转子表面缺陷分析研究

时间：2024-09-03

张海峰邵奎祥郭秋娟张金珠

(天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

众所周知，大型钢锭中不可避免的存在各种偏析，偏析是钢液选择结晶和钢锭凝固过程的必然结果，如大型钢锭中的A型偏析、V型偏析、负偏析等，这些缺陷在锻件后续的生产中无法完全消除，只有尽可能地采取各种手段减轻偏析的程度[1-7]。我公司生产的一支30Cr1Mo1V转子在精加工过程中，因在转子两端轴颈处发现有许多条状缺陷而报废。

本文针对此转子，在实验室利用低倍试验、扫描电镜、能谱分析等检验检测手段对缺陷进行了研究，确定了缺陷性质，找到缺陷产生的原因，为今后转子生产中避免出现此类缺陷而提供依据。

1 产品基本信息和生产过程

转子轴身最大直径为∅839 mm，长度为4795 mm，交货重约12.538 t。转子交货图如图1所示。本产品使用93 t钢锭制造，一锭出两件，此件为冒口件，三火锻造而成，锻造完成后进行两次过冷+一次高温的锻后热处理以细化晶粒。锻件性能热处理工艺为油冷+高温回火。

2 试验结果及原因分析

转子因长期放置在室外而整体锈蚀较为严重。对转子轴颈处外圆表面进行车削加工，观察转子车削过程时发现铁屑延续很长，没有频繁断屑现象，经车削后仔细观察其车削外圆表面未发现有肉眼可见的冶金缺陷。对经车削加工后的表面进行了酸洗检验，在酸洗面上显示出细小条带状缺陷，见图2。为了进一步确定缺陷的性质，在转子缺陷部位取金相试样在光学显微镜和扫描电镜下进行检验，其金相组织见图3，电子扫描形貌见图4。应用能谱仪对带状偏析区和基体各进行等距离3点成分分析，能谱图见图5，能谱成分分析结果见表1。

图1 转子交货图Figure 1 Rotor delivery diagram

图2 轴颈部位表面经酸洗后缺陷形貌Figure 2 Defect appearance of the neck surface after pickling

由图3可以看出，带状偏析区内、交界处和基体的显微组织形态有差异，其中带状偏析区内显微组织为贝氏体回火组织+少量碳化物，且贝氏体回火组织中的碳化物质点相对密集，同时相间分布有少量的颗粒状碳化物；从带状偏析区与基体交界处每个上贝氏体回火组织的条排状形态围成的区域表明该部位晶粒相对粗大；基体显微组织为贝氏体回火组织，未发现有颗粒状碳化物。

图3 显微组织形貌Figure 3 Microstructure morphology

图4 显微组织SEM形貌(3000×)Figure 4 SEM Morphology of microstructure (3000×)

图5 成分能谱图Figure 5 Energy spectrum of chemical composition

用能谱仪对颗粒状物进行微区成分分析，由图5及表1可知，这些颗粒状物为Mo、Cr和V含量较高的合金碳化物，并且C、Si和Mn元素的含量也均高于基体。

表1 显微组织中偏析区内外成分能谱分析结果(质量分数，%)Table 1 Results of energy spectrum analysis in thesegregation zone in the microstructure (mass fraction, %)

图6 钢锭中偏析分布图Figure 6 Segregation distribution in ingot

大型钢锭凝固过程中由于钢液选择结晶的缘故，钢锭不同部位存在不同类型的偏析区域，具体如图6所示。本锻件采用93 t钢锭锻造而成，此件为冒口件，其A型偏析区距离表面约500～600 mm，与转子其他位置相比，轴颈尺寸较小，原钢锭中的柱状晶区材料被机械加工掉，而原分枝柱状晶区的A型偏析很容易在精加工时暴露出来，以致在轴颈表面有细小点条状偏析显示。

综上所述，转子精加工表面低倍检验时显示的条带状缺陷就是带状偏析，根据其在钢锭中的位置，可以推断该带状偏析为原钢锭的A型偏析区。