1Cr13環(huán)鍛件鍛造工藝優(yōu)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(qiáng)性及冷變形性能，廣泛應(yīng)用于蒸汽輪機(jī)、核電汽輪機(jī)隔板環(huán)，也是汽車運(yùn)輸業(yè)使用的重點(diǎn)材料。 本文涉及的1Cr13環(huán)鍛件經(jīng)過輾環(huán)機(jī)徑軸向無縫軋制成形，超聲波檢測發(fā)現(xiàn)內(nèi)徑近表面存在連續(xù)線性缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)品不合格，并且熱處理后沖擊性能不達(dá)標(biāo)。通過對線性缺陷的分析及研究，對原鍛造工藝進(jìn)行優(yōu)化及對原材料成分進(jìn)行微調(diào)后，產(chǎn)品的性能都達(dá)到了技術(shù)要求。
一 試驗(yàn)材料及方法
1.試驗(yàn)材料
試驗(yàn)用1Crl 3材料，采用“電爐+LF（鋼包精煉爐）精煉 +直空脫氣”工藝進(jìn)行冶煉。粗車加工后的鍛件交貨規(guī)格為直徑1953mmx1691mmx217mm。
2.試驗(yàn)方法
（1）超聲波檢測 對鍛件表面進(jìn)行宏觀檢查，通過超聲波檢測，分析鍛件內(nèi)部缺陷分布情況。
（2）金相試驗(yàn) 環(huán)鍛件存在較多的缺陷處，取樣制備金相試驗(yàn)。先將試樣進(jìn)行研磨拋光，經(jīng)腐蝕液腐蝕后，重點(diǎn)觀察其內(nèi)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(jìn)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(diǎn)分析缺陷處的物質(zhì)組成元素情況。
二 試驗(yàn)結(jié)果及分析
觀察工件表面沒有發(fā)現(xiàn)裂縫等可見缺陷，進(jìn)行超聲波檢測，發(fā)現(xiàn)原工藝生產(chǎn)的鍛件存在線性缺陷，并進(jìn)行了金相檢驗(yàn)。
1. 超聲波檢測結(jié)果
距離內(nèi)徑27～42mm之間出現(xiàn)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(yàn)
截取工件內(nèi)徑處超聲波檢測結(jié)果較嚴(yán)重部分進(jìn)行金相檢驗(yàn)，其金相組織發(fā)現(xiàn)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(yán)重，對產(chǎn)品的力學(xué)性能具有嚴(yán)重的危害。
3.掃描電鏡分析
對其沖擊后的斷口進(jìn)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(chǎn)品的力學(xué)性能。為了分析出夾雜物的成分，進(jìn)一步對其進(jìn)行區(qū)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?yàn)檫@些夾雜物破壞了基體的連續(xù)性，在鍛造過程中，基體發(fā)生強(qiáng)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(xiàn)象越明顯，對鍛件材料的性能影響也越嚴(yán)重。而氣體一旦進(jìn)入鋼錠內(nèi)，通過后續(xù)鍛造是很難排出的。
三 工藝優(yōu)化
從上述試驗(yàn)和分析可以得出，組織大小不一，混晶嚴(yán)重，氧化鋁夾雜物偏聚，以及可能存在的氣體是導(dǎo)致產(chǎn)品檢測性能達(dá)不到技術(shù)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(jìn)，解決了這一問題。采用優(yōu)化后的方案生產(chǎn)出的產(chǎn)品，其無損檢測和力學(xué)性能都達(dá)到技術(shù)要求。
1.材料化學(xué)成分改進(jìn)
增加了Mo、Ni元素含量，因?yàn)镸o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(qiáng)碳化物形成元素，降低鋼中碳活度，且其碳化物穩(wěn)定不易長大，所以能細(xì)化晶粒，可提高鋼的回火穩(wěn)定性；而Ni降低了鋼中位錯運(yùn)動阻力，能提高鋼基體的韌度。
2.鍛造工藝的改進(jìn)
（1）原工藝過程及解析環(huán)鍛件成形生產(chǎn)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(zhì)量。至加熱爐加熱到（1160±10）℃，在油壓機(jī)上進(jìn)行鐓粗、拔長、沖孔，將毛坯放入直徑9m輾環(huán)機(jī)進(jìn)行軋環(huán)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(huán)鍛件粗車后，放在檢測平臺處，在其表面涂有機(jī)油耦合劑，進(jìn)行超聲波檢測，根據(jù)單直探頭接觸法探測是否存在內(nèi)部裂紋或其他性質(zhì)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(fā)及過程解析新的成形生產(chǎn)工藝為：鋼錠整體壓機(jī)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(dǎo)致在下料過程中大量氣體進(jìn)入錠身，導(dǎo)致后續(xù)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(jīng)過壓機(jī)制坯，愈合內(nèi)部裂紋，然后冷卻下來去除冒口、澆口，氣體就無法進(jìn)入鋼錠。
（3）優(yōu)化后產(chǎn)品性能對比 通過調(diào)整原材料化學(xué)成分及優(yōu)化其鍛造工藝，產(chǎn)品力學(xué)性能得到了極大程度的提高。原材料與新材料力學(xué)性能對比，新工藝生產(chǎn)的鍛件檢測合格。
四 結(jié)語
（1）通過金相及EDS分析，并結(jié)合新工藝鍛件超聲波檢測結(jié)果，加上我公司目前已經(jīng)通過此工藝批量生產(chǎn)，可以判定為由于大量氣體進(jìn)入鋼錠導(dǎo)致后續(xù)鍛造無法愈合而形成連續(xù)的線性缺陷。
（2）通過微調(diào)原材料化學(xué)成分，再經(jīng)過同樣熱處理，所得到的鍛件力學(xué)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(guān)鍵的作用。
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