典型Cr5支承辊UT缺陷分析与制造工艺优化

袁 川 陈先毅 冉 玲 孙承才

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川618000)

目前，Cr5支承辊的生产工艺已比较完善，但工艺过程复杂，影响支承辊锻件质量的因素繁多而且难以控制，很容易产生缺陷而报废，造成重大经济损失[1]。因此，研究支承辊锻件中的典型缺陷，分析缺陷产生原因，通过工艺优化和质量控制使其顺利通过超声检测，对提高大型轧机制造水平和企业的经济效益具有重要意义。

1 缺陷支承辊

该支承辊采用真空冶炼和真空浇注的方式生产，钢锭重93 t。由于辊身直径达到1600 mm，为打碎钢锭铸态组织、焊合内部空隙，同时满足技术协议锻比要求，在120 MN水压机上采取两次镦拔的自由锻造方式保证锻件质量。后经锻后球化退火热处理，降低硬度、均匀内部组织、改善粗加工车削性能，为初次无损检测做准备。粗加工后按JB/T 4120进行检测，发现辊身近冒口端心部位置存在最大单个缺陷当量∅10 mm，缺陷部位显示无底波。

2 试验方案

2.1 确定缺陷位置

为了既能探究无损检测缺陷具体性质，又能方便加工取试，在支承辊辊身的最大缺陷处标示位置，对该处过轴心沿径向套取一根∅120 mm×1620 mm的棒料，进一步对试棒做PT检测，套棒及检测结果分别如图1、图2所示。

图1 缺陷定位及套棒Figure 1 Defects location and sampling

图2 试棒PT显示Figure 2 PT display of specimen

从PT检测情况可以看出，缺陷由一条裂纹分叉开来，着色印记逐渐淡化消失，且印记对立侧无着色显示，初步证明较大裂纹源应在试棒内部。

2.2 取试方案

根据检测情况确定了缺陷区域，将缺陷区切削加工，获取一节缺陷试棒∅120 mm×200 mm，编号Q1；同时，在试棒检测完好区域，从辊身径向由外向内切削5片∅120 mm×25 mm试片，分别编号A1、B1、C1、D1、E1，如图3所示。

2.3 试验步骤

(1)将Q1试棒沿裂纹显示端面切开，找到裂纹源，紧临裂纹源面切取一片低倍试片。

(2)在断口切取试片进行扫描电镜观察，并磨制高倍试样。

(3)对A1、B1、C1、D1、E1试片做晶粒度检验。

(4)检验试样并得出结果，对缺陷做定性分析。

3 试验结果与分析

3.1 宏观端口检验结果

对Q1试棒沿外圆裂纹端部切开，恰好暴露裂纹源位置，裂纹源为一处10 mm左右的孔洞，以此为源区，裂纹面扩展到套料棒表面，见图4。断裂面陈旧光滑，存在显著的高温痕迹。

图3 试棒取样及编号Figure 3 Sampling and numbering of test rods

图4 断口及裂纹源形貌Figure 4 Morphology of fracture and crack source

图5 低倍组织形貌Figure 5 Macrostructure morphology

3.2 低倍检验结果

低倍试片经50%盐酸水溶液侵蚀后双面观察，低倍面上有孔洞和长短不等的数条裂纹，且裂纹穿过孔洞，其他完好区域致密均匀，显示正常，如图5所示，可以很明显地看出低倍面上有疏松、孔洞和裂纹。

3.3 高倍及径向晶粒度检验结果

裂纹区磨制高倍试样，未经腐蚀观察，断口面及断口附近发现有较多的密集非金属夹杂，如图6所示；经过4%硝酸酒精溶液侵蚀后观察，裂纹周围组织无变形、无氧化脱碳现象，正常区组织为球化珠光体组织[2]，如图7所示。另外，我们将径向试片A1、B1、C1、D1、E1晶粒度检验结果作辅证比对分析，晶粒度检验结果如表1所示，从该结果初步判定，辊身组织晶粒度呈现规律性变化，径向由外向内晶粒更加细化，心部∅400 mm范围略有降低，可以判断，坯料心部实现了充分压实，铸态组织有效破碎和再结晶，晶粒细致较为均匀。

表1 径向试样晶粒度检验结果Table 1 Test results of grain size for radial specimens

图6 非金属夹杂物形貌Figure 6 Morphology of non-metallic inclusions

图7 高倍显微组织Figure 7 Microstructure

图8 电镜试样能谱区域扫描结果Figure 8 Scanning results of energy regionof electron microscope samples

图9 高倍试样能谱面扫描结果Figure 9 Scanning results of macroscopic sample energy spectrum

表2 试样断口成分(质量分数，%)Table 2 Chemical composition of specimen fracture

3.4 扫描电镜和能谱分析结果

用扫描电镜对裂纹源区断口试样进行微观观察，观察位置及结果见图8及表2。经能谱成分分析，夹渣的主要成分为Si、Mn、O，对高倍试样上的夹渣进行成分分析，成分同样以Si、Mn、O为主，见图9。由此可确定裂纹源表面和附近存在大量的Mn和Si的氧化物，即脱氧产物。

4 实验结果分析

不排除锻件心部金属塑流纤维稀疏影响晶粒结晶，对比缺陷区与周围正常组织，可以确定缺陷源为非金属氧化物覆盖表面的残余缩孔，残余缩孔经大锻比镦拔锻造，沿周向开裂延展，周围组织结晶为正常珠光体组织；断裂面经过高温，形成光滑的表面。

通过比对检测的缺陷位置与成型工艺尺寸，估算缺陷源位于钢锭锭身靠近冒口40%位置，可以排除钢锭头部轴心缩孔的可能，很有可能为深入钢锭锭身的二次缩孔，其形成机理是：钢锭凝固初期和中期，保温冒钢水凝固速度比钢锭本体慢，而在凝固后期，在保温冒下面区域钢锭凝固速度加快并形成致密的“金属桥”，使钢锭本体心部凝固收缩得不到冒部钢水的填充，便产生二次缩孔[3]。

5 工艺优化

结合以上试验分析结果，对大型支承辊的热加工工艺做以下几个方面的改进和优化：

(1)在大型支承辊的钢锭冶炼过程中，真空除气完全，使用适当的发热剂和绝热性好的保温冒，延缓冒口顶部凝固时间，保证钢液补充，使缩孔集中在冒口区。优化锭模设计，并控制合理的浇注速度和较高的浇注温度，加强过程管控，严防夹杂物污染铸锭。

(2)锻造采用新的压实模式和压实方法，在锻造高温阶段，充分实现大型支承辊整体压实效果(尤其是对辊身芯部的压实)和多次动态再结晶，以达到细化晶粒和改善组织均匀性的效果。同时考虑适当调整压下量，保证锻合锻件内部孔洞缺陷的情况下，均衡锻件内部应力。

(3)锻后热处理方面开展材料试验研究，并结合数值模拟分析，找到更合理的锻后热处理工艺模式，使锻件内部质量进一步得到改善。

6 结语

钢锭夹杂物、孔洞偏析等缺陷成为大型铸锻件报废的直接或间接因素，通过采取调整浇注工艺、优化锻造方案等有效措施，大型支承辊的超声波检测质量得到明显改善，材质均匀性也得到了显著提高。