狀，導致鍛件橫、縱向變形不均勻。由于金屬是一個整體，變形區受到外端限制，強迫變形趨于一致，對變形有強迫“拉齊”作用，造成鍛件內部產生附加應力。對延伸變形，自由延伸小部位受到縱向附加拉應力，自由延伸大部位受到縱向附加壓應力；對寬度方向變形，寬度中間部位出現縱向壓應力，邊部出現縱向附加拉應力。在上下平砧采用走方變形時，由于四個角部同時受到橫縱向附加拉應力作用，容易開裂；當采用上平下V型工具圓料螺旋壓下變形時，由于變形區各部位壓下量不同，應力分布相應改變，產生附加應力。在帶外端壓縮變形時，在變形區與外端的交界面上要產生剪變形，產生相應的剪切應力，其方向與附加拉應力相同，壓下量越大剪切應力越大，交界面應力最大，并向鍛件內部逐漸減小。與不均勻變形的附加應力結合，造成附加壓應力作用減小，附加拉應力作用增大，圖1裂口就類似于剪切撕裂缺陷。

1—工具 2—外端 3—變形區圖4 局部壓縮時外端對延伸和寬展的影響Figure 4 The effect of outer end on the extension and widen when partial compressing

包晶鋼錠鍛造發生局部龜裂與鍛造時溫度均勻性也存在一定關系，龜裂呈塊狀或片狀時，分析缺陷是由于鋼錠鍛造時局部低溫或加熱時陰陽面、頭尾溫差大造成，此時高溫部分與低溫部分塑性不同，對應低溫區就是低塑性強制變形，產生巨大附加拉應力，導致鋼錠一頭或一側局部開裂。

鋼錠化學成分對裂紋產生影響不大，標準允許條件下盡量把C含量控制在0.08%～0.20%范圍之外，同時降低鋼中偏析系數高的S、P和五害元素Pb、Sn、As、Sb、Bi等含量，可以提高鋼錠塑性，降低開裂傾向。

3 結論

(1)包晶鋼鍛造過程開裂與鋼錠澆注參數控制有關，所有使鋼錠柱狀晶發達因素如澆注溫度高、澆注速度快、鋼錠模溫度低等，都能夠導致包晶組織發達、比例增加、與鋼錠表面距離減少，使組織轉變應力和體積變化增加，皮下沿晶微細裂紋出現幾率加大。

(2)制定包晶鋼錠鍛造工藝時，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。

(3)鋼錠拔長變形過程必須首先倒棱，通過小變形量表面變形破碎皮下柱狀晶粒，壓實微細

裂紋，提高鋼錠塑性，鋼錠鐓粗變形后也要進行小變形量表面變形操作，壓實鐓粗過程中環向拉應力導致的柱狀晶區微細裂紋。

(4)包晶鋼對變形溫度較敏感，尤其鋼錠各部分溫度不均導致的各部位塑性不同，變形時的拉齊作用使局部發生撕裂，因此要在高溫下變形，溫度不均時返爐加熱。

實際生產時采取以上方法，控制凝固參數可以取得較好效果，保證沒有開裂缺陷，其它方法屬于挽救措施，不能完全消除表面裂口。

[1] 邱紹岐，等.電爐煉鋼原理及工藝.北京：冶金工業出版社，1996.

[2] 趙志業，等.金屬塑性變形與軋制理論.北京：冶金工業出版社，1992.

[3] 康大韜，等.大型鍛件材料及熱處理.北京：龍門書局，1998.

[4] 高仲，張興中，姚書芳，等.包晶鋼鑄坯裂紋形成機理的實驗研究.鋼鐵研究學報.2009，21(10)：8-11.