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)

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[1-2]。

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味酸水溶液作为腐蚀剂，将试样水浴加热至70℃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形成的。

表1 30Cr2Ni4MoV钢主要化学成分(质量分数，%)Table 1 Main chemical composition of 30Cr2Ni4MoV steel (mass fraction,%)

由于30Cr2Ni4MoV钢属于超纯净钢种，合金元素含量较少，所以内生夹杂物种类不多，主要以铝酸盐为主，尺寸在几十微米左右，分布位置也相对分散。但也存在个别危害较大的FeS夹杂，如图3所示。

钢锭中的非金属夹杂物是由材料的冶金和凝固特性等因素决定的，无法完全避免，但可以通过锻造改善其大小、形状和分布。

2.2 粗大晶粒

试样的显微组织分析结果表明，30Cr2Ni4MoV钢大型钢锭表层细晶区的晶粒细小，内部柱状晶和等轴晶的晶粒尺寸达到毫米量级，而柱状晶的尺寸更大，腐蚀后可用肉眼直接观察。粗大的柱状晶晶粒内还保留了明显的树枝晶组织，增大了元素偏析的可能性，如图4所示。

(b)夹杂成分的能谱检测图1 氧化钙夹杂形貌及能谱Figure 1 Morphology and energy spectrum of calcium oxide inclusions

图2 硅酸盐夹杂形貌及能谱Figure 2 Morphology and energy spectrum of silicate inclusions

图3 FeS夹杂形貌及能谱Figure 3 Morphology and energy spectrum of FeS inclusions

图 4 铸造晶粒组织Figure 4 Casting grain microstructure

图 5 大型钢锭心部的缩孔Figure 5 The shrinkage cavities in heavy casting steel ingot center

图6 柱状晶区的普通疏松Figure 6 Common porosities in columnar crystal zone

图7 柱状晶区的海绵状疏松Figure 7 The cavernous porosities in columnar crystal zone

30Cr2Ni4MoV钢合金含量低，虽然减少了内生夹杂物存在的可能，但由于结晶时形核不足，所以会产生粗大晶粒，而且随着铸件尺寸的增大，晶粒粗大现象也更加明显，最后导致粗大晶粒成为30Cr2Ni4MoV钢大型钢锭的典型铸造缺陷。

2.3 缩孔和疏松

实验得到了大量30Cr2Ni4MoV钢大型钢锭的孔洞缺陷，主要以密集性的缩孔为主，如图5所示。绝大多数的缩孔集中于等轴晶区域，即钢锭的心部。

实验中还发现，30Cr2Ni4MoV钢大型钢锭存在明显的疏松缺陷，主要位于钢锭的柱状晶区域，靠近钢锭心部，如图6所示。可以看出，疏松组织中分散着许多空洞，且周围存在粗大的树枝晶。一般来讲，疏松中的空洞多呈椭球形或不规则多边形，严重时则呈海绵状，如图7所示。

380 t级大型钢锭采用顶注式浇铸工艺，水口部位一般先于锭身和冒口凝固，从而具有更好的补缩条件，因此该部位缩孔、疏松的严重程度将不及锭身和冒口处的同类缺陷，即实际锻件坯料中的缩孔、疏松尺寸会更大。本文观察到的缩孔、疏松在缺陷尺寸上虽然不具有代表性，但仍可说明此类缺陷在30Cr2Ni4MoV钢大型钢锭中是普遍存在的，后续锻造过程中要尤其注意坯料的锻透与压实。

3 结论

(1)非金属夹杂物是30Cr2Ni4MoV钢大型钢锭典型铸造缺陷。外来夹杂物长35 mm之多，成分为氧化钙。内生夹杂物尺寸较小，成分主要以铝酸盐为主。

(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。

[1] 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.

[2] 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.