大型支承輥鍛坯端面裂紋狀缺陷分析

乙繼海 邵奎祥 劉 麗 喬 堅

(1.中國第一重型機械股份公司鑄鍛鋼事業部，黑龍江161042；2.天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

我公司生產的4 300 mm軋機用大型支承輥鍛坯，在鍛后熱處理后機加工前發現其冒口端輥頸端面中心和距中心65 mm處各有一條裂紋狀缺陷，其中距中心65 mm處相對較大的一條裂紋狀缺陷探傷檢查其縱向長度約為2 500 mm。為了解支承輥鍛坯輥頸端面裂紋狀缺陷性質和產生的原因，對該支承輥解剖取樣并進行理化分析。

1 4 300 mm軋機用支承輥鍛坯基本情況

該支承輥鍛坯實物照片見圖1，材質為YB-50，鋼錠重360 t，其實際生產工序為：電爐粗煉鋼水→鋼包精煉(真空除氣)→真空鑄錠→鍛前加熱→水壓機鍛造(切除冒口和鍛壓成型)→鍛后熱處理(正火加球化退火、回火)→粗加工→超聲波探傷。在輥坯粗加工前，發現冒口端輥頸端面存在兩條裂紋狀缺陷。一條位于端面中心，尺寸較小，長約97 mm；另一條距中心65 mm處，，呈彎曲狀，尺寸較大，長約450 mm。經超聲波探傷檢查尺寸較大缺陷縱向長度約為2 500 mm，缺陷在各部位粗細程度(張口寬度或在空間走向連續性)不一致，其粗細部位的分布較為雜亂。

圖1 支承輥鍛坯實物形貌Figure 1 The actual appearance of backup roll forged blank

2 試樣分析

2.1 截取試樣

首先對支承輥鍛坯進行冒口端輥頸根部橫向鋸切→立車加工成?940 mm圓坯→在距冒口端面100 mm處橫向鋸切?940 mm×40 mm試片→繼續鋸切取?940 mm×180 mm×35 mm的條形試料。對條形試料進行低倍酸洗檢驗后，將其解剖切取化學分析、力學性能試驗、高倍金相檢驗與電鏡檢測分析等試樣。

2.2 理化檢測分析

2.2.1 低倍檢驗

由于裂紋狀缺陷穿過切取的?940 mm×180 mm×35 mm試樣，且數量較輥頸端面多，所以該樣切取時就分裂為幾塊。取其中一塊帶有宏觀裂紋斷口面及鋸切面中裂紋形貌的試片，見圖2。圖中所示其上表面和左側表面均為裂紋狀缺陷斷口，由于嚴重氧化呈黑蘭色，斷口表面呈平緩起伏，沒有放射狀臺階花樣。將試片進行酸洗檢驗，用肉眼觀察可見在該檢驗面上有兩條尺寸較大的裂紋狀缺陷，以及疏松和偏析缺陷，裂紋狀缺陷周圍疏松特別多，見圖3。在體視顯微鏡下觀察發現，大尺寸裂紋狀缺陷周圍有密集的小尺寸裂紋狀缺陷(龜裂)，見圖4。

2.2.2 化學成分分析

圖2 橫向試片斷口及鋸切面中裂紋形貌Figure 2 Crack appearance on transversal test piece fracture and saw cutting plane

從試片中心到輥頸表面等距離取樣，分別編號為1～6，進行化學分析，其結果見表1。

圖3 橫向試片低倍酸洗形貌Figure 3 The macroscopic appearance of transversal test piece pickling

圖4 輥坯大裂紋狀缺陷周圍的微裂紋狀缺陷Figure 4 Microcrack defects around roller large crack defect

表1 取樣部位中心到輥頸表面等距離處化學成分(質量分數%)Table 1 Chemical composition at the same distance from sampling location center to roll neck surface (mass fraction，%)

2.2.3 力學性能試驗

表2 各取樣部位力學性能檢驗值Table 2 Mechanical property test values on various sampling position

2.2.4 高倍金相檢驗

從試片中心到表面等距離切取編號為1～6的樣品進行非金屬夾雜物、金相組織和裂紋狀缺陷高倍特征檢驗，其中各處非金屬夾雜物級別均較低，表明其鋼中純凈度尚可。

輥內各處顯微組織均為球狀顆粒狀珠光體+少量碳化物，見圖5。經檢驗，各處晶粒均較細，晶粒度級別均在7.5級～8級之間。1～3號樣可見有顯微空隙缺陷，表明鍛坯雖經鍛造，但其鍛比較低，不足以將其鍛合。

在細裂紋狀缺陷處取樣進行金相高倍檢驗。拋光后未浸蝕觀察可見細紋缺陷側區域密集分布有高溫氧化生成物，見圖6。將樣品用4%的硝酸酒精溶液浸蝕后觀察，可見細紋邊緣脫碳現象較為嚴重，見圖7。

2.2.5 斷口電鏡觀察

由于原鍛坯裂紋狀斷口表面氧化嚴重，已無法有效地進行掃描電鏡斷口觀察與分析。所以僅對鍛坯細紋缺陷部位斷口上一些原始的且未明顯氧化的斷口進行了掃描電鏡觀察，這些斷口都具有自由表面特征，見圖8。

圖5 輥內顯微組織形貌 1 000×Figure 5 Microstructure appearance in roller 1 000×

圖6 細紋缺陷側高溫氧化生成物形貌 100×Figure 6 High temperature scale appearance on the side of fine texture defect 100×

圖7 細紋缺陷側脫碳形貌 200×Figure 7 Decarburization appearance on the side of fine texture defect 200×

另外，用掃描電鏡對上述1號拉伸樣斷口進行了觀察，呈石狀斷口部分為沿晶開裂，晶粒表面有明顯的自由表面特征，見圖9、10。

3 分析與討論

綜合上述檢驗分析結果，可以認為：

圖8 鍛坯細紋缺陷部位斷口中顯微孔隙中自由面形貌Figure 8 Free face appearance of microcavity on fracture of forged blank crack position

圖9 1號拉伸斷口SEM低倍形貌Figure 9 SEM macroscopic appearance of No. 1 tensile fracture

圖10 1號拉伸斷口呈石狀斷口處形貌Figure 10 Stone-like fracture appearance on No.1 tensile fracture

(2)支承輥鍛坯從表面到心部金相組織均為球狀顆粒狀珠光體+少量碳化物，不存在大塊狀碳化物或大量碳化物密集分布現象。

(3)支承輥鍛坯發現裂紋狀缺陷前經歷了正火加球化、回火熱處理，存在產生熱處理裂紋的可能性。從裂紋狀缺陷斷口表面嚴重氧化和裂紋兩側嚴重脫碳情況看，不可能出現由于正火冷卻速度過快引起開裂和回火過程中產生再熱裂紋；從裂紋僅發生于支承輥鍛坯直徑較細一端且分枝較多，斷口表面起伏平緩看，也不是加熱速度太快引起的。因此，可以排除發生熱處理裂紋的可能性。

(4)支承輥鍛坯重量重，直徑粗，易出現由于加熱不足、加熱不均(或心部未加熱透)等原因引起的鍛件心部開裂的鍛造裂紋。其中加熱不均或心部未加熱透引起的鍛件內裂多呈對角線，加熱不足引起的鍛件內裂多呈放射狀[1]。這兩種裂紋在空間走向或粗細應是連續的。裂紋分枝少，裂紋周圍不會出現龜裂現象。上述鍛造裂紋特征與在支承輥鍛坯觀察到的大的裂紋狀缺陷基本無共同點，另外支承輥鍛坯化學成分符合要求，金相組織較均勻，沒有碳化物嚴重偏析現象，不容易發生鍛造裂紋。因此，可以排除鍛造裂紋的可能性。

(5)在支承輥鍛坯中發現的裂紋狀缺陷在空間走向和粗細上無良好的連續性，分枝較多，周圍有非常多的疏松和小裂紋，斷口面呈平緩起伏狀，斷口上可見一些自由表面特征等，這些現象表明裂紋狀缺陷為鑄錠中近冒口的鑄造缺陷，在鍛造時被壓擠成一條彎曲的裂紋狀。該鑄造缺陷應是縮孔殘余或二次縮孔。裂紋狀缺陷周圍細裂紋應是被壓扁的疏松。由于縮孔殘余或二次縮孔在鑄錠中的空間形狀是規則的，當鍛造比不大時，所形成的裂紋狀缺陷在空間走向或粗細上必然無良好的連續性。

4 結論

4 300 mm軋機用大型支承輥鍛坯冒口端輥頸端面出現的紋狀缺陷性質為縮孔殘余或二次縮孔。

[1] 胡世炎.破斷故障金相分析[M].北京：國防工業出版社，1979，110-118.