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1Cr13環鍛件鍛造工藝優化

作者:admin2021-04-26 15:07:41
       1Cr13 ，屬于馬氏體不銹鋼， 淬透性好，具有較高的硬度，較好的韌性、耐腐性、熱強性及冷變形性能，廣泛應用于蒸汽輪機、核電汽輪機隔板環，也是汽車運輸業使用的重點材料。 本文涉及的1Cr13環鍛件經過輾環機徑軸向無縫軋制成形，超聲波檢測發現內徑近表面存在連續線性缺陷，導致產品不合格，并且熱處理后沖擊性能不達標。通過對線性缺陷的分析及研究，對原鍛造工藝進行優化及對原材料成分進行微調后，產品的性能都達到了技術要求。
       一 試驗材料及方法
       1.試驗材料
       試驗用1Crl 3材料，采用“電爐+LF（鋼包精煉爐）精煉 +直空脫氣”工藝進行冶煉。粗車加工后的鍛件交貨規格為直徑1953mmx1691mmx217mm。
       2.試驗方法
       （1）超聲波檢測 對鍛件表面進行宏觀檢查，通過超聲波檢測，分析鍛件內部缺陷分布情況。
       （2）金相試驗 環鍛件存在較多的缺陷處，取樣制備金相試驗。先將試樣進行研磨拋光，經腐蝕液腐蝕后，重點觀察其內部組織；再將試樣在苦味酸加洗滌劑的飽和水溶液中恒溫60℃腐蝕足夠時間 ，在金相顯微鏡下對其晶粒度進行評級。
       （3）掃描電鏡 通過掃描電鏡觀察試樣的線性缺陷及缺陷處附近的形貌組織，利用能譜分析儀重點分析缺陷處的物質組成元素情況。
       二 試驗結果及分析
       觀察工件表面沒有發現裂縫等可見缺陷，進行超聲波檢測，發現原工藝生產的鍛件存在線性缺陷，并進行了金相檢驗。
       1. 超聲波檢測結果
       距離內徑27～42mm之間出現互相毗連的線性缺陷，缺陷長度多為半圈甚至一圈。
       2.金相組織檢驗
       截取工件內徑處超聲波檢測結果較嚴重部分進行金相檢驗，其金相組織發現其組織為回火索氏體+少量鐵素體，但其組織大小不一，混晶嚴重，對產品的力學性能具有嚴重的危害。
       3.掃描電鏡分析
       對其沖擊后的斷口進行掃描電鏡分析，斷口上夾雜著鏈狀的夾雜物，極大地降低了產品的力學性能。為了分析出夾雜物的成分，進一步對其進行區域EDS能譜分析，可以看出鋁和氧元素的波峰***高，含量***多，故而可以基本判定為氧化鋁類夾雜物，但是并不能排除氣體的原因。鋼中***有害的夾雜物是氧化鋁和顆粒狀不變形氧化物，其次是硅酸鹽和碳氮化合物。因為這些夾雜物破壞了基體的連續性，在鍛造過程中，基體發生強烈的塑性變形，而夾雜物在該形變溫度下不具備塑性，從而與基體脫離，形成了裂縫，且夾雜物尺寸越大，現象越明顯，對鍛件材料的性能影響也越嚴重。而氣體一旦進入鋼錠內，通過后續鍛造是很難排出的。
       三 工藝優化
       從上述試驗和分析可以得出，組織大小不一，混晶嚴重，氧化鋁夾雜物偏聚，以及可能存在的氣體是導致產品檢測性能達不到技術要求的原因。針對這一情況，通過對原材料成分以及鍛造工藝的改進，解決了這一問題。采用優化后的方案生產出的產品，其無損檢測和力學性能都達到技術要求。
       1.材料化學成分改進
       增加了Mo、Ni元素含量，因為Mo能有效抑制鋼中有元素的偏聚，是消除或減輕鋼高溫回火脆性的有效元素，且Mo是較強碳化物形成元素，降低鋼中碳活度，且其碳化物穩定不易長大，所以能細化晶粒，可提高鋼的回火穩定性；而Ni降低了鋼中位錯運動阻力，能提高鋼基體的韌度。
       2.鍛造工藝的改進
       （1）原工藝過程及解析環鍛件成形生產工藝如下：鍛造成形→熱處理前粗車→初級超聲波檢測→熱處理（淬火+回火）→車加工至交貨尺寸→***終超聲波檢測。
鍛造成形。將模鑄綻充分去除冒口和澆口，確保工藝質量。至加熱爐加熱到（1160±10）℃，在油壓機上進行鐓粗、拔長、沖孔，將毛坯放入直徑9m輾環機進行軋環鍛制，確保鋼錠鍛透。其中始鍛溫度≤ 1120℃，終鍛溫度≥850℃。
       超聲波檢測：將環鍛件粗車后，放在檢測平臺處，在其表面涂有機油耦合劑，進行超聲波檢測，根據單直探頭接觸法探測是否存在內部裂紋或其他性質的缺陷。
熱處理（淬火+回火）工藝：將粗車后的鍛件在熱處理爐中加熱至（990±10）℃，保溫4.5h，水冷?；鼗饻囟龋?90±10）℃保溫8h，空冷。
       （2）新工藝開發及過程解析新的成形生產工藝為：鋼錠整體壓機制坯→冷卻→鍛造成形→熱處理前粗車→初級超聲波檢測→熱處理（淬火+回火）→車加工至交貨尺寸→***終超聲波檢測。
由于模鑄錠本身心部比較疏松，鋸開后存在肉眼可見的裂紋，這樣就導致在下料過程中大量氣體進入錠身，導致后續鍛造無法排出氣體和愈合裂紋，因此新工藝首先將模鑄錠整體經過壓機制坯，愈合內部裂紋，然后冷卻下來去除冒口、澆口，氣體就無法進入鋼錠。
       （3）優化后產品性能對比  通過調整原材料化學成分及優化其鍛造工藝，產品力學性能得到了極大程度的提高。原材料與新材料力學性能對比，新工藝生產的鍛件檢測合格。
       四 結語
       （1）通過金相及EDS分析，并結合新工藝鍛件超聲波檢測結果，加上我公司目前已經通過此工藝批量生產，可以判定為由于大量氣體進入鋼錠導致后續鍛造無法愈合而形成連續的線性缺陷。
       （2）通過微調原材料化學成分，再經過同樣熱處理，所得到的鍛件力學性能完全不同，特別是沖擊吸收能量，因此Ni、Mo等合金元素對此材料的沖擊起到非常關鍵的作用。
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