水電用大型厚壁環鍛件探傷缺陷分析

溫培建，程 林，高 山，王素娟，任麗芹

（金雷科技股份公司，山東 濟南 250000）

1 前言

兩支63 t的A668鋼錠鍛造的大型厚壁環鍛件，經冶煉-鍛造-鍛后熱處理，粗加工后進行UT探傷。端面檢測，距外圓300 mm，深度90～750 mm，寬400 mm環狀區域，缺陷密集，當量Φ3～Φ6，超標，判定不合格。兩支鍛件UT探傷均不合格，且缺陷位置、分布基本相同，呈環形。于是從兩支鍛件選取一支鍛件解剖取樣，進行缺陷分析。

2 試驗分析

兩支鍛件UT探傷均不合格，且缺陷位置、分布基本如圖1所示。

圖1 探傷缺陷示意圖

2.1 解剖取樣

根據探傷報告，劃線鋸切。鋸開截面后，探傷人員再次探傷，確認缺陷位置，取探傷缺陷試塊。在缺陷試塊上取橫向、縱向低倍試塊。

2.2 試驗結果

2.2.1 低倍檢驗

低倍檢驗結果：組織整體不致密，疏松點大而排列緊密，呈蜂窩狀，評級一般疏松4.0級。

2.2.2 化學成分

在橫向低倍試塊上取樣，進行成分、氣體、金相、夾雜物分析。成分和氣體含量見表1。

表1 化學成分檢驗數據（質量分數）%

檢驗結果：檢驗缺陷密集區域成分，C含量超上限；成品氫元素含量（0.91～1.32）×10-6，不同位置氫元素稍有差異；氧、氮較穩定，重復性好。

H是否會引發缺陷，主要從以下幾個方面考慮：鋼種的成分是否對H敏感，這是對材料的認識和理解，A668是C-Mn鋼，從成分上可判斷對H不敏感；對于白點的預防，一般是通過擴氫熱處理來解決，一旦發生了白點沒有辦法補救。

氫壓理論Bennek等提出，并由Zapffe進一步完善［1］。氫壓理論認為，鋼中產生氫脆損傷的一個重要原因是內部微孔隙中高強氫壓的存在［2］。氫的溶解度隨溫度而降低，冷卻過程析出氫原子，在晶界薄弱處析出，達到一定數量后結合成氫分子，體積膨脹形成巨大內應力。持續升高的內應力導致裂紋萌生，即為白點。

2.2.3 高倍檢驗

金相檢驗結果見圖2。檢驗結果：金相組織為珠光體+鐵素體，缺陷3組織異常，發現較明顯的針片狀鐵素體，疑是魏氏組織。

圖2 金相組織200×

魏氏體組織有兩種［3］：一種是由于過熱而引起的奧氏體晶粒粗大，從粗大的奧氏體晶界向晶內長大的羽毛狀鐵素體，這種組織危害很大；另一種是從奧氏體晶界和奧氏體晶內自由生長的針狀鐵素體，這種組織的奧氏體晶粒不粗大，對材料的性能基本無影響。魏氏體對材料性能的影響，主要是奧氏體晶粒粗大，粗大魏氏體組織嚴重切割基體，使鋼的強度和沖擊韌性顯著降低。

夾雜物檢驗結果見圖3。存在D類、DS類夾雜，其中多處D類1級，夾雜物較嚴重處DS類1.5級。

圖3 夾雜物檢驗結果

冶煉用精煉渣系成分見表2，渣系屬于高堿度渣系。

表2 精煉渣系（質量分數）%

高堿度渣系對去除B類夾雜物非常有利，但對D類和DS類去除效果不很理想。高堿度渣系，CaO活度大，在VD過程會發生少量的C還原渣中CaO的反應［4］：被還原的Ca與鋼液中的Al和O結合生成球狀氧化物mCaO·Al2O3，若Ca與鋼種S結合，會生成變形能力差的CaS。因此，要解決球狀夾雜物的問題，就要減少鋼種的含Ca量，降低渣中CaO的活度。降低CaO活度最有效的方法是增加渣中SiO2的含量。根據CaO-SiO2二元相圖，當C/S＞3時，就會有自由CaO的存在，最好控制在2～3。所以要根據冶煉的鋼種技術要求來選用不同堿度的渣系。

3 返鍛

芯棒拔長-鐓粗-擴孔成型，注意保溫時間和每火次的變形量。芯棒拔長過程嚴格控制壓下量和進給量，保證壓實鍛透。變形簡圖如圖4所示。

圖4 拔長變形圖

鐓粗過程，為防止內孔變形和產生折疊，選用局部鐓粗的變形方式，見圖5。注意變形量和內孔的變化，出現倒梯形后及時翻面；最后一火次根據變形量的大小，調整保溫溫度和時間，避免晶粒粗大。通過高溫擴散和大壓下量鍛造方法，將缺陷消除。

圖5 局部鐓粗布砧方式示意圖

4 結語

通過鍛件解剖取樣，進行試驗分析，發現UT探傷不合的主因是疏松，鍛造過程未壓實鍛透。通過對試驗結果進行分析，如大型鋼錠偏析、氫誘導缺陷、魏氏體組織認識和渣系對夾雜物的影響進行討論。另一件制定返鍛方案，回爐重鍛，鍛后探傷滿足客戶要求，已成功交貨。