大型鍛件探傷粗晶現狀的分析及改進措施

文/李傳友，楊后雷，劉少斌，劉崇魯·通裕重工股份有限公司

隨著經濟發展，工業生產對大截面鍛件需求量逐漸增多，探傷粗晶成為大型鍛件生產過程中經常遇到的一個突出的問題，由于鍛件內部粗大的晶粒度，導致探傷過程中出現草狀波甚至底波消失，無法滿足探傷要求，同時粗大的晶粒度影響后續的熱處理性能，降低材料的性能，縮短產品使用壽命，本文就探傷粗晶原理、分布特點、產生原因及解決辦法進行敘述。

探傷粗晶的原理

晶粒度即晶粒的大小，從金相上分0～4級為粗晶，4～8級為細晶。不同于金相上的粗晶，探傷粗晶并不能量化晶粒大小，是根據探傷標準進行探傷時對鍛件內部質量判斷的影響來定義的。

聲波在介質中傳播時，能量的衰減分為擴散衰減、散射衰減及吸收衰減。擴散衰減是聲波隨著傳播距離的增加，在單位面積內聲能的減弱；散射衰減是聲波在各向異性的不均勻性組織上或在晶粒粗大的界面上散射，使超聲波能量衰減，聲波在傾斜的界面上將發生反射及折射，這樣聲波能量將衰減，當晶粒的平均直徑與波長之比大于1/10的時候，散射逐漸增大，以致不能探傷。聲波的吸收衰減是由介質的導熱性、粘滯性及彈性滯后所造成的，吸收的聲波能直接轉換為熱能，與晶粒度大小有著直接的關系。

粗大的晶粒度及組織直接導致材料的散射衰減與吸收衰減，在同樣頻率條件下，晶粒度尺寸越大，衰減越嚴重，當晶粒尺寸遠遠大于波長時，由散射轉為反射，超聲波的傳播更加困難。粗晶草狀波的出現干擾了缺陷波的辨別，因此要使鍛件具備良好的探傷條件，就必須具有良好的晶粒度及組織。

探傷粗晶分布特點

按截面及形狀分類

以我公司一次正回火后鍛件的探傷為例，根據鍛件截面及形狀對探傷粗晶進行統計，結果見表1、表2。

從表1中可以看出鍛件截面尺寸≤1000mm的鍛件中粗晶的比例很小，幾乎可以忽略。但超過1000mm后，粗晶比例有一個大幅提升，從1000～1200mm分布和1200～1400mm分布看，探傷粗晶比例緩慢增大。超過1400mm后，粗晶比例大幅提升。

表2對不同形狀的鍛件粗晶情況進行了對比，從表2中可以看出，大截面方塊類鍛件粗晶分布比例最高，其次是大直徑軸類鍛件，最后是齒輪類及圓餅類。

表1 不同截面尺寸探傷粗晶比例統計

表2 不同形狀鍛件探傷粗晶比例統計（鍛件有效截面尺寸1000mm以上）

按材質分類

根據實際生產中的經驗，較容易出現探傷粗晶的材質分兩類，第一類主要是含碳量在0.4%以上的碳鋼、碳錳鋼，如45#、55#、40Mn、50Mn等材質。第二類是Ni含量較高的合金鋼，如34CrNi3Mo、34CrNi3MoV、25Cr2Ni4MoV等材質。

探傷粗晶產生的原因

針對探傷粗晶的分布特點，分別對探傷粗晶的原因進行以下分析。

終鍛溫度高

從表1中可以看出，截面越大，粗晶比例也就越大，因為截面越大，鍛件內外溫差也就越大，當鍛造結束時鍛件表面溫度降至800℃左右時，但心部溫度仍然可能在1200℃以上。終鍛溫度越高，晶粒就越大，原因就是在較高的溫度下發生再結晶的晶粒會迅速長大，從而導致心部過熱，而在較低溫度下變形再結晶的速度降低，晶粒長大速度變慢，從而能夠得到較細的晶粒。當鍛件在無變形高溫加熱的時候，就會產生嚴重的粗晶，形成穩態的過熱，鍛后需要多次正火才能夠消除粗晶 。

以材質為20MnMo臺階軸為例，尺寸如圖1所示，鍛造過程一般分為兩個火次。第一火鐓拔后返回到1250℃高溫爐保溫，保溫后第二火鐓粗拔長壓各臺階出成品，主變形后出成品，時間一般在1小時內，直徑＞1m的鍛件，鍛造結束后心部溫度仍在1100℃以上，截面越大，心部溫度就會越高，粗晶就會越嚴重。

圖1 臺階軸解剖示意圖

表3 臺階軸解剖金相檢驗結果

我們將圖1中鍛件鍛造后毛坯直接冷至室溫，按圖1所示鋸切為10個試片，編號為1#～10#，鋸切后檢驗每個試片表面、1/2半徑及心部晶粒度和組織，結果見表3。每個試片表面晶粒度均在4～7級之間；2#～5#試片1/2半徑處晶粒度在0級左右，其余部分1/2半徑處晶粒度在1級～3級之間；兩端1#、9#、10#試片心部晶粒度為2級，3#～8#試片心部晶粒度在0～1級之間。

結果分析：表面晶粒度較好，是因為表面鍛比比中心大，鍛造后為細晶粒，表面溫度降低速度較快，細化的晶粒不會發生迅速長大，即使不經過正回火，表面晶粒度一樣可以達到較好的結果。從1/2半徑及心部晶粒度結果可以看出，端面部分（1#）溫度相對較低，而小頭部分（7#～10#）變形較大，晶粒度要比中間部分好。心部相對于1/2半徑溫度更高，晶粒更加粗化，而且在部分心部區域出現了過熱的魏氏體及粗大的非平衡組織貝氏體，這些組織在經過一次正火后仍會遺留部分粗大的組織形態，晶粒度得不到細化，在探傷過程中就會出現粗晶問題。

變形量較小

很多鍛件探傷粗晶是局部粗晶，如兩端帶法蘭的中間軸鍛件，探傷粗晶位置主要是兩端法蘭部分，中間軸身不會粗晶，原因就是鍛坯切肩后拔長中間凹檔，中間變形量較大，而兩端法蘭直徑大，變形量小，粗大的晶粒在終鍛時得不到再結晶細化，從而導致粗晶。

鍛件成品裝爐溫度過高

在實際生產中，由于行車使用比較緊張，常常會出現鍛件出成品后，在溫度很高的情況下，鍛造結束，鍛件成品裝爐溫度過高，導致了很多鍛件的粗晶。圖2為截面尺寸為1500mm的鍛件表面與心部空冷的冷卻曲線，從圖中可以看出，當近表面溫度600℃時，心部溫度在800℃以上，大截面鍛件由于表面溫度和心部溫度差距較大，成分偏析較為嚴重，如果裝爐溫度過高，在保溫時間不充分的情況下，直接升溫，心部仍是奧氏體狀態，后續正火也就無法通過相變重結晶進行晶粒的細化，即正火沒有起到細化晶粒的作用，出爐后往往導致心部的探傷粗晶。

圖2 φ1500mm鍛鋼空冷冷卻曲線

鍛后工藝及操作不合理

鍛后配爐由于配合著不同材質，對于某種材質的鋼號來說，正火溫度有可能出現過低或過高現象。正火溫度過高或者過低均不利于晶粒的細化。溫度過低，奧氏體化不充分，不利于打破原始粗大的組織造成的遺傳而引起粗晶。溫度過高也不利于晶粒的細化，尤其是碳鋼對正火溫度比較敏感，溫度過高晶粒會繼續粗化。

探傷粗晶的解決方案

加入微量V、Nb、Al等細化晶粒的元素

這些元素可在鋼中形成VC、NbC、AlN等彌散的第二相，對于晶粒的長大起著阻礙作用，能夠降低材料的過熱傾向。從圖3可以看出加入Nb元素的鋼，加熱溫度只有在1100℃左右時晶粒才會發生明顯長大，而未添加Nb元素的碳錳鋼隨著加熱溫度的提高晶粒一直在迅速長大，加入微量Nb元素對于晶粒的長大能起到一定的阻礙作用。

圖3 碳錳鋼與加Nb的碳錳鋼奧氏體晶粒長大曲線圖

降低終鍛溫度，增大鍛比，防止無鍛比加熱

針對大截面形狀簡單鍛件，主變形要盡量采用大鍛比鍛造，鐓粗拔長變形量大時,能充分打碎粗大的枝晶組織，內部偏析組織能夠充分得到擴散與均勻化，足夠的主變形能使鍛件不會形成穩態過熱，有利于后續熱處理對晶粒度的改善。最終成形變形時要留有一定鍛比。降低終鍛溫度，盡量使心部溫度相對較低時發生變形，同時保溫時間在滿足變形要求的情況下不宜過長。減少鍛造火次，避免無鍛比加熱。

鍛造成形后，制定合理的鍛件冷卻方式

鍛件鍛造成形后，根據不同材質制定合理的裝爐溫度：

對于碳素鋼、碳錳鋼及中低合金鋼裝爐溫度控制在300～400℃之間，采用600～650℃或(300±20)℃待料；對于34CrNi3MoV、25Cr2Ni4MoV等含Ni的中高合金鋼，采用600℃以上溫度裝爐，裝爐后在爐內冷卻至(200±30)℃充分保溫，確保組織轉變完成。

制定合理的鍛后正火工藝及冷卻方式

對于大截面易粗晶鍛件粗晶，正回火可以采取以下措施：

⑴正火前延長650～700℃保溫時間，在相變臨界溫度區間提高加熱速度，較快的加熱速度能夠提高形核率，有利于晶粒度的細化。

⑵對于探傷要求較嚴格，一次正火難以消除粗晶的鍛件采用兩次正火，第一次正火溫度要比正常正火溫度高20～30℃，第二次正火比正常正火溫度壓低10～20℃。

⑶對于60CrMnMo、9Cr2Mo、70Cr3Mo等高碳鋼正火時采用風冷或霧冷加快冷卻，防止晶界上析出網狀碳化物，影響探傷。

結束語

本文介紹了大型鍛件探傷粗晶的原理，結合本公司的產品對鍛件粗晶分布作了進一步描述，并對其進行了原因分析，根據實際生產經驗提出了相應的解決方案，對今后生產具有一定的指導意義。