4130鋼鍛件超聲檢測不合格原因

黃 鑫, 馬 蘇, 卞繼楊

(張家港中環海陸高端裝備股份有限公司, 張家港 215600)

套圈[1]鍛鋼件具有韌性高、組織合理、互換性好、工作壽命長等特點,被廣泛應用于船舶、機械制造、軍工、壓力容器等行業,是國民生產制造中不可缺少的重要零部件。某公司使用φ800 mm的AISI 4130鉻鉬合金鋼連鑄圓坯鋸切下料,鍛打成套圈鍛鋼件下環套毛坯,粗加工后檢驗3件下環套毛坯,發現其中有2件超聲檢測不合格,影響了鍛鋼件的使用安全。

筆者采用化學成分分析、滲透檢測、金相檢驗、掃描電鏡(SEM)和能譜分析等方法對缺陷位置進行分析,找出了鍛鋼件缺陷及其產生原因,提出了相應的改善措施,提高了產品的合格率。

對2件不合格下環套毛坯進行超聲檢測,檢測位置為兩平面和外圓面位置,發現一件上存在密集型缺陷,另一件上存在單個缺陷。密集型缺陷位于鍛鋼件內部凸臺A的半周區域,深度為60～150 mm;單個缺陷位于鍛鋼件凸臺A的半周區域內,深度為65～115 mm。缺陷所在位置整體及局部如圖1所示。下環套生產工序為:下料→鍛造→鍛后正回火→粗加工→調質。

圖1 缺陷所在位置整體及局部示意

1 理化檢驗

1.1 化學成分分析

下環套的材料為4130鉻鉬合金鋼,其化學成分分析結果如表1所示,由表1可知:其化學成分符合標準要求。

表1 下環套用4130鋼的化學成分分析結果 %

1.2 低倍檢驗

采用超聲波檢測方法定位缺陷,對缺陷部位進行滲透檢測,發現長度為1～2 mm的細小裂紋狀缺陷,對該缺陷進行低倍檢驗,結果如圖2所示。

圖2 缺陷低倍檢驗形貌

1.3 金相檢驗

制備密集型缺陷和單個缺陷的金相試樣,將其置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖3所示。由圖3可知:密集型缺陷主裂紋寬度較大,兩端延伸部位有細小裂紋,應為擴展裂紋[2],裂紋長度為1 145 μm,裂紋內部及兩側未見氧化脫碳現象,裂紋兩側區域存在夾雜物,夾雜物級別為1.0級;單個缺陷與密集型缺陷類似,主裂紋寬度也比較大,兩端延伸部位有細小裂紋,裂紋長度為1 044 μm,裂紋內部及兩側未見氧化脫碳現象,裂紋兩側區域存在夾雜物,夾雜物級別為1.5級。在遠離裂紋的其他基體區域均未發現夾雜物聚集。

圖3 缺陷微觀形貌

1.4 掃描電鏡和能譜分析

在裂紋處截取試樣,將其置于掃描電鏡下觀察,裂紋兩側及鄰近區域均存在大量的夾雜物,將試樣沿裂紋斷開,觀察斷口,結果如圖4所示。由圖4可知:密集型裂紋缺陷斷口可見夾雜物聚集,且裂紋呈放射狀[3]。對夾雜物進行能譜分析,結果如表2所示,由表2可知:圖4中灰白色夾雜物為NbC,深灰色夾雜物為MnS。

圖4 裂紋SEM形貌

2 綜合分析

下環套超聲檢測不合格的主要原因是其內部存在裂紋狀缺陷,密集型缺陷和單個缺陷的宏觀表征均為裂紋,母材連鑄坯內部存在大量夾雜物,這些夾雜物的主要組成元素為碳、鎳、硫和錳等。Smith提出了邊界夾雜物開裂的強度斷裂理論[4],鍛鋼件在鍛造碾軋過程中,硫化物夾雜聚集[5],邊界形成應力集中,當應力超過材料強度時,形成原始微裂紋。MnS軋制后易沿軋制方向延展成為大尺寸長條狀夾雜,易成為裂紋源[6]。在鍛造過程中,這些夾雜物割裂了基體的連續性,無法通過鍛造被鍛合[7],導致形成夾雜裂紋,裂紋尖端在后續的熱處理及冷卻過程中繼續擴展,裂紋的缺陷當量變大,使得下環套超聲波檢測無法滿足檢驗標準的要求。密集型缺陷和單個缺陷夾雜裂紋均分布在鍛鋼件軸心處凸臺的一側,并非大面積分布,這是由于鋼液凝固時夾雜物富集在連鑄坯中心區域,鍛造沖孔時偏離了幾何中心,導致一側的缺陷沒有沖掉。

夾雜物的來源為:(1)硫化物系夾雜物MnS主要由鋼液內脫硫反應產生。連鑄坯凝固過程中,隨著溫度的不斷下降, Nb元素和C元素在固-液界面前富集[8],生成液析NbC;(2)鍛造工藝不合理,鍛造制坯沖孔采用實心沖,連鑄坯中的夾雜物殘余在鍛鋼件靠內孔側,在鍛造過程中夾雜物未破碎,比較完整地保留下來。

在鋼錠鍛造過程中,容易在不變形或難變形的夾雜物基體金屬之間產生空隙,形成孔洞[9]。

3 結語及改進措施

下環套超聲檢測不合格主要原因是鍛鋼件中存在夾雜裂紋,夾雜物主要是MnS、NbC。

通過以下4點工藝來改進下環套的內在質量。

(1) 采用低溫澆鑄、結晶器電磁攪拌、二冷配水控制、凝固末端電磁攪拌以及動態輕壓下技術等減輕連鑄坯中心偏析。

(2) 消除樹枝晶并細化鑄錠心部的奧氏體晶粒,是細化液析NbC的有效方法。

(3) 控溫控軋,改進鍛造工藝。保證鍛造溫度,改善鑄坯內部組織,使其在均熱爐中的加熱時間延長20 min;控制軋制溫度,MnS夾雜物在1 000～1 050 ℃條件下發生變形,可以減小MnS的長寬比,改善鋼的橫向性能;初始階段要增大壓制力[10],增加鍛造比,使聚集在晶界的碳化物、非金屬夾雜物發生改變[11]。

(4) 優化鍛后熱處理工藝。延長熱處理保溫時間,使長條狀MnS逐漸碎化;為控制MnS夾雜物的尺寸,熱處理溫度宜選擇900～1 300 ℃。

經過上述優化后,超聲檢驗合格率達到了100%。