30Cr2Ni4MoV钢大型钢锭铸造缺陷状况研究.pdf

《大型铸锻件》 HEAVY CASTING AND FORGING No．5 September 2013 30Cr2Ni4MoV钢大型钢锭铸造缺陷状况研究 赵文龙马庆贤 (清华大学，北京100084) 摘要：主要研究了380 t级30Cr2Ni4MoV钢大型钢锭的铸造缺陷状况。通过对水口部位解剖材料进行金相 分析，掌握了钢锭铸造缺陷的类型及形貌。实验结果表明，30Cr2Ni4MoV钢大型钢锭的典型铸造缺陷主要表现 为非金属夹杂物和粗大晶粒，缺陷尺寸达到毫米级别。此外，在水口材料的显微组织中还观察到了不同程度的 缩孔和疏松。 关键词：大型钢锭；铸造缺陷；非金属夹杂物；粗大晶粒 中图分类号：TG316 文献标志码：A Research on Casting Defects of 30Cr2Ni4MoV Heavy Steel Ingot Zhao Wenlong，Ma Qingxian Abstract：The casting defects of 380tlevel 30Cr2Ni4MoV heavy ingot are researched in the paper．The type and morphology of casting defects are obtained by metallographic analysis of the materials dissected from the casting nozzle． The experimental results show that the typical casting defects of 30Cr2Ni4MoV heavy ingot are millimeter level non— metallic inclusions and coarse grains．Moreover，various degrees of shrinkage cavities and porosities can be observed in the microstructure of nozzle materia1． Key words：heavy ingot；casting defects；nonmetallic inclusions；coarse grains 铸造钢锭通常直接作为锻件坯料用于大型锻 件的生产制造，但钢锭内部会存在不同程度的疏 松、缩孔和非金属夹杂物等缺陷，且随着钢锭体 积、重量的增大，铸造缺陷的严重程度及其对锻件 质量的不利影响也愈加明显。此时，便体现出锻 造“成形、改性”作用的重要性。获得优质大锻件 的关键在于合理的锻造工艺，而充分了解钢锭内 部缺陷类型、形貌和分布，是明确锻造目的和选择 适当工艺参数的基础。为此，本文对某380 t级大 型钢锭的水口位置进行取样，观察并分析钢锭的 典型铸造缺陷，以获得相应的基础数据，为大型锻 件锻造工艺的合理制定提供理论基础和技术支 撑。 1实验材料及方法 1．1 实验材料 实验所用材料为30Cr2Ni4MoV钢，属于超纯 净钢种，是核电转子锻件的常用材料。其主要化 学成分以及我国机械行业标准对30Cr2Ni4MoV 钢化学成分的规定如表1所示¨ J。 收稿日期：2O13—o3—07 作者简介：赵文龙(1988一)，博士研究生，主要从事大型锻件锻造 工艺的模拟研究。 基金项目：国家科技重大专项(2011ZX04014-051)和国家重点基 础研究发展计划(973计划，2011CB012903)资助项目。 1．2实验方法 从钢锭的水口位置剖取试样，切割过程中喷 水冷却，以防止高速摩擦形成高温而破坏试样的 原始组织。切取后对试样进行镶样，随后经过砂 纸粗磨、细磨，再到抛光机抛光。采用混有适量洗 洁剂的过饱和苦昧酸水溶液作为腐蚀剂，将试样 水浴加热至70cI=左右，保温3 min～5 min，以显示 奥氏体晶粒的晶界。最后，对腐蚀好的试样进行 显微组织观察。 2典型铸造缺陷 2．1非金属夹杂物 从本次对30Cr2Ni4MoV钢大型钢锭的解剖 分析来看，获得夹杂的样品中包含了外来夹杂物 和内生夹杂物。其中，外来夹杂物的尺寸可达35 mm之多，样品宏观上已呈现出明显的夹杂性裂 纹，在切取试样过程中，承受较小的切削力即产生 断裂，裂纹表面呈现与基体颜色明显不同的暗黑 色，如图1(a)所示。夹杂的微观形貌呈现出网状 结构，是由大量尺寸很小的链状夹杂拼接而成。 经能谱仪检测分析，发现钙、氧元素的含量明显， 如图1(b)所示，可认定为碱性炉渣氧化钙夹杂。 此外，在对其他夹杂样品的能谱分析中还发现了 棱角形结晶状的硅酸盐夹杂，如图2所示，这种成 分的夹杂可能是由外来的耐火砖颗粒混入钢液中 35 No．5 September 2013 《大型铸锻件》 HEAVY CASTING AND FORGING 表l重复性实验数据 Table 1 Repeated test data 氧(％) 氮(％) l 0．386 0．037 2 0．368 0．038 8 0．374 0．036 7 4 0．402 0．038 2 0．365 0．037 9 6 0．392 0．039 4 0．397 0．038 0 8 0．359 0．036 9 9 O．381 0．036 7 10 0．395 0．039 7 平均值 0．382 0．038 0 RSD 3．90 2．88 (上接第37页) (2)粗大晶粒包括肉眼可见的柱状晶和毫米 量级的等轴晶，是影响锻件性能质量的潜在隐患。 其中，柱状晶内部还混有大量树枝晶组织，严重影 响合金元素的均匀分布。 (上接第41页) [2] 张效迅．大锻件锻造成形过程中内部空洞型缺陷演化规律 的研究[D]．上海：上海交通大学，2009． [3] 常红英．1Crl3钢锻造开裂原因探讨[J]．上海钢研，1994 (6)：21—241． [4]姚铁光．O5钢钢锭锻造开裂原因分析[J]．大型铸锻件， 2001(4)：11—14． [5]崇鹏．20CrMnTi锻造开裂原因分析[J]．鄂钢科技，2010 (4)：l2一l3． [6]舒金波．35CrMo钢钻头锻造开裂原因分析[J]．金属热处 理，2004(29)：8． [7] 莫立华．xM一19不锈钢锻造开裂的研究[J]．理化检验， 1999(1)：1． [8]常红英．一炉含Se4J38锻造开裂的原因分析[J]．上海钢 研，1994(6)：32—33． [9] 韩静涛．有效控制夹杂性裂纹的大型锻件锻造及处理方法 [J]．塑性工程学报，1996(3)：20—25． [1O] 金宏伟．34crNi3Mo钢锭锻裂原因[J]．物理测试，2001 (3)：4O一44． [11]D．A．Melford，Phil，Trans，R．Soc，London A，1980，29S (1430)：89． [12]何文武．锻造裂纹的分析与防治[J]．锻压技术，2010 (2)：16一l7． [13]温彤，廖林灿，张湘伟．金属剪切过程的理论研究状况 [J]．锻压技术，2000，25(3)：44—57． 『14] Freudenthal A M．The Nelastic Behavior of Solids[M]．New York：Wiley．1950． [15]Gillemat L，Czoboly E．Genetalized theory of f racture[A]． [2] [16] [17] [18] [19] [2O] [21] [22] [23] 参考文献 GB4332--84铁合金化学分析用试样制备法．中国标准出 版社，2011． 王培云．粉末冶金原理．冶金工业出版社，1997． 傅肃嘉，许克强．金属铬粉表面含氧量的测定[J]．浙江冶 金，1995(2)：42—44． 宋忠训．脉冲色谱法测定金属铬中的氧量[J]．分析试验 室，1994，13(5)：42—43． 原怀保，等．脉冲红外法测定铬粉中氧含量的若干问题 [J]．光谱实验室，2008，25(3)：472—475． 朱跃进．五元浴在氧氮测定中的应用[J]．中国金属学会 第十二届分析测试学术年会报告集，2004：168—169． 编辑李韦萤 [24] 参考文献 刘鑫．大型核电低压转子塑性成形及质量控制的研究 [D]．北京：清华大学，2010． 中华人民共和国国家经济贸易委员会．JB／T7022--2002工 业汽轮机转子体锻件技术条件[s]．北京：机械工业出版 社，2003． 编辑李韦萤 Proc．Symp．Fracture[c]．Marianskela zne：Springer， 1970． 黄志超，占金青，陈伟．基于Ayada损伤模型的板料冲载 过程数值模拟[J]．机械设计与制造，2007(10)：49—51． McClintock F A．A criterion for ductile fracture by the growth of hole[J]Appl，Mech，1968，35：363—371． Cockcroft M G．Latham D J．On the ductile enlargment of voidsin triaxial stress fields[J]．J．Int．Metals，1968，96 (3)：384． Fang Gang，Lei Liping，Zeng Pan．Criteria of metal ductile fracture and numerical simulation for m etal forging[J]．Chin J M ech Eng，2002，38(supp)：2l一25． 陈实，周贤宾．成形极限预测韧性断裂准则及屈服准则 的影响【J]．北京航空航天大学学报，2006，32：969— 973． Bao Yingbin，Wierzbiehi T．A comparative study on various ductile crack formation crit eria[J]．J E ng Mater Technol， 2004，126：314—324． Cliff S E，Hart ley P，Sturgess C E N，eta1．Fracture predic— tion in plastic deformation process[J]．I nt J Mech Sci， 1990．32：1一l7． 张莉，李升军．DEFORM在金属塑性成型中的应用[M]． 北京：机械工业出版社． 刘建生，刘志颖，陈慧琴，陈金科．模拟技术的集成及在 大型锻造工艺研发中的应用[J]．大型铸锻件，2009(1) ：2—5． 编辑杜青泉 ；]]]