黃 鑫, 馬 蘇, 卞繼楊

(張家港中環(huán)海陸高端裝備股份有限公司， 張家港 215626)

近年來，我國(guó)模具工業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)量已躍居世界前列，其中占主體的是塑料成型模具。用量較大的塑料模具鋼主要有P20和718等預(yù)硬化鋼，這兩種鋼適宜制造大中型、精密的塑料模具[1]。大中型模具鋼質(zhì)量的控制非常重要，不僅要求材料具有良好的力學(xué)性能，同時(shí)還必須保證超聲波探傷合格。

某公司采用718鋼15 t(噸)八角錠鍛造加工模塊，模塊加工工藝為：鋼錠→下料→加熱→鍛造→空冷→探傷。圖1為該模塊尺寸。使用配備PF2R-24探頭的EPOCH600型數(shù)字式超聲波探傷儀檢測(cè)毛坯狀態(tài)的模塊，在圖1中的陰影區(qū)域發(fā)現(xiàn)密集缺陷，當(dāng)量為φ(3～8) mm，缺陷嚴(yán)重處影響底波20 dB，深度范圍在100～350 mm，不滿足GB/T 6402-2008《鋼鍛件超聲檢測(cè)方法》Ⅲ級(jí)技術(shù)要求。為了查明探傷發(fā)現(xiàn)的內(nèi)部缺陷的形成原因，明確缺陷類型，改善內(nèi)部質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)效益，筆者對(duì)探傷不合格的模塊進(jìn)行了理化檢驗(yàn)和分析，并制定了改善措施。

圖1 模塊尺寸及缺陷位置Fig.1 Module size and defect location

1 理化檢驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分分析

在模塊上取樣，利用ARL4460型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，氣體元素含量如表2所示，可見滿足GB/T 1299-2014《工模具鋼》對(duì)718鋼化學(xué)成分的技術(shù)要求。

表1 718鋼模塊的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of 718 steel module (mass fraction) %

表2 718鋼模塊中的氣體元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Gas element content of 718 steel module (mass fraction) ×10-6

1.2 低倍檢驗(yàn)

在圖1所示的陰影區(qū)取兩個(gè)試樣，分別編號(hào)為1，2號(hào)試樣，用USM GO超聲波探傷儀對(duì)試樣中的缺陷進(jìn)行定位。將1號(hào)試樣銑至缺陷平面，進(jìn)行酸浸低倍檢驗(yàn)，如圖2所示，可見缺陷在酸浸試樣中集中分布，與現(xiàn)場(chǎng)探傷結(jié)果一致，缺陷區(qū)域有多處無規(guī)則分布的鋸齒狀細(xì)小裂紋，裂紋長(zhǎng)短不一，總體朝向一致。

圖2 1號(hào)試樣的低倍形貌Fig.2 Morphology of sample 1 at low magnification

1.3 金相檢驗(yàn)

在2號(hào)試樣裂紋缺陷較大位置處取金相試樣，采用Axio Imager A2m型光學(xué)顯微鏡觀察試樣橫截面及縱截面的形貌。

在低倍下觀察可知，裂紋呈斷續(xù)分布，橫向裂紋最大長(zhǎng)度為3 630 μm；縱向裂紋較直，最大長(zhǎng)度為9 137 μm，裂紋內(nèi)及兩側(cè)未見非金屬夾雜物聚集等異常情況。

用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液浸蝕后進(jìn)一步觀察試樣的顯微組織，可見裂紋兩側(cè)無脫碳及氧化現(xiàn)象，處在一條偏析帶內(nèi)，基體組織為鐵素體+珠光體，如圖3a)所示；部分裂紋沿著相界開裂，其余裂紋穿過相界擴(kuò)展、延伸，具有冷裂紋特征[2]，如圖3b)所示。

圖3 2號(hào)試樣浸蝕后裂紋處的顯微組織Fig.3 Microstructure of crack of sample 2 after etching: a) longitudinal section; b) cross section

圖4 1號(hào)試樣斷口縱截面形貌Fig.4 Longitudinal section morphology of fracture of sample 1

1.4 斷口檢驗(yàn)

將1號(hào)試樣升溫至840 ℃保溫30 min后水冷淬火，開裂后制備斷口試樣，使用Stem 2000-C型體視顯微鏡觀察斷口形貌，如圖4所示?？梢姅嗫诳v截面的灰色基體上分布著銀白色圓形、橢圓形斑點(diǎn)，數(shù)量較少，其表面呈粗晶狀。

在銀白色圓形斑點(diǎn)處取樣，經(jīng)超聲波清洗后采用ZEISS SUPRA55型掃描電鏡對(duì)試樣進(jìn)行觀察。根據(jù)圖5a)可知遠(yuǎn)離斑點(diǎn)處斷口區(qū)域具有明顯的韌窩形貌，呈韌性斷裂特征，白色缺陷區(qū)域斷口形貌與周圍基體不同，兩者間有明顯界線，圖中左側(cè)為基體，右側(cè)為白色缺陷區(qū)域。白色缺陷區(qū)域斷口形貌具有沿晶斷裂和準(zhǔn)解理斷裂的雙重特征，缺陷中心區(qū)域?yàn)榈湫偷难鼐嗔研蚊?，局部晶粒間仍可見沿晶裂紋，如圖5b)所示；解理斷裂河流花樣中的撕裂棱和撕裂片已經(jīng)不明顯，棱角呈圓滑的波紋狀花樣，如圖5c)所示，白色缺陷區(qū)與基體邊緣區(qū)呈蛀道狀花樣[3]，如圖5d)所示。

圖5 1號(hào)試樣白色缺陷區(qū)域SEM形貌Fig.5 SEM morphology of white defect area on sample 1: a) dimple morphology; b) intercrystalline fracture morphology; c) cleavage fracture morphology; d) wormhole pattern

2 分析與討論

2.1 探傷不合格定性分析

探傷不合格是由于模塊內(nèi)部存在密集分布的細(xì)小裂紋，試樣斷口存在銀白色圓形或橢圓形斑點(diǎn)，斑點(diǎn)區(qū)域SEM形貌可見蛀道狀、波紋狀花樣以及沿晶斷裂等典型白點(diǎn)特征形貌[3-4]。白點(diǎn)是鋼鐵材料內(nèi)部的一種細(xì)小裂紋，主要出現(xiàn)在大型鍛件及截面較大的軋制鋼中[5]，白點(diǎn)在酸浸切片上的位置一般在距表面一定距離處或近中心部位處[6]。鋼件縱向斷口上呈圓形或橢圓形的銀白色斑點(diǎn)，在經(jīng)過磨光和酸蝕后的橫向切片上表現(xiàn)為細(xì)長(zhǎng)的裂紋[7]。

2.2 白點(diǎn)產(chǎn)生原因分析

微合金元素錳、鎳、鉻以及非金屬元素碳、硫、磷等均會(huì)使鋼的白點(diǎn)敏感性增加。718鋼錠中錳、鎳、鉻3種合金元素總含量大于3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，碳含量大于0.3%。此外，白點(diǎn)主要出現(xiàn)在珠光體鋼中，718鋼錠模塊為珠光體鋼，縱向裂紋處在珠光體偏析帶內(nèi)，先共析鐵素體在晶軸處形核長(zhǎng)大，并向枝晶間排碳，結(jié)果在枝晶間形成珠光體，枝晶間成分偏析處也是雜質(zhì)較多的地方，氫容易富集，增加了局部氫含量，一般認(rèn)為白點(diǎn)的形成與鋼中氫含量有直接關(guān)系[3,8]。溶解在鋼液中的氫原子，在鋼錠凝固時(shí)留在鋼中形成固溶體，呈過飽和狀態(tài)[9]。白點(diǎn)多在晶界、亞晶界、非金屬夾雜物表面及其他晶體缺陷部位形核。718鋼錠在鍛造加工及鍛后冷卻過程中，隨著模塊溫度逐漸降低，氫原子在基體中的溶解度也逐漸減小，氫逐漸在某些特殊晶界或其他薄弱處聚集形成氫氣泡，隨著氫原子析出量的增加，體積發(fā)生膨脹，內(nèi)部壓力逐漸增大，當(dāng)該壓力超過基體斷裂強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生開裂，此時(shí)晶界已成為氫富集區(qū)域中的最薄弱處，裂紋優(yōu)先沿晶界擴(kuò)展，即呈現(xiàn)典型的沿晶開裂形貌。盡管上述718鋼模塊氫含量較低，文獻(xiàn)[10]中提到，氫含量很低的大型鍛件組織中也可能出現(xiàn)白點(diǎn)。

白點(diǎn)是鍛件的一種內(nèi)部組織缺陷，往往在鍛后冷卻過程中產(chǎn)生[11]。鋼鐵材料組織中的白點(diǎn)是鋼中的氫和內(nèi)應(yīng)力共同作用而產(chǎn)生的一種裂紋缺陷[4]。大型鍛件在鍛后冷卻過程中，必定存在溫度應(yīng)力、組織應(yīng)力和殘余應(yīng)力3種內(nèi)應(yīng)力，這3種內(nèi)應(yīng)力也促進(jìn)了白點(diǎn)的產(chǎn)生，故大型鍛件在熱壓力加工后如冷卻太快，內(nèi)部較容易產(chǎn)生白點(diǎn)。上述718鋼模塊尺寸較大，熱加工后直接空冷，冷卻速度較快，內(nèi)部的氫原子來不及向外擴(kuò)散逸出，鍛造加工后又未經(jīng)去氫退火處理，達(dá)不到良好的除氫效果。同時(shí)，模塊鍛后快速冷卻使其內(nèi)部產(chǎn)生了較高的內(nèi)應(yīng)力，白點(diǎn)的敏感性與熱軋及鍛壓加工后的冷卻條件有關(guān)，隨著冷卻速度增大，白點(diǎn)的敏感度增高[9]。因此，在生產(chǎn)和加工過程中，應(yīng)盡可能降低母材鋼錠氫含量，減少內(nèi)應(yīng)力，提升鍛造后擴(kuò)氫效果[12-15]，以預(yù)防白點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生，提高產(chǎn)品合格率。

3 結(jié)論及建議

718鋼模塊探傷不合格的原因是模塊鍛造加工后內(nèi)部產(chǎn)生了白點(diǎn)缺陷。降低母材鋼錠氫含量、減小內(nèi)應(yīng)力、提升鍛后擴(kuò)氫效果等手段是減少白點(diǎn)、提高產(chǎn)品合格率的有效措施，具體建議如下：

(1) 應(yīng)按規(guī)定烘烤制度對(duì)所有爐料進(jìn)行良好的干燥保存，同時(shí)還要保持爐料的清潔。

(2) 采用真空除氣技術(shù)，以最大限度地去除鋼中的氣體。

(3) 嚴(yán)格控制精煉渣、中間包覆蓋渣和結(jié)晶器內(nèi)保護(hù)渣的成分，在考慮原工藝要求外，應(yīng)盡量選用礦物組成水容量小的，以防止脫氧、脫氣后的鋼液增氫。

(4) 鋼坯入坑緩冷。

(5) 對(duì)鍛件進(jìn)行鍛后緩冷，降溫的速度應(yīng)控制在30 ℃·h-1以下，或進(jìn)行去氫退火處理，使鍛件內(nèi)部氫得以向外擴(kuò)散。