大型鍛件探傷粗晶現(xiàn)狀的分析及改進(jìn)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(jīng)濟(jì)發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)大截面鍛件需求量逐漸增多，探傷粗晶成為大型鍛件生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的一個(gè)突出的問題，由于鍛件內(nèi)部粗大的晶粒度，導(dǎo)致探傷過程中出現(xiàn)草狀波甚至底波消失，無法滿足探傷要求，同時(shí)粗大的晶粒度影響后續(xù)的熱處理性能，降低材料的性能，縮短產(chǎn)品使用壽命，本文就探傷粗晶原理、分布特點(diǎn)、產(chǎn)生原因及解決辦法進(jìn)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(jí)為粗晶，4～8級(jí)為細(xì)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(jù)探傷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行探傷時(shí)對(duì)鍛件內(nèi)部質(zhì)量判斷的影響來定義的。

聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，能量的衰減分為擴(kuò)散衰減、散射衰減及吸收衰減。擴(kuò)散衰減是聲波隨著傳播距離的增加，在單位面積內(nèi)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(fā)生反射及折射，這樣聲波能量將衰減，當(dāng)晶粒的平均直徑與波長之比大于1/10的時(shí)候，散射逐漸增大，以致不能探傷。聲波的吸收衰減是由介質(zhì)的導(dǎo)熱性、粘滯性及彈性滯后所造成的，吸收的聲波能直接轉(zhuǎn)換為熱能，與晶粒度大小有著直接的關(guān)系。

粗大的晶粒度及組織直接導(dǎo)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(yán)重，當(dāng)晶粒尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長時(shí)，由散射轉(zhuǎn)為反射，超聲波的傳播更加困難。粗晶草狀波的出現(xiàn)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(diǎn)

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(jù)鍛件截面及形狀對(duì)探傷粗晶進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)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(gè)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(duì)不同形狀的鍛件粗晶情況進(jìn)行了對(duì)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(tǒng)計(jì)

表2 不同形狀鍛件探傷粗晶比例統(tǒng)計(jì)（鍛件有效截面尺寸1000mm以上）

按材質(zhì)分類

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的經(jīng)驗(yàn)，較容易出現(xiàn)探傷粗晶的材質(zhì)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(zhì)。第二類是Ni含量較高的合金鋼，如34CrNi3Mo、34CrNi3MoV、25Cr2Ni4MoV等材質(zhì)。

探傷粗晶產(chǎn)生的原因

針對(duì)探傷粗晶的分布特點(diǎn)，分別對(duì)探傷粗晶的原因進(jìn)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?yàn)榻孛嬖酱?，鍛件?nèi)外溫差也就越大，當(dāng)鍛造結(jié)束時(shí)鍛件表面溫度降至800℃左右時(shí)，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(fā)生再結(jié)晶的晶粒會(huì)迅速長大，從而導(dǎo)致心部過熱，而在較低溫度下變形再結(jié)晶的速度降低，晶粒長大速度變慢，從而能夠得到較細(xì)的晶粒。當(dāng)鍛件在無變形高溫加熱的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的粗晶，形成穩(wěn)態(tài)的過熱，鍛后需要多次正火才能夠消除粗晶 。

以材質(zhì)為20MnMo臺(tái)階軸為例，尺寸如圖1所示，鍛造過程一般分為兩個(gè)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(tái)階出成品，主變形后出成品，時(shí)間一般在1小時(shí)內(nèi)，直徑＞1m的鍛件，鍛造結(jié)束后心部溫度仍在1100℃以上，截面越大，心部溫度就會(huì)越高，粗晶就會(huì)越嚴(yán)重。

圖1 臺(tái)階軸解剖示意圖

表3 臺(tái)階軸解剖金相檢驗(yàn)結(jié)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(gè)試片，編號(hào)為1#～10#，鋸切后檢驗(yàn)每個(gè)試片表面、1/2半徑及心部晶粒度和組織，結(jié)果見表3。每個(gè)試片表面晶粒度均在4～7級(jí)之間；2#～5#試片1/2半徑處晶粒度在0級(jí)左右，其余部分1/2半徑處晶粒度在1級(jí)～3級(jí)之間；兩端1#、9#、10#試片心部晶粒度為2級(jí)，3#～8#試片心部晶粒度在0～1級(jí)之間。

結(jié)果分析：表面晶粒度較好，是因?yàn)楸砻驽懕缺戎行拇?，鍛造后為?xì)晶粒，表面溫度降低速度較快，細(xì)化的晶粒不會(huì)發(fā)生迅速長大，即使不經(jīng)過正回火，表面晶粒度一樣可以達(dá)到較好的結(jié)果。從1/2半徑及心部晶粒度結(jié)果可以看出，端面部分（1#）溫度相對(duì)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(duì)于1/2半徑溫度更高，晶粒更加粗化，而且在部分心部區(qū)域出現(xiàn)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(jīng)過一次正火后仍會(huì)遺留部分粗大的組織形態(tài)，晶粒度得不到細(xì)化，在探傷過程中就會(huì)出現(xiàn)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(huì)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(shí)得不到再結(jié)晶細(xì)化，從而導(dǎo)致粗晶。

鍛件成品裝爐溫度過高

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于行車使用比較緊張，常常會(huì)出現(xiàn)鍛件出成品后，在溫度很高的情況下，鍛造結(jié)束，鍛件成品裝爐溫度過高，導(dǎo)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(dāng)近表面溫度600℃時(shí)，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(yán)重，如果裝爐溫度過高，在保溫時(shí)間不充分的情況下，直接升溫，心部仍是奧氏體狀態(tài)，后續(xù)正火也就無法通過相變重結(jié)晶進(jìn)行晶粒的細(xì)化，即正火沒有起到細(xì)化晶粒的作用，出爐后往往導(dǎo)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(zhì)，對(duì)于某種材質(zhì)的鋼號(hào)來說，正火溫度有可能出現(xiàn)過低或過高現(xiàn)象。正火溫度過高或者過低均不利于晶粒的細(xì)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(xì)化，尤其是碳鋼對(duì)正火溫度比較敏感，溫度過高晶粒會(huì)繼續(xù)粗化。

探傷粗晶的解決方案

加入微量V、Nb、Al等細(xì)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(duì)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(shí)晶粒才會(huì)發(fā)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(duì)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(duì)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(shí),能充分打碎粗大的枝晶組織，內(nèi)部偏析組織能夠充分得到擴(kuò)散與均勻化，足夠的主變形能使鍛件不會(huì)形成穩(wěn)態(tài)過熱，有利于后續(xù)熱處理對(duì)晶粒度的改善。最終成形變形時(shí)要留有一定鍛比。降低終鍛溫度，盡量使心部溫度相對(duì)較低時(shí)發(fā)生變形，同時(shí)保溫時(shí)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(jù)不同材質(zhì)制定合理的裝爐溫度：

對(duì)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(duì)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(nèi)冷卻至(200±30)℃充分保溫，確保組織轉(zhuǎn)變完成。

制定合理的鍛后正火工藝及冷卻方式

對(duì)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(shí)間，在相變臨界溫度區(qū)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(xì)化。

⑵對(duì)于探傷要求較嚴(yán)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(duì)于60CrMnMo、9Cr2Mo、70Cr3Mo等高碳鋼正火時(shí)采用風(fēng)冷或霧冷加快冷卻，防止晶界上析出網(wǎng)狀碳化物，影響探傷。

結(jié)束語

本文介紹了大型鍛件探傷粗晶的原理，結(jié)合本公司的產(chǎn)品對(duì)鍛件粗晶分布作了進(jìn)一步描述，并對(duì)其進(jìn)行了原因分析，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)提出了相應(yīng)的解決方案，對(duì)今后生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。