張玉亭

(中冶京誠(chéng)(營(yíng)口)裝備技術(shù)有限公司)

船用舵桿、舵梢、螺旋槳軸等鍛造粗加檢測(cè)后，出現(xiàn)了幾件超聲檢測(cè)不符合要求并導(dǎo)致報(bào)廢的現(xiàn)象。這類(lèi)鍛件生產(chǎn)周期長(zhǎng)，制造成本高，出現(xiàn)問(wèn)題后常常導(dǎo)致延誤交貨，造成不小的經(jīng)濟(jì)損失。下面就針對(duì)檢測(cè)缺陷的解剖結(jié)果分別加以說(shuō)明，并著重談?wù)剰囊睙挿矫嫒绾谓鉀Q這些問(wèn)題。

1 試樣分析

1.1 ?900 mm螺旋槳軸(爐號(hào)A)

酸浸低倍評(píng)級(jí)：中心疏松為1級(jí)，一般疏松為2級(jí)，偏析為4級(jí)。軸向剖開(kāi)，存在偏析線(xiàn)，長(zhǎng)約2 mm～3 mm，深約0.5 mm，深溝內(nèi)存在低熔點(diǎn)物質(zhì)，見(jiàn)圖1。

試樣高倍檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3。觀(guān)察顯示，夾雜物超長(zhǎng)，僅50倍照片就可觀(guān)察到整條夾雜物形貌。100倍金相照片內(nèi)夾雜物較多，大部分為硫化物夾雜，其中單條最長(zhǎng)夾雜物達(dá)到1 200 μm。

高倍評(píng)級(jí)情況為，硫化物類(lèi)：細(xì)系2.0級(jí)，粗系1.5級(jí)；氧化鋁類(lèi)：細(xì)系0級(jí)，粗系0.5級(jí)；硅酸鹽類(lèi)：細(xì)系0級(jí)，粗系0級(jí)；球狀氧化物類(lèi)：細(xì)系0級(jí)，粗系0級(jí)；Ds為2.0級(jí)。

距字頭端4 800 mm起至法蘭處均發(fā)現(xiàn)?2 mm 密集缺陷，缺陷深度320 mm。

1.2 ?700 mm中間軸(爐號(hào)B)

酸浸低倍檢驗(yàn)結(jié)果：中心疏松0.5級(jí)，一般疏松1.0級(jí)，錠型偏析1.0級(jí)，斑點(diǎn)偏析1.5級(jí)。

進(jìn)行夾雜物檢驗(yàn)，試樣中的B類(lèi)(氧化鋁類(lèi))夾雜物較多，夾雜物沿縱向呈現(xiàn)密集的鏈狀分布，有些夾雜還出現(xiàn)多條鏈狀聚集形態(tài)，見(jiàn)圖4、圖5。另外，還存在少量硫化物及較大尺寸的單顆粒點(diǎn)狀不變形夾雜。按GB/T10561—2005標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果為，硫化物類(lèi)：細(xì)系0.5級(jí)，粗系1.0級(jí)；氧化鋁類(lèi)：細(xì)系0級(jí)，粗系2.5級(jí)；硅酸鹽類(lèi)，細(xì)系0級(jí)，粗系0級(jí)；球狀氧化物類(lèi)：細(xì)系0級(jí)，粗系1.0級(jí)；Ds為2.0級(jí)。

圖1 縱向低倍形貌Figure 1 Longitudinal macroscopic appearance

圖2 夾雜物高倍形貌(50×)Figure 2 The microscopic appearance of inclusions (50×)

斷口SEM觀(guān)察，斷口面上存在數(shù)條呈鏈狀分布的夾雜物，測(cè)量夾雜物聚集鏈長(zhǎng)度達(dá)到1.9 mm。對(duì)聚集鏈中的顆粒狀?yuàn)A雜物進(jìn)行EDS成分測(cè)定，聚集鏈中主要存在兩類(lèi)夾雜物，其中比較多的是含Al和Ca的氧化鋁類(lèi)復(fù)合型夾雜物(見(jiàn)圖6、圖7)，另一種為相對(duì)較少的、主要含Al和Mg的氧化鋁類(lèi)復(fù)合型夾雜物(見(jiàn)圖8、圖9)。

圖3 夾雜物高倍形貌(100×)Figure 3 The microscopic appearance of inclusions (100×)

圖4 夾雜高倍形貌Figure 4 The microscopic appearance of inclusions

圖5 電鏡下夾雜形貌Figure 5 Inclusion appearance under SEM

圖6 電鏡下夾雜物聚集形貌Figure 6 Clustered inclusions appearance under SEM

圖7 夾雜物能譜分析Figure 7 Energy spectrum analysis for inclusions

圖8 電鏡下夾雜物聚集形貌Figure 8 Clustered inclusions appearance under SEM

圖9 夾雜物能譜分析Figure 9 Energy spectrum analysis for inclusions

在檢測(cè)定位缺陷嚴(yán)重的位置，取低倍試樣。低倍酸浸試樣上，觀(guān)察到縱向檢驗(yàn)面上出現(xiàn)數(shù)條沿變形方向的條形缺陷。用10倍放大鏡觀(guān)察到部分缺陷深可見(jiàn)底，缺陷長(zhǎng)度約2 mm、寬度約0.2 mm～0.5 mm，此缺陷與檢測(cè)出現(xiàn)的?2 mm～?3 mm當(dāng)量的密集型缺陷有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

在低倍條形缺陷嚴(yán)重處，切取斷口試樣。通過(guò)掃描電鏡觀(guān)察，斷口中可觀(guān)察到夾雜物聚集鏈的形貌，聚集鏈沿鍛造縱向延伸，長(zhǎng)度約為1.9 mm。測(cè)定聚集鏈中夾雜物成分，為Al、Ca和Mg的氧化鋁類(lèi)復(fù)合型夾雜物。夾雜物的形態(tài)與尺寸與高倍夾雜物和低倍條形缺陷相吻合，因此低倍試驗(yàn)中試樣上出現(xiàn)的沿變形方向的條形缺陷就是由于酸浸導(dǎo)致夾雜物溶解脫落而引起的。

1.3 ?450 mm螺旋槳軸(爐號(hào)C)

酸侵低倍形貌見(jiàn)圖10。在皮下夾雜處切取并制備高倍試樣(見(jiàn)圖11)，磨制后發(fā)現(xiàn)低倍缺陷在高倍下觀(guān)察是以C類(lèi)(硅酸鹽)為主，同時(shí)含有少量B類(lèi)(氧化鋁類(lèi))夾雜物。根據(jù)GB/T10561—2005評(píng)定C類(lèi)和B類(lèi)均大于3級(jí)。對(duì)高倍檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的夾雜物進(jìn)行SEM觀(guān)察和能譜成分測(cè)定，C類(lèi)夾雜物SEM形貌及能譜成分見(jiàn)圖12、圖13。由此可知，C類(lèi)夾雜物是以Si、Al、Mn為主的硅鋁酸鹽和硅錳酸鹽復(fù)合類(lèi)夾雜。對(duì)B類(lèi)進(jìn)行能譜成分分析，主要是以Al、Ca為主的氧化物類(lèi)夾雜，見(jiàn)圖14、圖15。

圖10 酸浸低倍形貌Figure 10 Macroscopic appearance after acid leaching

圖11 高倍形貌(25×)Figure 11 Microscopic appearance(25×)

圖12 C類(lèi)電鏡分析Figure 12 SEM analysis of C type inclusion

圖13 C類(lèi)EDS 分析Figure 13 EDS analysis of C type inclusion

圖14 B類(lèi)SEM分析Figure 14 SEM analysis of B type inclusion

圖15 B類(lèi)EDS分析Figure 15 EDS analysis of B type inclusion

超聲檢測(cè)缺陷為皮下10 mm～40 mm存在單點(diǎn)和密集性缺陷。

2 生產(chǎn)過(guò)程有關(guān)主要數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

生產(chǎn)過(guò)程主要數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

生產(chǎn)過(guò)程異常情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表1 生產(chǎn)過(guò)程主要數(shù)據(jù)Table 1 Main data for production processes

表2 生產(chǎn)過(guò)程異常情況統(tǒng)計(jì)Table 2 The statistical situations of abnormal production processes

3 夾雜物種類(lèi)及夾雜的來(lái)源分析

通過(guò)分析缺陷樣品，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致缺陷的幾類(lèi)夾雜物主要是硫化物、鈣鋁夾雜、鈣鋁鎂夾雜和硅錳鋁酸鹽夾雜。

3.1 硫化物的形成及控制

此類(lèi)夾雜物在掃描電鏡下為不透明狀，淺灰色，通常呈鏈狀。

關(guān)于硫化物的形成機(jī)理，國(guó)內(nèi)外已有很多的論述。一般認(rèn)為，鋼在脫氧過(guò)程中，一定含量的錳與硫生成了硫化錳夾雜物。 當(dāng)鋼中的Mn和S達(dá)到一個(gè)定值時(shí)，才能形成MnS。在鋼水凝固過(guò)程中，硫的溶解度低時(shí)殘留在鋼中的硫含量較高，鋼中的S與Mn互相反應(yīng)生成MnS。

鋼中硫化物的形態(tài)和分布不同，分為三類(lèi)。I類(lèi)：球狀，無(wú)規(guī)則分布，夾雜物為單相或兩相，存在于不用鋁脫氧的鋼中；Ⅱ類(lèi)：沿晶界分布或呈扇狀分布，存在于用少量鋁脫氧的鋼中；Ⅲ類(lèi)：塊狀，無(wú)規(guī)則分布，存在于加鋁量高且有殘鋁的鋼中。

大量工業(yè)試驗(yàn)表明，采用各種措施可將鋼中的硫含量降到較低的程度，可一定程度上避免或減少硫化錳的生成。對(duì)于不同的硫含量，在凝固過(guò)程中，硫化錳都在液相中析出。液相中析出硫化錳時(shí)的凝固分率與硫含量有關(guān)。鋼中硫含量越高，則液相中析出硫化錳時(shí)的凝固分率越低，硫化錳在凝固過(guò)程中析出得越早?？傮w上，凝固時(shí)硫含量如降低到0.00 30%以下時(shí)，可明顯降低硫化錳的形成。上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也能側(cè)面驗(yàn)證這個(gè)問(wèn)題。沒(méi)有硫化錳夾雜物的鋼水中硫含量為0.002%，說(shuō)明硫含量低有助于抑制硫化錳的形成。

氧對(duì)鋼中硫化錳的凝固過(guò)程影響非常明顯，這是由于氧含量的變化影響硫在鋼中的溶解度。氧高時(shí)，硫在鋼中的溶解度低，硫化錳在較高溫度下析出，即形成于鋼液凝固的前期；當(dāng)氧低時(shí)，鋼液中硫的溶解度高，硫化物在鋼液凝固末期析出，故存在于枝晶間和晶界。氧含量高、硫化錳沉淀和生長(zhǎng)的溫度范圍大，它的尺寸就較鋼液凝固末期析出的晶界硫化物大。

生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，A爐的氧含量明顯高于B爐和C爐的氧含量。因此，保持一定酸溶鋁含量，將有助于保持較低氧含量，從而抑制硫化錳的生成。目前看0.008%～0.015%的鋁含量是較為合理的。

此外，過(guò)熱度過(guò)高，澆速過(guò)快也是導(dǎo)致硫化錳形成及偏聚的重要原因。 A爐的過(guò)熱度明顯高于其他兩爐的過(guò)熱度，應(yīng)適當(dāng)降低，可降低10℃。

3.2 鋁鈣鎂類(lèi)夾雜形成及控制

從精煉到中包過(guò)程，夾雜物主要以脫氧產(chǎn)物為主。VD結(jié)束時(shí)，夾雜物主要是鋁酸鈣復(fù)合夾雜。能譜分析發(fā)現(xiàn)含鎂，表明夾雜物另有來(lái)源。分析認(rèn)為有兩種可能性：一為耐材，鋼包塞棒的材質(zhì)為鎂質(zhì)；二為鋼渣，鋼渣中含有較高的氧化鎂。澆注后期，塞棒失控，導(dǎo)致鋼水全部進(jìn)入錠模內(nèi)，可以判斷鋼渣進(jìn)入鋼中可能性極大， 進(jìn)而與原來(lái)的脫氧產(chǎn)物形成了復(fù)雜的共生夾雜物。若棒頭脫落，也會(huì)導(dǎo)致含鎂質(zhì)材料進(jìn)入鋼中，進(jìn)而形成含氧化鎂的鈣鋁酸鹽。

3.3 硅錳鋁鈣酸鹽類(lèi)夾雜形成及控制

此缺陷出現(xiàn)在近表面，夾雜尺寸較大，機(jī)加工后表面肉眼可見(jiàn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況看，源于脫氧產(chǎn)物的可能性很小。分析認(rèn)為，由于中包材質(zhì)為硅質(zhì)，硅質(zhì)耐材易熔損脫落，并與鋼中的鋁酸鈣碰撞結(jié)合，形成大顆粒夾雜。

大顆粒的夾雜物主要為氧化物，來(lái)源復(fù)雜，多數(shù)情況下為外來(lái)夾雜物和高溫鋼水沉淀的內(nèi)生夾雜物。受耐材、爐渣、空氣氧化等影響越大，顆粒尺寸越大。大顆粒夾雜在很多情況下都含有氧化鈣，鋼渣是大顆粒夾雜的重要來(lái)源之一。其次如耐材熔損脫落、脫氧產(chǎn)物、二次氧化等也是大顆粒夾雜重要的來(lái)源。

大顆粒夾雜對(duì)鋼錠的內(nèi)部和表面質(zhì)量都有重要的影響。

基于目前鋁脫氧工藝的狀況，認(rèn)為上述大顆粒夾雜的來(lái)源應(yīng)是耐材的熔損脫落，主要產(chǎn)生在澆注階段。用鋁脫氧時(shí)，生成各種復(fù)合的氧化物或α-氧化鋁，大部分的脫氧產(chǎn)物能以固態(tài)從鋼水中析出、聚集和碰撞上浮。而在澆注過(guò)程中生成的夾雜物和凝固之前形成的聚集夾雜物難以排出。

鑄錠過(guò)程中，耐材在氧化鐵、氧化錳等助溶劑的影響下，易加速熔損，溫度越高，或鋼液的氧含量越高，耐材越容易熔損。含錳高的鋼液對(duì)耐材的浸蝕較大，可生成硅錳酸鹽，若鋁足夠高時(shí)，進(jìn)一步生成硅鋁錳酸鹽。有時(shí)，含錳高的鋼水在空氣中二次氧化也可生成硅鋁錳酸鹽。上述硅鋁錳酸鹽的產(chǎn)生有時(shí)很難區(qū)分來(lái)源。

4 主要措施

(1)提高出鋼碳含量，避免或杜絕出鋼過(guò)氧化，減少爐后脫氧的負(fù)擔(dān)。

(2)要規(guī)范用鋁，避免后期大量加鋁，提高Als和全Alt比值，進(jìn)一步加強(qiáng)脫氧效果。

(3)保證鈣處理效果，它對(duì)鋼錠純凈度有很大的影響?，F(xiàn)場(chǎng)有一段時(shí)間，硅鈣線(xiàn)質(zhì)量不好，而這段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的問(wèn)題明顯多于其他時(shí)間段。華中理工大學(xué)喬學(xué)亮等人的研究表明：在長(zhǎng)條狀的硫化物夾雜中幾乎沒(méi)有鈣的存在；當(dāng)硫化物中鈣含量逐漸增加時(shí)，其形態(tài)向紡錘形靠近，說(shuō)明鈣可使硫化物形態(tài)得到改善。鈣使鋼中A12O3夾雜物盡可能的轉(zhuǎn)化為低熔點(diǎn)的12C·7A，或使圓球狀鋁酸鈣外層包覆(Ca、Mn)S，促使其長(zhǎng)大上浮，提高鋼液的潔凈度。應(yīng)避免大顆粒、脆性、形狀不規(guī)則或條帶狀?yuàn)A雜物殘存于鋼中，防止夾雜物在鋼熱加工過(guò)程中造成的應(yīng)力集中。

(4)精煉期間，注意夾雜物的上浮去除效果。合理控制氬氣軟吹的流量，禁止鋼液面裸露和劇烈攪動(dòng)翻騰，避免二次氧化。合理控制軟吹氬氣的時(shí)間，避免過(guò)長(zhǎng)和過(guò)短。

(5)合理控制精煉渣的爐渣堿度，保證爐渣的物理化學(xué)性能，提高夾雜物的吸附效果。二元堿度要控制在3.5以上，同時(shí)控制好爐渣流動(dòng)性。

(6)要注意鋼包的烘烤效果，精煉要避免用高溫鋼水來(lái)彌補(bǔ)鋼包吸熱所致的溫度損失，以減少來(lái)自耐材的污染。

(7)鑄錠等的準(zhǔn)備工作要精細(xì)，杜絕耐材等雜物進(jìn)入錠模內(nèi)。

(8)提高塞桿控流能力，避免開(kāi)澆自流和澆注末期關(guān)閉不嚴(yán)。提高耐材質(zhì)量和裝配質(zhì)量。

(9)改進(jìn)包襯耐材質(zhì)量及材質(zhì)。一是提高現(xiàn)有耐材質(zhì)量，提高耐材抗浸蝕和沖刷的能力；二是優(yōu)化材質(zhì)結(jié)構(gòu)，從源頭減少耐材的熔損剝落。

(10)控制合適的過(guò)熱度，避免高過(guò)熱度或低過(guò)熱度出現(xiàn)。一是應(yīng)加強(qiáng)鋼包等烘烤效果；二是要加強(qiáng)協(xié)調(diào)生產(chǎn)組織，合理安排坐包吊包時(shí)間，避免過(guò)早坐包，進(jìn)而導(dǎo)致鋼包溫降難以控制。

(11)合理控制澆注速度。過(guò)低過(guò)高的澆注速度都會(huì)對(duì)鑄坯的內(nèi)外部質(zhì)量產(chǎn)生不好的影響。

(12)做好氬氣保護(hù)澆注。改進(jìn)氬氣保護(hù)裝置，提高保護(hù)效果。

(13)要有合適的留鋼量，避免下渣。不能為了追求鋼水收得率，將包內(nèi)的留鋼量控制得很低。合適的留鋼量可以減少卷渣下渣的幾率。

(14)不斷優(yōu)化錠型結(jié)構(gòu)。促進(jìn)凝固組織的改善，減輕夾雜物對(duì)鋼質(zhì)量的不利影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)完全消除鋼中的夾雜物在現(xiàn)有的煉鋼技術(shù)條件下是做不到的。但是，盡量的減少夾雜物的數(shù)量，改善夾雜物的形態(tài)及分布是可以做到的。

(2)鋼錠內(nèi)大型非金屬夾雜物主要來(lái)源于脫氧產(chǎn)物，其后依次是二次氧化、鋼包渣、中間包襯等。 大部分非金屬夾雜物來(lái)源并不單一，有多種來(lái)源并在鋼液中相互碰撞集聚長(zhǎng)大。多數(shù)是由脫氧產(chǎn)物和多種熔渣及耐火材料相互吸附聚集而形成的復(fù)合夾雜。

(3)重點(diǎn)要做好精煉脫氧、夾雜物變性處理和上浮去除。同時(shí)要杜絕鋼水的二次氧化，保證澆注系統(tǒng)的清潔，減少外來(lái)夾雜物，如爐渣、爐襯耐材的卷入和脫落。

[1] 李代鍾.鋼中的非金屬夾雜物.北京：科學(xué)出版社，1983.

[2] 潘寧，等.特殊鋼中硫化錳夾雜物析出行為的研究.冶金研究，2007.

[3] 王碩明，等.不同T[O]條件下鋼中夾雜物的來(lái)源及特點(diǎn).2007中國(guó)鋼鐵年會(huì)論文集.