锻钢冷轧辊坯内裂缺陷控制研究

杨昱东;聂仲毅;韩静涛

【摘 要】冷轧辊坯超声波探伤超标的主要原因是裂纹性缺陷,非金属夹杂物对裂纹性缺陷的产生起到了重要的作用.高温扩散可明显改善对冷轧辊坯超声波探伤超标缺陷,终锻工艺应充分利用夹杂性裂纹的变化特点控制裂纹性缺陷. 【期刊名称】《大型铸锻件》 【年(卷),期】2006(000)001 【总页数】4页(P1-4)

【关键词】冷轧辊;裂纹缺陷;探伤超标;高温扩散;控制锻造 【作 者】杨昱东;聂仲毅;韩静涛

【作者单位】邢台机械轧辊集团有限公司,河北054025;北京科技大学,北京100083;邢台机械轧辊集团有限公司,河北054025;北京科技大学,北京100083 【正文语种】中 文 【中图分类】TG316.1+92 1 前言

锻钢冷轧辊在热处理和使用过程中要承受非常大的应力，轧辊本体要有极高的强度，这也是冷轧工作辊辊坯必须达到很高的内部超声波探伤要求的主要原因。由于冷轧辊严格的内部质量要求，辊坯超声波探伤超标仍旧是造成冷轧辊致废的主要原因，甚至可占到所有废品的约80%以上，给轧辊制造厂家带来极大的浪费。据统计，

邢机公司某一段时期生产的∅400 mm以上的锻钢冷轧辊辊坯，一次锻造探伤废品率达18.7%。

锻造工序作为辊坯成品工序环节对辊坯质量起着至关重要的作用。目前各轧辊制造厂家的冷轧辊锻造工艺基本相同，都是采用镦拔联合变形工艺。锻造工艺大致如下： Ⅰ火：压钳把，滚圆预拔长；Ⅱ火：镦粗，高温大压下量拔长；Ⅲ火：拔长，卡台，精整出成品。

这种工艺主要考虑以下几方面：

1)钢锭预镦粗使坯料达到拔长压实所需要的锻比，并改善碳化物在钢中的分布； 2)高温阶段大压下量拔长，压实钢锭中的孔隙性缺陷，打碎铸态组织； 3)控制终锻火次变形量及终锻温度，抑制二次碳化物的网状和带状析出。 通过采用先进锻造工艺方法(如FM法、WHF法、JTS法等)以及使用电渣重熔钢锭改善凝固结晶状态，能较好的解决锻件心部压实与组织均匀性的问题。而在解决了中心孔隙性缺陷后，夹杂性裂纹就成为冷轧辊坯致废的主要原因。因此，了解锻钢冷轧辊塑性变形过程中夹杂性缺陷的形成条件、对轧辊的损伤以及修复机制，探讨控制内部夹杂性缺陷的方法，是提高锻钢冷轧辊辊坯探伤合格率有效而崭新的途径。

2 冷轧辊坯探伤缺陷分析

通过对邢机公司1996年以来的26支探伤报废冷轧辊辊坯进行分析，发现其超声波探伤反映的大量缺陷密集区及∅5 mm左右的单个缺陷分别是严重的偏析和裂纹，见图1。裂纹至废的辊坯占90%以上，如图2示。通过500倍和100倍金相观察，裂纹处均存在细小的非金属夹杂。

随着炼钢技术的迅速发展，锻钢冷轧辊用钢水的质量大为提高。特别是真空精炼和电渣重熔技术的采用，使得外来夹杂物的含量已降得很低。而内生夹杂物由于是钢的组成部分，冶金和凝固等特性决定了钢锭内部不可避免地存在着各种类型的夹杂

物。并且随着钢锭体积的增大，内生夹杂物的尺寸也相应地增大，其数量、大小、形状、分布和组成等都可以得到改善，但绝对不可能避免。目前，国际上高碳铬钢冷轧辊的冶炼以真空精炼和电渣重熔为主,虽然内含夹杂物的单个尺寸远小于探伤标准中的容许值，但是夹杂物的存在以及它在锻造变形过程中出现的变化，是构成产生夹杂性缺陷最主要的动因。 3 夹杂性裂纹的形成

由上述可知，钢中不可避免会存在非金属夹杂物。其物理性能与基体金属间的差异，使锻件在锻造变形过程中产生应变应力集中并形成微裂纹。微裂纹在一定条件下聚合，进而形成探伤可见缺陷。在对20MnMo材质模块和管板类锻件内部裂纹性缺陷进行的研究中[1]，对此有过系统而深入的阐述。 图1 低倍裂纹照片Figure.1 Macro scope cracking photo 图2 高倍裂纹照片Figure.2 Micro scope cracking photo

塑性加工过程中，金属在压力作用下产生压缩变形是最主要的成形方式之一。此时在变形金属内部的夹杂物将由圆球形逐渐变为椭球形。假设变形过程中的任一瞬时，椭球的长轴为Ra，短轴为Rb，则在夹杂物邻域应变集中而导致的应力集中影响区域将如图3所示。

图中La、 Lb和Lθ分别为夹杂物影响区的长轴、短轴和最大长度，θ为最大影响区长度与长轴之间的夹角。随变形的进行，夹杂物逐渐片状化，Ra增加，不同片层的间距缩短，使得夹杂物之间的影响相遇，在一定条件下聚合并导致产生变形体内宏观可见的裂纹，如图4所示。这就是所谓的夹杂性裂纹的聚合模型。 在金属塑性成形过程中，随着塑性夹杂物被压扁，在其顶端不但有因应力集中释放而形成的微观剪切带，又有因塑性变形不均匀而引起的宏观剪切带。当二者的作用区域重合时，将导致激烈的剪切变形并形成夹杂性裂纹。可以这样说，夹杂性裂纹是变形体内部片状夹杂物和剪切带共同作用的结果。图5所示为与锻造方向平行

分布的两个夹杂物之间夹杂性微裂纹的聚合过程。

图3 夹杂物及其影响区Figure.3 The inclusions and affective area

当变形量较小时(图5a)，夹杂物被压为薄片。但这种微裂纹尚未达到聚合所需的临界条件。两微裂纹随基体变形并扩展，随着变形量的增加，微裂纹间距逐渐缩短，达到了微裂纹聚合的临界条件。AA′BB′区域内的金属在水平方向的流动速度V′高于周围金属基体的流动速度V，表现为局部颈缩的发生(图5b)。随着基体金属变形的持续进行，AA′BB′区域颈缩程度逐渐扩展，直到两个微裂纹之间的基体完全破坏(图5c)。

数值模拟研究的结果表明，高径比在0.6～2.0的钢锭，内部微夹杂性裂纹开始聚合的镦粗变形量为50%。 4 裂纹性缺陷的修复

夹杂性裂纹是由多个片状夹杂(微裂纹)形成的裂纹聚合体，在片状夹杂物之间，为纯金属基体的剪切裂纹所连接。显然，片状夹杂分隔了金属基体，这种损伤是不可修复的。而纯金属基体之间的裂纹部分则有可能在一定的条件下，通过金属间的扩散及其它作用而修复。亚共析钢、过共析钢等不同钢种中的裂纹均可通过高温扩散而修复[2]。裂纹修复率主要受控于加热温度，保温时间对其影响较小，适当延长保温时间对裂纹修复有一定的促进作用。

邢机公司对轧辊辊身20%～80%深度内存在∅5 mm以下探伤缺陷的Cr5材质冷轧辊坯进行单纯地高温扩散修复，经修复后的辊坯探伤情况明显好转，部分辊坯已完全符合标准要求。表1所示为经高温扩散修复的两支辊坯修复前后探伤情况的对比。

图4 夹杂性裂纹的聚合模型Figure.4 The polymerism model of the inclusion cracking

图5 夹杂性裂纹的聚合过程Figure.5 The polymerism process of the inclusion

cracking

裂纹的修复在高温、高静水压力、大塑性变形的条件下进行。与单纯高温愈合处理条件下裂纹修复情况相比，裂纹愈合的进程向前推进了一大步[4]。这主要是因为足够的变形量以及压力条件下使裂纹表面充分接触，可以保证扩散和再结晶的顺利进行。特别是裂纹表面接触后的变形增量对修复裂纹起着重要作用。

邢机公司在对探伤报废的、尺寸较大的9Cr2Mo材质冷轧辊坯进行改锻的过程中，将始锻温度提高20 ℃，保温时间延长50%，辊坯内最大达∅6 mm以上的连续缺陷均得到明显改善并满足了冷轧工作辊探伤要求。表2列出了几项超声波探伤超标冷轧辊坯改锻方案的实例及前后超声波探伤结果对比。 5 冷轧辊坯内裂控制锻造工艺探讨

通过上述讨论，我们确定目前冷轧辊坯探伤超标的主要原因是裂纹性缺陷。在裂纹性缺陷的产生过程中非金属夹杂物起到了重要的作用。这种裂纹性缺陷可通过高温扩散的方式进行修复。这些结论对冷轧辊坯锻造工艺的制定和如何提高辊坯一次探伤合格率具有非常重要的指导意义。为克服大型锻件内部的夹杂性(裂纹)缺陷，必须从控制夹杂物形貌(不要成为片状)和抑制微夹杂性裂纹聚合的角度出发，来制订锻造工艺。同时，还要兼顾到压实孔洞、疏松等钢锭的内部缺陷。进一步还要考虑，如果锻件在锻造过程中已产生了内部裂纹，如何利用最终的成形工步将其尽可能的修复。因此，为消除内部裂纹性缺陷，提高超声波探伤合格率，冷轧辊辊坯锻造工艺的制定应遵循如下几条准则：

表1 辊坯修复前后探伤结果Table.1 The flaw detective results before and after the roll blank repaired规格/mm材质修复前探伤结果修复后探伤结果⌀490Cr5整个大身有连续≥⌀2 mm缺陷,h=10%～95%,Fmax=⌀4+4dB辊身打磨光带检测未发现连续≥⌀2 mm缺陷⌀490Cr5整个大身有连续≥⌀2 mm缺陷,h=20%～80%,Fmax=⌀4+2dB,底颈800 mm～1 000 mm,有连续≥⌀2 mm缺

陷,h=40%～60%,Fmax=⌀3+1dB辊身打磨光带检测未发现连续≥⌀2 mm缺陷 表2 轧辊改锻实例及探伤结果Table.2 The roll re-forged example and the flaw detective results序号改制前改制后原始状况超声波探伤结果改制情况改制主变形方案超声探伤结果19Cr2Mo⌀695 mm轧辊非字端辊颈到大身300 mm～1 270 mm处连续≥⌀2 mm缺陷,h=30%～50%,Fmax=⌀6+2dB ⌀520 mm轧辊(用辊身、辊颈改制)始锻温度高温保温,因零件形状所限,直接用新FM法拔长成形,锻比1.79,二辊连锻辊身未发现连续缺陷,有≥⌀2 mm的单个缺陷,3个最大当量⌀3 mm29Cr2Mo⌀590 mm轧辊非端辊身0～300 mm中心、⌀300 mm范围内,连续≥⌀2 mm缺陷,Fmax=⌀5+2dB⌀460 mm轧辊因零件形状所限,直接拔长成形,其中最小锻比1.64,最大锻比5未发现≥⌀4 mm缺陷,其中中心有⌀3 mm～⌀4 mm的断续缺陷,可以由中心孔打掉,符合标准39Cr2Mo⌀660 mm轧辊辊身380 mm～550 mm处⌀2 mm～⌀4 mm的断续缺陷,其余各部有多处单个缺陷⌀450 mm轧辊直接用新FM法拔长成形,其中原辊身处锻比2.15未发现≥⌀2 mm的缺陷49Cr2Mo⌀620 mm轧辊辊身两端0～600 mm处有⌀2 mm～⌀4 mm缺陷⌀520 mm轧辊因零件形状所限,直接拔长成形,其中原辊身处锻比1.42辊身全长断续缺陷⌀2 mm～⌀3+3dB (1)控制预镦粗变形量

辊坯的生产过程中，无论是从均匀组织还是从压实孔洞、疏松的角度出发，一般都应经过镦粗工序。高径比在0.6～2.0之间的钢锭，内部微夹杂性裂纹开始聚合的镦粗变形量为50%。

(2)保证心部压实所需的工艺参数

在控制夹杂性裂纹缺陷的同时，必须保证内部孔洞和疏松的焊合，防止其开裂。这对轧辊类变形量相对较小的轴类锻件大为重要。可采用分步法进行控制。即预锻工艺使用WHF、FM和JTS法等大型锻件锻造工艺，以解决空洞压实问题，而终锻

工艺则充分考虑夹杂性裂纹的变化特点以控制夹杂性缺陷。 (3)控制终锻火次

为修复前步锻造工艺中可能产生的、探伤可见的夹杂性裂纹，要求在普通锻造工艺中，增加终锻火次。可将半成品锻件返炉后，在高温下保温，使锻件内部裂纹处的孔洞被充分填充，然后按一定的变形量进行终锻变形及整形，压实辊坯内部仍存在的显微孔洞并达到对锻件的尺寸要求。这也有利于改善组织的均匀性。 6 结论

(1)目前冷轧辊坯超声波探伤超标的主要原因是裂纹性缺陷，非金属夹杂物对裂纹性缺陷的产生起到了重要的作用。

(2)冷轧辊坯超声波探伤超标缺陷可通过单纯高温扩散加以改善和消除，辊坯修复过程中施加一定锻造变形量有利于内部缺陷的改善。

(3)冷轧辊坯的锻造可采用分步法，即预锻工艺使用WHF、FM和JTS法等大型锻件锻造工艺解决空洞压实问题，终锻增加火次，利用高温扩散作用消除裂纹性缺陷，并提高组织均匀性。 参考文献

【相关文献】

[1] 韩静涛.大型饼块类锻件夹杂性裂纹形成机理及控制锻造工艺研究.清华大学博士学位论文.1995，3.

[2] 韦东滨，等.金属材料内部裂纹高温愈合的实验研究.北京科技大学学报，2000，22(3)：245-248.

[3] 韩静涛，等.大型锻件的夹杂性裂纹与控制锻造工艺.钢铁.1997，32(3)：35-39(EI收录). [4] 韦东滨，等.热塑性变形条件下钢内部裂纹愈合的实验研究.金属学报.2000，36(6)：622-625.