分享：4130钢锻件超声检测不合格原因

摘 要:某批次4130钢锻件超声检测结果不符合JB/T 5000.15—2007标准要求,锻钢件心部位置存在密集和单个超标缺陷,采用化学成分分析、低倍检验、金相检验、扫描电镜和能谱分析等方法对缺陷位置进行分析,结果表明:4130钢锻件原材料内部存在大量MnS和NbC夹杂物,这些夹杂物分割了钢材本身的基体连续性,在锻造加工过程中形成裂纹,造成超声检测结果不合格。最后分析了MnS和NbC夹杂物的来源及其危害性,找出了对应的工艺改善措施,改进后4130钢锻件的超声检测合格率为100%。

关键词:4130钢锻件; 夹杂物; 超声波检测; 低倍检验; 金相检验

套圈锻钢件具有韧性高、组织合理、互换性好、工作寿命长等特点,被广泛应用于船舶、机械制造、军工、压力容器等行业,是国民生产制造中不可缺少的重要零部件。某公司使用?800 mm的AISI 4130铬钼合金钢连铸圆坯锯切下料,锻打成套圈锻钢件下环套毛坯,粗加工后检验3件下环套毛坯,发现其中有2件超声检测不合格,影响了锻钢件的使用安全。

笔者采用化学成分分析、渗透检测、金相检验、扫描电镜(SEM)和能谱分析等方法对缺陷位置进行分析,找出了锻钢件缺陷及其产生原因,提出了相应的改善措施,提高了产品的合格率。

对2件不合格下环套毛坯进行超声检测,检测位置为两平面和外圆面位置,发现一件上存在密集型缺陷,另一件上存在单个缺陷。密集型缺陷位于锻钢件内部凸台A的半周区域,深度为60~150 mm;单个缺陷位于锻钢件凸台A的半周区域内,深度为65~115 mm。缺陷所在位置整体及局部如图1所示。下环套生产工序为:下料→锻造→锻后正回火→粗加工→调质。

1 理化检验

1.1 化学成分分析

下环套的材料为4130铬钼合金钢,其化学成分分析结果如表1所示,由表1可知:其化学成分符合标准要求。

图1 缺陷所在位置整体及局部示意

表1 下环套用4130钢的化学成分分析结果(质量分数,%)

1.2 低倍检验

采用超声波检测方法定位缺陷,对缺陷部位进行渗透检测,发现长度为1~2 mm的细小裂纹状缺陷,对该缺陷进行低倍检验,结果如图2所示。

图2 缺陷低倍检验形貌

1.3 金相检验

制备密集型缺陷和单个缺陷的金相试样,将其置于光学显微镜下观察,结果如图3所示。由图3可知:密集型缺陷主裂纹宽度较大,两端延伸部位有细小裂纹,应为扩展裂纹,裂纹长度为1145 μm,裂纹内部及两侧未见氧化脱碳现象,裂纹两侧区域存在夹杂物,夹杂物级别为1.0级;单个缺陷与密集型缺陷类似,主裂纹宽度也比较大,两端延伸部位有细小裂纹,裂纹长度为1044 μm,裂纹内部及两侧未见氧化脱碳现象,裂纹两侧区域存在夹杂物,夹杂物级别为1.5级。在远离裂纹的其他基体区域均未发现夹杂物聚集。

1.4 扫描电镜和能谱分析

对缺陷处的夹杂物进行扫描电镜观察和能谱分析,结果表明:夹杂物主要为MnS硫化物和NbC碳化物。MnS夹杂物呈长条状沿轧制方向分布,NbC夹杂物呈颗粒状弥散分布。这些夹杂物在锻造过程中成为裂纹源,在外力作用下沿夹杂物与基体界面开裂,形成裂纹。

2 综合分析

4130钢属于铬钼钢,具有较高的强度和韧性,广泛用于制造锻件。MnS是钢中常见的硫化物夹杂,主要来源于炼钢过程中Mn与S的结合。MnS具有一定的塑性,在轧制或锻造过程中会沿变形方向伸长,形成长条状夹杂物,破坏基体的连续性,降低材料的横向力学性能。

NbC是铌的碳化物,铌作为微合金元素加入钢中可以细化晶粒、提高强度。但如果铌含量控制不当或冷却速度不合适,NbC会以较大的颗粒形式析出,成为脆性夹杂物,在锻造变形过程中容易在NbC与基体界面处产生应力集中,引发微裂纹。

该批次4130钢锻件中存在大量MnS和NbC夹杂物,这些夹杂物分割了基体的连续性。在锻造加工过程中,由于变形应力的作用,夹杂物与基体界面处产生应力集中,形成微裂纹并不断扩展,最终形成宏观裂纹,导致超声检测结果不合格。

3 改进措施及效果

针对上述原因,采取以下改进措施:

(1) 优化炼钢工艺,降低钢中S含量,减少MnS夹杂物的生成;

(2) 严格控制Nb元素的加入量,优化连铸冷却工艺,避免NbC粗大析出;

(3) 提高钢水纯净度,加强精炼过程脱硫、去夹杂控制;

(4) 优化锻造工艺,适当提高锻造温度和变形量,促进夹杂物破碎和弥散分布。

采取以上改进措施后,后续生产的4130钢锻件超声检测合格率达到100%,有效解决了锻件超声检测不合格问题。

4 结论

(1) 4130钢锻件超声检测不合格的原因是原材料中存在大量MnS和NbC夹杂物,在锻造过程中沿夹杂物界面形成裂纹。

(2) MnS和NbC夹杂物破坏了基体连续性,成为裂纹源,在锻造应力作用下扩展形成宏观缺陷。

(3) 通过优化炼钢工艺、控制夹杂物含量和优化锻造工艺,可以有效改善锻件质量,提高超声检测合格率。

来源-材料与测试网