45Cr9Si3热挤压气门盘部裂口分析.pdf

DOI:10.16683/J.CNKI.ISSN1674-0971.2023.2025前言气阀钢属于耐热钢的重要分支，用于制造汽油发动机和内燃机等设备的进气阀和排气阀，是制造发动机的关键材料1,目前气阀钢按组织类型主要分为两类，分别为马氏体型、奥氏体型。45Cr9Si3由于其具有良好的淬硬性、抗氧化性和抗腐蚀性，目前已经成为中国市场、欧美市场马氏体气阀钢中应用量最大的钢种，表1为45Cr9Si3马氏体气阀钢在各国标准中的对应牌号。某公司使用45Cr9Si3（20 mm）材料生产的气门（杆径为6.5 mm）挤压锻压成型后出现少量的气门锥面外圆裂口现象，该公司的气门毛坯生产工艺为：下料抛丸加热挤压压盘。45Cr9Si3热挤压气门盘部裂口分析艾进1许万剑2赵衡1摘要：某公司使用45Cr9Si3材料采取热挤压工艺生产气门时出现了气门盘部裂口现象。本文通过OM及SEM+EDS等手段对缺陷样品进行分析，以及模拟材料在热挤压过程中的演变过程，分析出缺陷来源于原材料生产过程中的电渣工序，并提出了解决方案。关键词：45Cr9Si3气门；热挤压工艺；裂口；电渣中图分类号：TG764+.2文献标识码：A文章编号：1674-0971（2023）-002-04Crack analysis on 45Cr9Si3 hot extrusion valve skirt（1 Jiangsu Shenyuan Group Co.,Ltd.,Taizhou 225721,Jiangsu,China；2 National Stainless Steel Quality Supervision and Inspection Center（Xinghua）,Taizhou 225721,Jiangsu,China）Abstract：The cracking of the valve skirt occurred when 45Cr9Si3 material was used to produce value by hot extru-sion process in a company.In this paper,the defect samples were analyzed by OM and SEM+EDS,and the evolution pro-cess of the materials in the hot extrusion process was simulated.The result showed that the defects arose from the electro-slag process in the production of raw materials,and the solution was proposed.Keywords：45Cr9Si3 valve,hot extrusion process,crack,electroslag收件日期：2023-1-10作者简介：艾进（1986-），男，硕士研究生，工程师，现供职于江苏申源集团有限公司技术中心，从事不锈钢、耐热钢产品生产及研发工作。（1.江苏申源集团有限公司，江苏 泰州225721;2.国家不锈钢制品质量监督检验中心(兴化)，江苏 泰州225721）Ai Jin1,Xu Wanjian2,Zhao Heng1特钢技术Special Steel Technology第29卷 总第115期2023年第2期Vol.29（115）2023.No.2表1 各个国家标准中的45Cr9Si3牌号Table 1 45Cr9Si3 grades in various national standards类型马氏体中国GB/T 1277345Cr9Si3国际ISO 683-15X45CrSi9 3美国SAE J775HNV3德国DIN EN100901.4718日本JIS G4311SUH11理化分析1.1缺陷气门盘宏观形貌缺陷气门上下表面的宏观形貌如图1所示。图1中上下表面可见气门盘部存在一个裂口，为压盘时形成的一个开口缺陷，裂口较宽但并不深，盘部其它区域未见明显的缺陷。1.2化学成分分析对缺陷气门样品进行化学成分分析见表2，表2中可见，缺陷气门样品化学成分满足国标“中国GB/T 12773-2021内燃机气阀用钢及合金棒材”中规定的45Cr9Si3的化学成分的要求。1.3金相分析将缺陷气门按图2所示部位取样切割，进行缺陷金相分析，结果见图3。图3可见，所取1-4部位的边缘位置均发现了深灰色类似夹杂物的物质，但与A、B、C、D、Ds夹杂物形态均不同，其中部位13比较明显、部位4隐约可见，为原材料的缺陷，初步判定可能与气门的开裂相关。将部位 1、2 采用SEM+EDS进行分析，结果见图4和表3。从图4和表3结果可看出，缺陷部位存在的类似夹杂物的物质成分主要为F、O、Ca、Al、Si等元素，从形态和成分上看，均非常规意义上的非金属夹杂物（A、B、C、D、Ds类），为外来夹杂物。夹杂物破坏了金属基体的连续性，若夹杂物缺陷正好处于热挤压变形的区域且露头，热挤压变形时则会形成裂口缺陷。艾进 许万剑 赵衡：45Cr9Si3热挤压气门盘部裂口分析第29卷第2期图1 缺陷气门盘部宏观形貌Fig.1 Macro morphology of defective valve skirt表2 气门化学成分（wt%）Table 2 Chemical composition of the valve（wt%）牌号气门45Cr9Si3C0.440.400.50Si3.142.703.30Mn0.320.80S0.0040.030P0.0250.040Cr8.778.0010.00Ni0.130.60Cu0.050.03图2 缺陷气门取样位置图Fig.2 Sampling location diagram of defective valve(a)部位1（盘部）；(b)部位2（杆部）；(c)，部位3（杆部）；(d)部位4（杆部）)图3 缺陷气门不同取样部位金相图片Fig.3 Metallographic images of different sampling locations ofdefective valves(a)部位1；(b)部位2)图4 缺陷气门样品SEM+EDS分析Fig.4 SEM+EDS analysis of defective valve samples 362材料热挤压过程中的演变为了准确的判定气门缺陷位置对应的原材料缺陷位置，设计了相关模拟试验。设计在20 mm原材料样品上进行刻伤，再进行热挤压，从而得出气门缺陷与原材料缺陷的对应关系，以帮助分析此气门裂口缺陷的来源。2.1热挤压过程图5为热挤压流程图，图中可见气门材料的热挤压过程分为三个阶段：下料（含抛丸、加热）热挤压拍盘。拍盘后可见气门毛坯盘部存在明显的开裂。2.2热挤压过程中上下表面和侧表面缺陷的演变图6图8为为气门缺陷与原材料缺陷的对应关系图。图6可见原材料上表面的“十字”伤演化成气门盘部的端面伤。盘面照片显示原材料的上表面经过挤压全部变为气门毛坯的盘部，但没有满足整个盘面的要求，整个盘面还需侧表面材料来补充。图7可见原材料下表面的“十字”伤中心部位演化成气门杆部顶端的“十字”伤，原材料下表面的“十字”伤除中心之外的其他部位由于挤压上翻作用，演化成气门杆部上部12 cm的线性缺陷。图8可见原材料的侧面伤（具有一定深度）一部分演化成盘部边缘裂口缺陷，一部分则演化为气门盘部表面及盘部往上杆部的缺陷。3开裂原因分析综合上述分析，缺陷气门部位2-4的缺陷为原材料纵向方向上接近中心处的缺陷演化而来，部位1（盘部）由近中心到原材料近表面中间区域挤压成型，其缺陷多数由原材料近表面的缺陷演化而来。但是热挤压材料的上翻作用，20mm规格的材料最后杆径只变成6.5mm规格，盘部最边缘反而是由更靠近中间区域的缺陷转化而来，当这种气孔缺特钢技术第29卷第2期表3 气门样品夹杂物EDS成分分析（wt%）Table 3 EDS analysis of the valve sample inclusions(wt%)牌号部位1夹杂物部位2夹杂物O24.98-C-0.27F21.2156.57Al16.68-Si0.67-Ca12.9341.09Cr2.82-Fe20.691.09C-0.27Br-0.98图5 热挤压流程图Fig.5 Hot extrusion flow chart图6 热挤压过程中的上表面缺陷演变Fig.6 Evolution of the upper surface defects during hot extrusion图7 热挤压过程中的下表面缺陷演变Fig.7 Evolution of the lower surface defects during hot extrusion图8 热挤压过程中侧表面缺陷演变Fig.8 Evolution of the side surface defects during hot extrusion 37陷正好在挤压区域形成盘部边缘时会形成裂口，如果不落在盘部边缘，就不会产生裂口，就会以裂纹、类似夹杂物的缺陷出现在材料中。气门出现裂口缺陷与气门生产工艺无关，主要原因为原材料中存在缺陷，导致在后续加工过程中形成裂口。原材料供应单位生产工艺为：冶炼（EAF+LF+VD）连铸电渣轧制热处理银亮加工涡流探伤超声波探伤包装入库。纵观原材料供应单位材料的生产制造过程，样品中缺陷处的成分主要含主要为F、O、Ca、Al、Si等元素，与电渣过程中的渣料成分“CaF2、Al2O3、CaO、SiO2”相吻合，因此将异常产生的原因锁定在电渣工序。经对电渣工序生产排查后发现，电渣钢锭大头部位存在气孔（图9）。由于电渣渣料中含有较多的CaO，在梅雨季节容易吸水，在电渣起弧过程中，由于高温电离作用会分解成O、H残留在钢液中2。在随后的钢液凝固过程中，氧和氢的溶解度急剧下降，气体向液体钢中富集，由于熔池温度较低，钢液与渣池粘稠大，气体无法逸出液面。随着凝固的进行，气体在金属液中达到饱和，气体脱离在局部位置形成气泡，凝固过程中气泡不断长大，气泡内压力增大，当气泡压力大于外界压力时，气泡沿结晶方向移动，形成气孔3,4。由于电渣起弧和化渣过程中的预熔渣较多，电渣先熔化成型的头部产生这种气孔中有时会存在夹带渣料的现象，后期经过轧制变形后形成上述缺陷。上述缺陷由于致密度较好，超出了超声波探伤的探出的精度范围，在后续的超声波探伤未能探出。4改进措施4.1 细化电渣前准备工作将原先的渣料烘烤工艺从6004 h，调整为6006 h。配备12个料斗（1个料斗的渣料数量对应1个电渣炉1次的用量）在烘箱中烘烤，规定使用前510 min吊出，不使用时继续在炉内保温。从渣料料斗吊出到渣料全部加完不得超过20 min。引弧板及刨花引弧剂烘烤温度300400，保温时间4 h。底水箱及围砂必须保持干燥；结晶器内壁清理干净，须见铜本色，无黏渣；必要时用干抹布擦干结晶器底部及下半部分内壁。4.2优化检查手段将原先的超声波探伤工序前移，对电渣锭采用相控阵超声波探伤，尤其是电渣先熔化成型的头部。经过验证，电渣锭的这种气孔缺陷能够有效探出，将探出的电渣锭缺陷部位采用自动机床进行锯切，避免不合格产品往下道工序流转。5结 论上述气门锥面外圆裂口问题主要为原材料缺陷所导致。原材料的缺陷可以追溯到电渣锭生产过程中大头的气孔缺陷。原材料生产单位通过加强渣料的烘烤，调整电渣过程渣料的加料工艺来避免产生上述缺陷。同时将超声波探伤工序前移，对电渣锭进行超声波探伤，可有效识别电渣锭的气孔缺陷，避免缺陷经过轧制后变细、变小，后续成品超声波探伤无法探出的情况。经过上述改进，纵观后续两年多的产品生产情况，未再有上述气门盘部裂口现象发生。参考文献1 吴云胜,彭以超,张麦仓等.5Cr9Si3钢的高温变形行为及流转应力异常变化机理J.工程科学学报,2015,37(4)：454-460.2 唐佳丽.DG-1电渣锭孔洞原因浅析及改进措施J.特钢技术,2018,24(03):33-36.3 洪小玲,肖荣仁.GH2036合金电渣重熔锭气孔分析J.特殊钢,2000,21(3)：39-41.4 肖克建.1Cr21Ni5Ti电渣锭气孔问题成因分析J.特钢技术,2014,20(4)：52-55.艾进 许万剑 赵衡：45Cr9Si3热挤压气门盘部裂口分析第29卷第2期(a)横截面；(b)纵截面图9 电渣锭锯切面上气孔分布情况Fig.9 Distribution of pores on the cut plane of ESR ingot 38