風電主軸UT缺陷分析

郭 甫，安龍森，程 林，史可慶，楊 磊，陳 云，秦昌亮

(金雷科技股份公司，山東 萊蕪 271105)

風電主軸產品的工藝為：自由鍛造熱加工→鍛后退火熱處理→粗加工扒皮→調質熱處理→半精加工→精加工→涂裝→成品。對風電主軸產品粗加工扒皮后進行UT檢驗，發現內部缺陷超標。本文對該產品進行低倍酸蝕、化學成分檢驗、金相觀察等研究，找到原因，提高質量[ 1-5]。

1 基本信息

風電主軸材質為42CrMo4。采用USMGOT型號檢測儀器進行NDT檢測，探頭規格B2S，探傷方法為縱波接觸，化學漿糊為耦合劑。

風電主軸產品經1240 ℃熱加工鍛造后，粗加工扒皮，發現：1)法蘭端面檢驗距中心半徑150 mm范圍內缺陷密集，深度范圍600～1110 mm；最大點C距中心80 mm，深663 mm，當量3.8，其余缺陷3左右；2)軸身檢驗發現，大軸及斜軸800 mm范圍內密集缺陷，深度范圍300～550 mm；最大點D距大軸450 mm，深398 mm，當量7；缺陷E當量6.5，其余缺陷2～6。缺陷示意圖見圖1。

探傷確定E點具體位置后，將主軸產品進行切割，鋸切成方形試片，探傷發現有多處缺陷，分布在不同深度位置，如圖2所示。

2 理化檢驗

2.1 低倍酸蝕

將圖1(c)試片一分為二，進行熱酸蝕試驗，酸蝕劑為工業鹽酸和水1:1，加熱溫度為70 ℃，保溫時間為20 min。酸蝕低倍檢驗發現其中一試塊有一條長度約5 mm裂紋，無其他明顯缺陷，見圖3(a)；另一試塊有一處明顯偏析區域，長度約5 mm，無其他明顯缺陷，見圖3(b)。

2.2 成分檢驗

圖1 缺陷位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of defect location

使用ARL8860直讀光譜儀和ONH分析儀設備，對圖3中2試塊進行化學成分檢驗，結果見表1。可以看出，C、H含量超標，Cr、Ni、Mo主要合金含量較冶煉值偏高，說明此處成分偏析嚴重。

(a)軸中間部位；(b)E點缺陷兩側鋸切；(c)帶E點缺陷的樣塊；(d)待分析樣品圖2 產品解剖圖(a) the middle part of the sawing shaft; (b) both sides of the defect E point; (c) the sample block with the E point defect；(d) the sample Fig.2 Product anatomy diagrams

(a)裂紋；(b)成分偏析圖3 低倍檢驗(a)crack; (b) compostion segregationFig.3 Low magnification inspection

表1 化學成分檢測結果(質量分數，%)

2.3 金相觀察

對圖2(d)試塊表面檢測其夾雜物及缺陷情況，夾雜物結果如表2所示。缺陷處有較多細小的夾雜物存在，等級合格。

表2 夾雜物檢驗結果

用4%硝酸酒精腐蝕圖3兩試塊，然后進行金相組織觀察。圖3(a)試樣缺陷處金相組織如圖4所示，存在一條長度約5 mm裂紋，裂紋寬度約40 μm，裂紋尖端存在毛細裂紋，深入基體組織內部，其他位置無明顯分叉毛細裂紋。基體組織為片狀珠光體，裂紋處無氧化脫碳現象。

圖3(b)試樣金相組織如圖5所示。偏析區域長約5 mm，寬度約1 mm。在偏析組織內部和其延伸方向上有不連續的毛細裂紋，偏析組織內部毛細裂紋寬度約2 μm，長度約1 mm，延伸方向上裂紋寬度約4 μm，長度約3 mm。偏析區域組織為有馬氏體位相的回火索氏體+球狀珠光體；試樣基體組織為片狀珠光體；偏析區域組織與基體組織有較明顯的分界面，裂紋附近無氧化脫碳現象。

圖4 圖3(a)試樣缺陷處金相組織Fig.4 Microstructure of sample defect in Fig.3(a)

3 分析與討論

查看冶煉過程檢驗記錄得知，產品冶煉爐次電爐出鋼量為46.7 t，澆鑄前后重量差46 t，計算得出鋼包注余量約0.7 t，不符合注余量為2～3 t的工藝要求。

解剖缺陷位置為主軸中心軸線位置處，低倍檢驗無明顯的疏松、偏析等冶煉缺陷；微觀檢驗主要為裂紋缺陷，裂紋處無氧化脫碳現象，可判斷在澆鑄鋼錠中未形成裂紋缺陷[ 6-10]。

裂紋是模鑄鋼錠產生的主要缺陷之一，但一般只出現于表面裂紋，裂紋的產生一般是承受的外應力超過該區域的最大抗拉強度，將其撕裂。根據上述調查結果顯示，產品中發現的裂紋，未在模鑄鋼錠時形成，因此該裂紋缺陷為熱加工后而形成的。形成裂紋的主要因素為過大的熱加工應力和組織應力，超過裂紋區域處最大抗拉強度極限，導致發生位移開裂；根本因素為裂紋區域處的成分偏析嚴重，使得該區域處產生較大的組織應力，且不均勻的組織使得最大抗拉強度顯著降低，極易產生裂紋。

圖5 圖3(b)試樣缺陷處金相組織Fig.5 Microstructure of sample defect in Fig.3(b)

一般氫脆的形式主要分為可逆氫脆、不可逆氫脆、環境氫脆。 氫與金屬的交互作用，一般最可能形成固溶體、化合物以及氫分子和氫原子在金屬中以第二相的形式存在或與第二相發生反應形成氣體產物。任何情況下的氫對金屬的作用均有很大的破壞作用，根據氫在金屬中存在的狀態和形式不同，交互作用的性質不同，引發的影響也不同，因而需要根據實際情況加強對氫的控制，避免氫對金屬的消極影響[ 11]。

4 結論與建議

澆鑄鋼包中鋼水余料不足導致鋼錠靠近水口芯部位置處鋼液成分偏析嚴重，后期熱加工、熱處理時微區組織轉變不同步、產生應力集中，加之氫含量超標，晶界弱化，產生裂紋。

建議嚴格控制冶煉工藝，保證適量的鋼包中鋼水注余量，保證VD后鋼水中較低的氫含量。