Análise de causa raiz e melhoria de processo para revestimento empenado em peças forjadas de virabrequim de aço 20Cr

O processo de produção do aço 20Cr é de rolos CC de tarugo de 120t BOF-LF-200mm×200mm. Testes de composição, análise metalográfica e análise de espectro de energia de varredura por microscopia eletrônica foram realizados nas cicatrizes e deformações de pequenos virabrequins mecânicos forjados em aço redondo Φ35mm 20Cr.

Os resultados mostram que a flutuação do nível do líquido no cristalizador durante o lingotamento contínuo é superior a ±5 mm, o que faz com que a escória protetora penetre na superfície lunar curva, resultando em inclusões de escória na superfície do tarugo e carbonização e cicatriz formação – e erros de deformação no processo de laminação.

Ao aumentar a profundidade de imersão da porta de água de 80-120 mm para 90-130 mm, o controle da porta de água do pacote intermediário e da haste do plugue é reforçado, e a operação de proteção da escória e o desempenho da espessura da camada de escória são otimizados de 10 -15mm para garantir que as flutuações do nível de líquido do cristalizador estabilizem em ± 3 mm e assim evitem a formação de escória de tarugo e pele de forjamento distorcida.

O aço 20Cr é usado em uma ampla gama de aplicações em engenharia mecânica. As siderúrgicas usam aço redondo 20Cr com especificação de Φ35mm e produzem virabrequins forjados para máquinas pequenas.

Ao forjar seções redondas de aço, descobriu-se que algumas peças forjadas apresentavam defeitos na camada superficial do grão e não podiam ser produzidas posteriormente. Neste caso, os locais são examinados e são retiradas amostras, a composição é verificada, a análise metalográfica e a espectroscopia de varredura por microscopia eletrônica são analisadas e o processo de produção é rastreado para analisar as causas dos defeitos.

1. Aço 20Cr Forjados de virabrequim Processo de manufatura

Processo de produção de aço redondo 20Cr para 120t BOF-120t LF-CC (seção 200mm × 200mm) – laminação de barras. Processo de processamento de virabrequim pequeno de aço 20Cr para aço redondo → cisalhamento → aquecimento de média frequência → forjamento → peças de tarugo → torneamento bruto.

2. Morfologia macroscópica de peças forjadas defeituosas

Para melhor observar a morfologia defeituosa, as peças forjadas defeituosas são shot peened para remover o tratamento de óxido de ferro na Figura 1. A morfologia macroscópica da cicatriz e dos defeitos cutâneos, bem como a localização, tamanho e profundidade variam na forma de uma faixa ou língua aderida ao substrato redondo de aço.

Uma extremidade do forjamento foi forjada livremente e a outra extremidade da superfície redonda do aço apresenta defeitos de revestimento empenados em ambas as extremidades. Portanto, o julgamento não é causado por pele deformada durante o forjamento.

Então peguei barras redondas de 20Cr, uma por uma, para este forno e descobri que algumas barras redondas também tinham defeitos na pele da cicatriz (veja a Figura 2). Os defeitos estão dispostos irregularmente e distribuídos pela cabeça, meio e extremidade do aço redondo. O tamanho e a profundidade variam e ocorrem defeitos de deformação durante o forjamento do virabrequim.

3. Análise das causas dos erros

3.1 Análise da composição química

A composição química detectada pelo espectrômetro e a composição do fundido são submetidas à análise comparativa, ver Tabela 1. Os resultados mostram que a composição química atende aos requisitos de composição química do aço 20Cr de acordo com GB/T 3077-2015, e a composição do fundido é também consistente é.

Figura.1 Aparência de peças forjadas defeituosas

Figura 2: Morfologia dos defeitos de corrosão e deformação em aço redondo Φ35mm 20Cr
Tabela 1 Composição química do aço 20Cr/%

Fig. 3 Morfologia microscópica dos defeitos de deformação no aço 20Cr

3.2 Análise metalográfica

Amostras metalográficas foram coletadas ao longo da direção longitudinal da camada de deformação dos defeitos do aço 20Cr e sua morfologia microscópica foi examinada com microscópio óptico. Após a moagem, as amostras foram polidas e corroídas com solução de álcool nítrico a 4%.

As fotografias metalográficas microscópicas são mostradas na Fig. A camada de deformação estende-se até o substrato e forma fissuras que formam um ângulo agudo em relação à superfície do aço redondo. As rachaduras são bifurcadas e há descarbonetação óbvia e manchas densas de óxido de alta temperatura.

O aquecimento de média frequência é usado no forjamento. O tempo de aquecimento é curto e não é suficiente para produzir uma descarbonetação tão forte e óxidos de alta temperatura. Só ocorre quando o aço laminado é aquecido antes da produção. Portanto, os defeitos no forno de laminação são avaliados antes do tarugo.

A organização metalográfica mostrada na Figura 3 mostra que a organização dos defeitos nas proximidades é diferente da organização normal do aço macio 20Cr, e a perlita aumenta significativamente.

Portanto, pele deformada foi encontrada na pele forjada. Amostras metalográficas foram ainda coletadas em várias posições longitudinais. Ao observar a organização, ver Figura 4, o fenômeno da perlita também pareceu aumentar, comprovando que aumenta a ocorrência de carbono próximo à pele deformada.

3.3 Análise espectral por microscopia eletrônica

Figura 3: Defeitos na varredura do microscópio eletrônico, nas principais fissuras e defeitos de bifurcação, são encontrados para proteger a composição da escória protetora F, Na. A análise de espectroscopia em microscópio eletrônico mostra na Tabela 2 a composição de F: 5,88%, Na: 3,69%. Tabela 2 em percentagem em massa do elemento convertido em composição de óxido na Tabela 3, em comparação com a composição da escória protetora do cristalizador, cujos principais componentes são C, F, Na₂O, CaO, SiO₂Al₂Ó₃ e a composição da escória protetora é consistente; portanto, os defeitos do tarugo no processo de lingotamento contínuo são causados ​​pelo envolvimento da escória protetora do cristalizador.

3.4 Análise e medidas para rolos de escória de lingotamento contínuo

3.4.1 Análise das causas do rolamento de escória

Os defeitos de escória na superfície dos tarugos fundidos são causados ​​por quatro fatores: flutuações no nível do fluido no cristalizador causadas pela laminação da escória; impacto de flexão da superfície da lua causado por escória; parâmetros físicos da escória protetora e vibração do cristalizador. As flutuações do nível do líquido no cristalizador aumentam o risco de laminação de escória no aço do cristalizador, que é a causa direta de defeitos de escória no tarugo.

Para determinar a causa da formação de escória, foi examinado o processo de lingotamento contínuo deste forno. Verificou-se que as flutuações do nível do líquido no cristalizador eram anormais (ver Figura 5). Normalmente, os níveis de líquido não flutuam mais do que ± 3 mm, mas 6 fluxos apresentam flutuações anormais de mais de ± 5 mm, a maior de mais de ± 10 mm. De acordo com a curva de posição do tampão, o tampão afunda continuamente desde o início, indicando que a erosão do tampão ocorre mais rapidamente do que a causa direta das flutuações no nível do fluido.

A pesquisa mostrou que: quando as flutuações do nível do fluido são de ± 5 mm, a profundidade da escória subcutânea é inferior a 2 mm, esta escória pode ser eliminada aquecendo o tarugo no forno; Se o nível do fluido flutuar ± 10 mm e a profundidade da escória subcutânea for inferior a 4 mm, deve-se realizar a limpeza da superfície.

Figura 4: Pele externa deformada do aço 20Cr na morfologia de organização crescente de carbono (a), organização transicional (b) e organização normal (c).
Tabela 2 Análise do espectro de energia dos defeitos de deformação no aço 20Cr/%

Tabela 3 Comparação das composições de escória de proteção e inclusões de distorção/%

Fig. 5 Curva de flutuação do nível do líquido no cristalizador em fornos com problemas de distorção

3.4.2 Análise das causas do aumento de carbono

Um claro fenômeno de carbonização ocorre próximo ao defeito da pele enrugada. O aumento de carbono vem principalmente do carbono na escória protetora, que atua como uma camada de barreira e esqueleto para regular a taxa de fusão e obter uma estrutura satisfatória da camada de escória, que é uma estrutura em camadas longitudinais da camada de escória original, a camada de sinterização e a camada de escória fundida de cima para baixo.

A solubilidade do carbono na camada de escória é muito baixa, de 0,1% a 0,4%; Entre a camada de escória e a camada de sinterização existe uma camada enriquecida com carbono, cuja concentração de carbono é 1,5 a 5 vezes maior que a da escória original, sendo esta a principal razão do aumento do carbono no aço fundido. Quando o nível do líquido flutua muito, a espessura da camada de escória é insuficiente, de modo que a camada rica em carbono interfere no cristalizador e no casco do tarugo, resultando em um aumento de carbono no tarugo.

3.4.3 Medidas de controle

• (1) Aumento correspondente na profundidade de inserção da saída de água submersa. Reduza a profundidade de inserção de 80-120 mm para 90-130 mm e reduza a flutuação do nível do líquido do cristalizador para garantir a estabilidade do nível do líquido.
• (2) Verifique a saída de água e insira o bastão da embalagem intermediária. Cada lote passa por controle de qualidade na fábrica para evitar umidade e antes do transporte e instalação para evitar choques. Antes de usar, certifique-se de que o efeito do cozimento e a temperatura de cozimento estejam acima de 1100°C ou mais para formar uma camada protetora densa que reduza a descarbonetação superficial de peças soltas.
• (3) Otimizar a operação e desempenho da escória protetora. O processo de fundição contínua e a implementação rigorosa da escória protetora são cuidadosamente adicionados, adicionados menos e a operação padronizada é complementada para garantir que a operação da superfície preta otimize simultaneamente as propriedades físicas e químicas da escória protetora para garantir a viscosidade e mobilidade adequadas e um é alcançada uma espessura suficiente da camada de escória de 10-15 mm.

Ao implementar medidas de controle, a flutuação do nível de líquido do cristalizador é estabilizada em ± 3 mm. Ao verificar a superfície da fundição do lingote de aço 20Cr e organizá-la em tempos baixos, isso foi melhorado para que não haja defeitos de escória semelhantes no lingote fundido e nenhuma pele deformada nas peças forjadas.

4. Conclusão

• (1) aço 20Cr Forjamento de virabrequim Defeitos de distorção no material rodante de escória de cristalizador causados ​​por defeitos em tarugos de escória de fundição.
• (2) A flutuação anormal do nível do líquido do cristalizador em mais de ± 5 mm é a principal causa da formação de escória no lingote. Quando a flutuação do nível do líquido do cristalizador é estabilizada dentro de uma faixa de ±3mm, a escória rolada no lingote é controlada, eliminando assim os defeitos de inclusão no lingote.