泵头体锻件缺陷分析_赵学谦.pdf

年 月第 期大型铸锻件 泵头体锻件缺陷分析赵学谦 王明飞 陈远博 牛铭越 刘祥瑞（中信重工机械股份有限公司计量检测中心，河南 洛阳）摘要：泵头体锻件在无损检测时，发现密集型超标缺陷，通过低倍检验、扫描电镜分析、金相分析方法，确定了缺陷性质为夹杂物。通过生产过程的对比分析，发现炼钢过程中脱氧不充分是导致此缺陷的主要原因。关键词：泵头体；锻件；缺陷分析；夹杂物；脱氧 中图分类号：文献标志码：，：，：；收稿日期：作者简介：赵学谦（），男，工程师，从事金相分析、力学试验及失效分析工作。泵头体锻件为生产某压力容器管道泵的关键部件，材质为，其生产过程为冶炼锻造分割粗加工热处理精加工。该批锻件在粗车后进行超声检测时，发现存在超标缺陷，按标准要求评定不合格。为确定其缺陷产生原因，避免再次发生此类质量事故，故开展此次锻件缺陷原因分析。选取缺陷较为严重的锻件进行分析，该锻件缺陷为分布于锻件端部的密集型缺陷，缺陷面积为 ，缺陷当量 。经超声波定位，在缺陷最严重的部位取低倍试片。泵头体锻件及试片形貌见图。图 泵头体锻件切取的缺陷部位试片 理化分析 低倍试验 将所取的低倍试片，在磨制后进行热酸蚀试验，酸洗后放置一定时间进行观察，发现在试片的边缘位置，即图 中方框所示位置，有相互平行的线型缺陷，尺寸基本在 之间。其中部分缺陷形态细长，类似发纹形态，部分缺陷具有一定宽度，颜色较基体颜色偏深，类似偏析形态，所有缺陷处均没有明显的反酸现象，可以初步推断排除裂纹类缺陷的可能，具体形貌见图，除上述缺陷外，未发现其他低倍缺陷。图 缺陷低倍形貌 金相分析 在缺陷最严重部位取样，磨制并抛光后，在光学显微镜下进行观察，在试样上发现存在非金属夹杂物，见图。夹杂物均匀分布于整个试样上，具有一定的方向性，形态主要为相互平行的具有一定宽度的深灰色条状，其中夹杂着一些棱角分明、形态比较小的颗粒，同时也存在一些以颗粒状排列的链条状形态分布的夹杂物。在较高的放大倍数下，除部分夹杂物在试样磨制过程中脱落，夹DOI:10.14147/ki.51-1396/tg.2023.03.013赵学谦：泵头体锻件缺陷分析 年第 期杂物边界与基体连接紧密，根据夹杂物的形态和颜色判断应为氧化物和硅酸盐类夹杂物，其中最大尺寸约 。图 夹杂物形貌 试样经 硝酸乙醇溶液浸蚀后观察，夹杂物的分布与组织没有相关性。试样的金相组织为板条马氏体组织，未有异常现象，见图。图 金相组织 电镜及能谱分析 电镜下的夹杂物形貌见图，在二次电子成像形貌下，夹杂物形貌较显微镜下形貌更为直观立体，颗粒形貌清晰。在背散射电子成像形貌中，因其成分元素差异，可以清晰看出不同成分的夹杂物的形态。对棱角清晰的颗粒及夹杂物基底两处进行能谱分析，结果显示该处夹杂物的成分主要含有、，以及少量的、等元素，可以判断该夹杂物应为氧化铝及硅酸盐类夹杂物。综合分析与讨论 通过以上检验结果可知，该锻件缺陷性质为钢中非金属夹杂，夹杂物类型主要为氧化铝及硅酸盐类夹杂物。以下就夹杂物的来源及缺陷原因进行分析。夹杂物来源分析 钢中的夹杂物根据来源可分为内生和外来两种。内生夹杂物是指钢在冶炼和凝固过程中，因内部发生的一系列化学反应而产生的第二相，尺寸一般为微米、毫米级。外来夹杂物是指炼钢过程中，混入其中的各种炉渣、耐火材料，或是这些混入物相互之间与钢液之间化学反应的产物，尺寸都在毫米级以上，大多数情况下，肉眼可见。图 电镜形貌及能谱分析 夹杂物从形态角度上分析，锻件中的内生夹杂物在经锻压变形以后，脆性夹杂物易受压力而破碎成更小的颗粒，呈链状沿变形方向分布，塑性良好的夹杂物会沿变形方向延伸，呈条状分布。而外来夹杂物一般形状极不规则，多呈棱角成堆集状，分布位置零散，具有偶然性。从上述宏观及金相检验可知，该夹杂物表现为互相平行且具有一定方向性的条状形态，据此判断，该夹杂物形貌符合内生夹杂物形貌特征。根据生产调查，冶炼炉各部位炉衬材料主要为镁质砖、铝镁质砖、镁钙质砖等，炉渣化学成分中一般以、元素为主。根据上述能谱结果可知，该夹杂物的主要成分以 和 为主，因此可排除外来夹杂物的可能。通过以上夹杂物的来源分析可知，虽然该泵头体锻件中夹杂物尺寸较大，但是其形态及分布 年第 期大型铸锻件符合内生夹杂物的形态和特征。夹杂物缺陷产生原因分析 夹杂物之所以在锻件上呈现出来，是因为在钢锭冶炼及凝固过程中，钢中产生的夹杂物没有完全的上浮和沉积所导致。根据实际生产统计分析，同时期共生产四支钢锭，其规格重量、生产工艺参数等均一致。两支钢锭锻造分割后，在锻件上出现夹杂物缺陷，另外两支钢锭生产的锻件均合格、无缺陷。通过对四支钢锭生产工艺参数及过程控制进行对比分析，重点分析其冶炼过程中，脱氧剂的加入数量、加入时机以及浇注温度等主要影响夹杂物形成与运动的因素。夹杂物生成条件分析 在冶炼过程中，钢水中需要加入大量的还原剂来脱除钢中的氧，使得钢中氧含量满足标准要求。除在此过程中产生氧化物外，若钢水中的氧含量过高，在钢液的冷却结晶过程中，也会与钢中的合金元素反应生产新的氧化物。通过对比四支钢锭的脱氧剂使用情况见表，由表中数据可知，脱氧剂的加入种类及加入量并无明显不同，但正常炉次 线及 的用量均明显多于问题炉次。对比四支钢锭的熔炼气体检测结果，见表，从表中可知，有问题炉次的钢锭氧含量明显高于正常炉次钢锭的含量。由此可知，脱氧程度与夹杂物缺陷形成明显相关。夹杂物上浮条件分析 冒口端夹杂物产生机理：由于保温冒口的设置，使钢锭头部钢液能长时间的保持，以便填充钢锭先凝固部位的收缩，是钢锭中最后凝固部分。而钢液在凝固过程中，夹杂物会上浮富集于此处，该部位为大量缩松和夹杂物聚集地。若冒口浇高不够，则在冒口端容易出现夹杂类质量问题。另外，钢液的温度也是夹杂物上浮的关键因素，随着温度的降低，钢液的流动性变差，使夹杂物会难以运动上浮，。根据表 中参数，四支钢锭的浇注温度、浇注时间均符合规范要求，且相互之间无明显差异。在冒口浇高方面，问题炉次 的冒口浇高不符合工艺规范，高度较低，无损检测在冒口端确实存在夹杂物缺陷，但是问题炉次 的冒口浇高处于规范要求的上限，同样出现夹杂缺陷，且缺陷位于钢锭通身位置。因此，冒口浇高、浇注温度与缺陷无强相关性，不是主要原因。表 脱氧剂加入种类及加入量 炉号 粉 粉 线 线 问题炉次 问题炉次 正常炉次 正常炉次 注：为最后加入脱氧剂时间至精炼出钢时间差。表 四支钢锭熔炼气体检测结果（质量分数，）（，）炉号验收指标 问题炉次 问题炉次 正常炉次 正常炉次 表 四支钢锭浇注过程关键参数 炉号真空度开浇温度工艺规定浇注时间工艺规定时间冒口浇高工艺规定浇高问题炉次 问题炉次 正常炉次 正常炉次 通过以上对比分析可知，钢中夹杂物的产生与冶炼过程的脱氧不充分有关。因钢液中的氧含量未充分去除，在钢液的凝固过程中，会不断与钢中的合金元素发生反应产生新的氧化物。若此时钢液温度较高，产生的氧化物会不断上浮至冒口中，但随着凝固过程温度的不断降低，钢液流动性变差，产生的氧化物难以运动，会残留在钢中导致缺陷的产生。结论 通过以上综合分析，可以得出以下结论：（）该泵头体锻件缺陷性质为夹杂物缺陷，夹杂物类型为氧化铝和硅酸盐类；（）夹杂物缺陷产生的主要原因是炼钢过程中脱氧不充分。赵学谦：泵头体锻件缺陷分析 年第 期参考文献宋亚虎 辊轴锻件缺陷分析大型铸锻件，（）：庞钧 大型铸锻件缺陷分析图谱北京：机械工业出版社，：姜锡山 钢中非金属夹杂物北京：冶金工业出版社，：史向阳 加氢锻件筒体缺陷原因分析 大型铸锻件，（）：张月鑫 钢液凝固与冷却过程及固体钢加热过程钢中非金属夹杂物成分动力学转变的几个概念和特征曲线工程科学学报，（）：邱绍岐，祝桂华 电炉炼钢原理及工艺北京：化学工业出版社，：闫抒宇 核电用特大型钢锭浇注过程夹杂物的控制 大型铸锻件，（）：胡寒婷 筒体锻件缺陷性质及原因分析 金属加工（热加工），（）：编辑：王妍（上接第 页）（）锻造工艺设计合理，各部位变形均匀，压实效果良好。采用两镦两拔锻造方式，每次镦粗后高径比按 控制，保证中心压实，拔长采用每道次压下量 大压下量锻造；法兰锻造设计专用工装，法兰局部镦粗成型采用两次冲型设计，第一次高温下大压下量初步冲型后在上下平砧滚圆法兰局部圆角，并立料校直轴身，第二次保证法兰一次冲型到位，避免局部圆角冲型不到位，导致法兰尺寸超差，影响加工。（）锻后热处理设计合理，双正火 扩氢退火工艺设计，获得较细且均匀的晶粒，为超声检测提供了有利条件，通过两次预冷及扩氢退火工艺，获得较低的氢含量，为材料的安全性提供了保障。（）粗加工与热处理工序结合，设计出合理的粗加图，避免出现尖角，台阶采用坡度过渡，为热处理强冷提供了条件。（）调质工艺设计，采用阶梯加热工艺设计，减少工件内外温差，降低了加热应力；根据 软件计算，设计出最佳的热处理淬火温度；淬火冷却采用水空水强冷工艺设计，终冷温度，确保组织转变充分，并通过后续的两次回火获得所需的力学性能及较低的残余应力，为材料满足使用要求提供了保障。结论 通过上述分析讨论，得出以下结论：（）通过化学成分内控，添加适量的微量元素，可以满足力学性能要求；（）通过冶炼过程控制，提高钢液纯净度，并经过合适的锻造方式，风机主轴的超声检测可以满足技术要求；（）锻后采用双正火 回火，调质采用水冷空冷水冷的强冷工艺可以满足风机主轴的金相组织及力学性能要求；（）试制风机主轴各项指标满足设计要求，说明试制方案是可行的，可以满足批量生产要求。参考文献 关燕，周澍，陈乃录 钢轴类件控时淬火冷却工艺的设计热加工工艺，（）：管敏超，李振华，左训伟，等 钢大直径长轴件的淬火冷却工艺金属热处理，（）：，（）：鲁玉梅，王凯军，梁晓捷，等 风机主轴调质工艺优化 热处理技术与装备，（）：崔崑 钢的成分、组织与性能 第一分册：合金钢基础 版北京：科学出版社，：马永杰 热处理工艺方法 种北京：化学工业出版社，：康大韬，叶国斌大型锻件材料及热处理北京：龙门书局，：；樊东黎 强烈淬火 一种新的强化钢的热处理方法 热处理，（）：王之香 大功率海上风电主轴轴承用钢生产工艺实践 金属材料与冶金工程，（）：胡文豪，袁永，刘骁，等 酸溶铝在钢中行为的探讨 钢铁，（）：编辑：段红玲