電站轉子鍛件缺陷分析

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(洛陽中信重工機械股份有限公司計量檢測中心，河南471039)

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電站轉子鍛件缺陷分析

毛寬亮梁永濤郭亞森劉鐵山萬中停宋亞虎趙學謙

(洛陽中信重工機械股份有限公司計量檢測中心，河南471039)

某公司生產(chǎn)的電站轉子在精加工過程中發(fā)現(xiàn)其大法蘭端面及外圓出現(xiàn)裂紋，為此，采用低倍檢驗、化學成分分析、斷口分析、金相檢驗、掃描電鏡分析等方法，對缺陷進行了綜合分析。結果表明：轉子外露裂紋缺陷是注錠時表面附帶夾渣的水口冷瘤掉入鋼錠所致。

轉子鍛件；缺陷分析；異金屬夾雜；水口冷瘤

某公司生產(chǎn)的電站轉子，生產(chǎn)工藝流程為：雙真空熔煉→鍛造→粗車→超聲檢測→熱處理(性能熱處理)→半精車→超聲檢測→檢查硬度→理化檢驗(包括殘余應力)→半精車→熱處理(消應處理)。在精加工過程中發(fā)現(xiàn)轉子大法蘭端面及外圓出現(xiàn)裂紋缺陷，轉子的整體外觀及發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷的位置見圖1。缺陷在轉子大法蘭的外圓面上和端面上均肉眼可見，形貌分別見圖2、圖3所示。在圖2中所示位置取橫向低倍試片A、B和圓周方向試片C進行缺陷分析。

圖1　轉子缺陷所在位置Figure 1　Defect location of rotor

1　理化分析

1.1低倍實驗

將所取的A、B、C試片磨制后進行熱酸蝕實驗，各位置的低倍宏觀形貌分別見圖4～圖6所示。對A試片和B試片依據(jù)GB1979—2000進行低倍組織評級，評級結果為：一般疏松1.0，中心疏松1.0，錠型偏析1.0，點狀偏析1.0，結果顯示鍛件質量良好。但在試片上缺陷的位置，發(fā)現(xiàn)一個橫截面形狀近似為“C”形的柱狀異常組織區(qū)域，該缺陷在A試片即大法蘭端面位置混入轉子基體的體積和面積最大，在B試片上只剩下一條分界面，已基本被加工掉。由于異常組織位于轉子靠近水口端的法蘭處，在被最終發(fā)現(xiàn)之前，已經(jīng)過多道加工工序，因此可以合理的推測缺陷的原始形狀為“C”形柱狀結構，只是在生產(chǎn)過程中“C”的弓頂被加工掉，而成為我們目前在低倍試片上看到的相互分開的兩部分。大法蘭位置“C”形異常組織的推測原始形態(tài)見圖7所示。此前肉眼可見的裂紋缺陷均位于異常組織邊緣與基體的分界線上，部分分界線未形成裂紋，局部放大后如圖8所示。

圖2　大法蘭外圓上缺陷Figure 2　Defect appeared on the outside surface of flange

圖3　大法蘭端面上缺陷Figure 3　Defect appeared on the end surface of flange

圖4　A試片低倍形貌Figure 4　Macroscopic appearance of specimen A

圖5　B試片低倍形貌Figure 5　Macroscopic appearance of specimen B

圖6　C試片低倍形貌Figure 6　Macroscopic appearance of specimen C

圖7　大法蘭缺陷的推測原始形狀Figure 7　The supposed original shape of flange defect

(a)圖4中A1處

(b)圖4中A2處圖8　裂紋局部放大形貌Figure 8　Local magnified appearance of cracks

1.2化學成分分析

在低倍試樣上的正常基體位置及異常低倍缺陷位置分別取樣進行化學成分分析，結果見表1。從表1可以看出，試樣正?；w位置各元素的含量均符合JB/T1265—2002中對30Cr1Mo1V的成分要求，化學成分正常。缺陷位置除C、Cr、Mo元素的含量稍有差別之外，其他元素含量與正?；w并無顯著差別。

1.3斷口分析

在圖4低倍試片中間劃線處沿缺陷背面開槽壓斷口，斷口宏觀形貌見圖9所示，從圖9可以看出，正常處斷口為結晶狀斷口，缺陷處上有一灰黑色條帶，無金屬光澤，其為被打開的裂紋，裂紋已經(jīng)沿縱向貫穿試片。

1.4電鏡分析

在圖9黑色方框所示位置取樣進行電鏡分析，低倍形貌見圖10所示?；液谏珬l帶上鑲嵌著細小分散的夾雜物，見圖11所示。附近有沿裂紋分布的夾雜物，見圖12所示。正常斷口區(qū)域為解理和準解理形貌，見圖13所示。

表1　化學成分分析結果(質量分數(shù)，%)Table 1　The tested results of chemical composition (mass fraction, %)

圖9　斷口宏觀形貌Figure 9　Macroscopic fracture appearance

圖 10　灰黑色條帶低倍形貌Figure 10　Macroscopic appearance on grey black strip

圖11　灰黑色條帶上的夾雜物形貌Figure 11　Inclusion appearance on grey black strip

圖12　沿裂紋分布的夾雜物Figure 12　Inclusions distributed along the cracks

1.5金相分析

在低倍缺陷A2處取試樣進行金相分析。試樣經(jīng)磨制、拋光后在金相顯微鏡下觀察，裂紋附近存在大量的鏈狀夾雜物，如圖14所示。試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，裂紋兩側無氧化脫碳現(xiàn)象，如圖15所示。正常區(qū)域顯微組織為回火索氏體，晶粒度6級，組織正常，如圖16所示。

圖13　正常斷口處形貌Figure 13　Normal fracture appearance

(a)

(b)圖14　夾雜物沿裂紋分布Figure 14　Inclusion distributed along the cracks

圖15　裂紋兩側組織形貌Figure 15　Microstructure on both sides of crack

圖16　正常組織形貌Figure 16　Normal microstructure

2　分析與討論

轉子大法蘭處裂紋附近的異常組織在酸浸試片上呈現(xiàn)出與基體不同的色澤，其形狀不規(guī)則但邊緣比較清晰，裂紋兩側無氧化脫碳現(xiàn)象，可以初步排除該裂紋為鍛造裂紋、夾雜(渣)裂紋或縮管殘余等缺陷。根據(jù)異常組織化學成分與轉子基體的成分相比并無顯著差別，以及異常組織位置Si含量很低的檢測結果，可以確定轉子大法蘭位置的缺陷非焊補所致。因此，結合該轉子鍛件的實際生產(chǎn)過程，分析認為該轉子大法蘭上的異常組織應是鋼錠在注錠時水口冷瘤掉入鋼錠形成的與基體材質差別不大的異金屬夾雜缺陷。

鋼錠內(nèi)部存在異金屬夾雜物的原因主要是澆注過程中，外來金屬掉入模內(nèi)，補加的鐵合金(包括鋼包中加入的)不能全部熔化或擴散不均勻，或者鋼包水口凝結的冷瘤掉入模內(nèi)等原因造成的[1]。

采用雙真空生產(chǎn)的鋼錠，在其真空澆注過程中，鋼液從水口噴淋而下，一些鋼液液滴會順水口內(nèi)壁流下。此時如果水口預熱溫度不夠，或者澆注溫度偏低，就會導致順水口流下的液滴如冬季屋檐結冰一樣在水口邊沿凝固下來，形成水口冷瘤。當冷瘤尺寸逐漸增大，以至于冷瘤與水口之間的結合力不足以維持冷瘤重力時便會掉入模內(nèi)，形成鋼錠內(nèi)的異金屬夾雜。

經(jīng)過爐外精煉的鋼水，盡管潔凈度很高，但殘留在鋼液中的少量夾雜物(脫氧產(chǎn)物和二次氧化產(chǎn)物)在澆注過程中會沉積在水口內(nèi)壁和冷瘤表面，從而形成在冷瘤表面聚集的夾雜物。當冷瘤掉入模內(nèi)形成異金屬夾雜缺陷以后，冷瘤表面的這些夾雜物，以及冷瘤的部分徹底凝固成固體的表面氧化膜，便對結瘤與鍛件基體產(chǎn)生阻隔作用，形成難以鍛合的原始界面裂紋。

因此，通過前述綜合實驗和分析可知，轉子上所發(fā)現(xiàn)的裂紋缺陷為異金屬夾雜與基體的分界面，異金屬夾雜的界面因附著有脫氧產(chǎn)物、二次氧化產(chǎn)物和氧化膜等，而與基體產(chǎn)生分隔形成界面裂紋。

3　措施

由于異金屬夾雜物破壞了鋼組織的完整性，而且其邊界容易形成難以鍛合的界面裂紋，因此它屬于不允許存在的缺陷，需要采取以下措施盡量避免該缺陷的產(chǎn)生：

(1) 提高澆道管預熱溫度，做好水口預熱處理。適當提高鋼水澆注溫度，盡量避免水口澆道管形成較大冷瘤。

(2) 隨時通過窺視孔觀察水口動態(tài)，采取有效措施防止水口冷瘤掉入鋼錠。

4　結論

(1)轉子鍛件裂紋缺陷是鋼錠內(nèi)部的異金屬夾雜與基體的分界線。

(2)該異金屬夾雜是真空注錠時掉入鋼錠內(nèi)部的水口冷瘤。

[1]姜錫山.鋼中非金屬夾雜物[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2011：252-253.

[2]大型鑄鍛件缺陷分析圖譜編委會.大型鑄鍛件缺陷分析圖譜[M].北京:機械工業(yè)出版社，1990:64-85.

[3]劉賀, 周巍, 喬堅，等. 30Cr1Mo1V高中壓轉子缺陷性質分析[J]. 大型鑄鍛件, 2015(2):23-25.

[4]牛志峰. 改善高中壓轉子因非金屬夾雜致廢的探討[J]. 大型鑄鍛件, 2015(3):29-30.

編輯杜青泉

DefectAnalysisofRotorForgingforPowerStation

MaoKuanliang,LiangYongtao,GuoYasen,LiuTieshan,WanZhongting,SongYahu,ZhaoXueqian

Duringthefinishmachiningprocess,thecracksappearedontheendfaceandtheoutsidesurfaceofflangeofrotorusedforpowerstation.Forthisreason,bymeansofmacroscopicexamination,chemicalcompositionanalysis,fractureanalysis,metallographicexaminationandSEManalysisetc.,acomprehensiveanalysishasbeencarriedoutfordefects.Theresultsshowthattheexposedcrackdefectsofrotoriscausedbythenozzlecloggingwithslaginclusionwhichfellintotheingotduringthepouringprocess.

rotorforging;defectanalysis;dissimilarmetalinclusion;nozzleclogging

2016—04—20

TG316.1+92B