水電用大型厚壁環(huán)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(jì)南 250000）

1 前言

兩支63 t的A668鋼錠鍛造的大型厚壁環(huán)鍛件，經(jīng)冶煉-鍛造-鍛后熱處理，粗加工后進(jìn)行UT探傷。端面檢測(cè)，距外圓300 mm，深度90～750 mm，寬400 mm環(huán)狀區(qū)域，缺陷密集，當(dāng)量Φ3～Φ6，超標(biāo)，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(huán)形。于是從兩支鍛件選取一支鍛件解剖取樣，進(jìn)行缺陷分析。

2 試驗(yàn)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(jù)探傷報(bào)告，劃線鋸切。鋸開截面后，探傷人員再次探傷，確認(rèn)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(yàn)結(jié)果

2.2.1 低倍檢驗(yàn)

低倍檢驗(yàn)結(jié)果：組織整體不致密，疏松點(diǎn)大而排列緊密，呈蜂窩狀，評(píng)級(jí)一般疏松4.0級(jí)。

2.2.2 化學(xué)成分

在橫向低倍試塊上取樣，進(jìn)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(xué)成分檢驗(yàn)數(shù)據(jù)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

檢驗(yàn)結(jié)果：檢驗(yàn)缺陷密集區(qū)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(wěn)定，重復(fù)性好。

H是否會(huì)引發(fā)缺陷，主要從以下幾個(gè)方面考慮：鋼種的成分是否對(duì)H敏感，這是對(duì)材料的認(rèn)識(shí)和理解，A668是C-Mn鋼，從成分上可判斷對(duì)H不敏感；對(duì)于白點(diǎn)的預(yù)防，一般是通過擴(kuò)氫熱處理來(lái)解決，一旦發(fā)生了白點(diǎn)沒有辦法補(bǔ)救。

氫壓理論Bennek等提出，并由Zapffe進(jìn)一步完善［1］。氫壓理論認(rèn)為，鋼中產(chǎn)生氫脆損傷的一個(gè)重要原因是內(nèi)部微孔隙中高強(qiáng)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(dá)到一定數(shù)量后結(jié)合成氫分子，體積膨脹形成巨大內(nèi)應(yīng)力。持續(xù)升高的內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致裂紋萌生，即為白點(diǎn)。

2.2.3 高倍檢驗(yàn)

金相檢驗(yàn)結(jié)果見圖2。檢驗(yàn)結(jié)果：金相組織為珠光體+鐵素體，缺陷3組織異常，發(fā)現(xiàn)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(nèi)長(zhǎng)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(nèi)自由生長(zhǎng)的針狀鐵素體，這種組織的奧氏體晶粒不粗大，對(duì)材料的性能基本無(wú)影響。魏氏體對(duì)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(yán)重切割基體，使鋼的強(qiáng)度和沖擊韌性顯著降低。

夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果見圖3。存在D類、DS類夾雜，其中多處D類1級(jí)，夾雜物較嚴(yán)重處DS類1.5級(jí)。

圖3 夾雜物檢驗(yàn)結(jié)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(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

高堿度渣系對(duì)去除B類夾雜物非常有利，但對(duì)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(huì)發(fā)生少量的C還原渣中CaO的反應(yīng)［4］：被還原的Ca與鋼液中的Al和O結(jié)合生成球狀氧化物mCaO·Al2O3，若Ca與鋼種S結(jié)合，會(huì)生成變形能力差的CaS。因此，要解決球狀?yuàn)A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(jù)CaO-SiO2二元相圖，當(dāng)C/S＞3時(shí)，就會(huì)有自由CaO的存在，最好控制在2～3。所以要根據(jù)冶煉的鋼種技術(shù)要求來(lái)選用不同堿度的渣系。

3 返鍛

芯棒拔長(zhǎng)-鐓粗-擴(kuò)孔成型，注意保溫時(shí)間和每火次的變形量。芯棒拔長(zhǎng)過程嚴(yán)格控制壓下量和進(jìn)給量，保證壓實(shí)鍛透。變形簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 拔長(zhǎng)變形圖

鐓粗過程，為防止內(nèi)孔變形和產(chǎn)生折疊，選用局部鐓粗的變形方式，見圖5。注意變形量和內(nèi)孔的變化，出現(xiàn)倒梯形后及時(shí)翻面；最后一火次根據(jù)變形量的大小，調(diào)整保溫溫度和時(shí)間，避免晶粒粗大。通過高溫?cái)U(kuò)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(jié)語(yǔ)

通過鍛件解剖取樣，進(jìn)行試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)UT探傷不合的主因是疏松，鍛造過程未壓實(shí)鍛透。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，如大型鋼錠偏析、氫誘導(dǎo)缺陷、魏氏體組織認(rèn)識(shí)和渣系對(duì)夾雜物的影響進(jìn)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。