34CrNi3Mo鍛件超聲缺陷分析

摘 要：本文對34CrNi3Mo軸類件鍛件超聲波檢測存在的密集型缺陷進行了分析，通過金相檢測、能譜分析、彎曲試驗以及氣體元素檢測等方法探討了34CrNi3Mo軸類鍛件密集型缺陷的原因。檢測結(jié)果顯示，引起密集型缺陷的主要原因是鍛件中存在“白點”，通過優(yōu)化熱處理工藝可消除應(yīng)力，解決生產(chǎn)中軸類鍛件易出現(xiàn)超聲波探傷不合格的問題。

關(guān)鍵詞：軸鍛件；密集型缺陷；白點；超聲波探傷

中圖分類號：TG 31" " " " 文獻標(biāo)志碼：A

軸鍛件產(chǎn)品原材料冶煉方法為電弧爐+LF+VD+電渣，電渣錠經(jīng)鍛造開坯+鍛造成型+正火+回火+粗加工并經(jīng)超聲波檢測后均存在密集型缺陷。缺陷波為林狀波，波峰清晰，波形尖銳，靈敏度降低時缺陷反射波下降較快，底波降低或消失。提高靈敏度，底波無明顯增加。圓周方向探傷各處反射波形均類似[1]。根據(jù)圖紙技術(shù)要求，不允許存在裂紋、白點等缺陷，否則產(chǎn)品按報廢處理。為提高產(chǎn)品質(zhì)量，分析密集性缺陷的原因[2]成為亟需解決的問題。

1 理化檢驗

為準(zhǔn)確了解裂紋產(chǎn)生的原因，本文選取一部分軸鍛件產(chǎn)品進行了滲透檢測、金相組織檢測、能譜分析、彎曲試驗和氣體含量檢測[3]。

1.1 34CrNi3Mo化學(xué)成分

34CrNi3Mo化學(xué)成分見表1。

1.2 滲透檢測

對產(chǎn)品取片進行滲透檢測，UT探傷缺陷區(qū)域為微裂紋，檢測結(jié)果如圖1所示。

1.3 金相組織檢測

在切片試塊上取小塊試樣進行金相組織及夾雜物檢測，其金相檢測結(jié)果如圖2所示。

1.4 能譜分析

取帶裂紋的小塊試樣進行能譜分析，檢測結(jié)果如圖3、表2所示。

1.5 彎曲試驗

對超聲波檢測缺陷區(qū)域取樣進行彎曲試驗，檢測結(jié)果如圖4所示。

1.6 氣體含量檢測

對現(xiàn)場電渣錠錠底端鋸切40mm后，內(nèi)部存在60mm～70mm孔洞，氫含量為0.00044wt.%。冒口端鋸切40mm后存在針狀缺陷。對冒口端針狀缺陷附近區(qū)域取樣檢測氣體含量，氫含量分別為0.00011wt.%、0.00014wt.%、0.00015wt.%。冒口鋸切圖及冒口氣體含量檢測數(shù)據(jù)圖如圖5所示。

2 結(jié)果分析及結(jié)論

經(jīng)切片滲透及金相組織檢測顯示，34CrNi3Mo軸產(chǎn)品超聲波探傷內(nèi)部缺陷為微裂紋，裂紋位置為橫截面R/2以內(nèi)，裂紋宏觀形態(tài)呈鋸齒彎曲狀，裂紋長度1mm～4mm。金相檢測顯示，基體組織為索氏體，晶粒度為6～7級，不存在過燒及過熱現(xiàn)象。裂紋兩側(cè)無氧化及脫碳現(xiàn)象。裂紋為穿晶裂紋，判斷裂紋是在正火后冷卻過程中形成的。能譜分析顯示，裂紋部分內(nèi)部區(qū)域存O含量較高，存在氧化物，氧化物含量較少。彎曲試驗顯示，斷口部位存在白點。

經(jīng)判斷分析，該裂紋產(chǎn)生原因為氫含量較高，導(dǎo)致出現(xiàn)白點缺陷[4]。造成白點缺陷的主要原因是原材料電渣錠內(nèi)部氫含量較高，同時存在夾雜缺陷。由于鋼材鍛后溫度降低，因此氫在鋼中的溶解度降低，當(dāng)冷速加快時，材料內(nèi)的氫來不及擴散至大氣，體積擴張引起較高的內(nèi)應(yīng)力，進而導(dǎo)致撕裂，聚積在鋼的顯微孔隙或尖銳夾雜缺陷區(qū)域，結(jié)合成分子態(tài)。同時，鋼材中的氫含量、鋼材直徑或厚度規(guī)格對氫的擴散都有影響。鋼材直徑或厚度規(guī)格越大，氫的逸出擴散的路徑越長并越困難，白點敏感度也越大，會在內(nèi)部形成巨大的局部壓力，導(dǎo)致形成白點[5]。

3 結(jié)論驗證

3.1 白點成因及危害

白點是鍛件在鍛后冷卻過程中產(chǎn)生的一種內(nèi)部缺陷。軸類件白點沿同心圓分布，經(jīng)常出現(xiàn)在鍛件近中心或離表面一定深度的范圍內(nèi)，其形貌在橫向低倍試片上為細發(fā)絲狀銳角裂紋，形狀不規(guī)則，斷口為圓形或橢圓形的銀白色斑點。在空氣中暴露一段時間后，銀白色斑點被氧化成銀灰色，失去金屬光澤。其實質(zhì)是一種脆性銳邊裂紋，具有極大的危害性，一般為成群出現(xiàn)。一般認為形成白點缺陷的原因是氫和組織應(yīng)力的作用，即鋼中的氫在應(yīng)力作用下向拉應(yīng)力區(qū)富集，使鋼產(chǎn)生所謂氫脆，發(fā)生脆性斷裂。材料強度越高，越容易發(fā)生氫脆。氫氣脫析集到疏松微孔中，產(chǎn)生巨大壓力，并與鋼相變時產(chǎn)生的局部內(nèi)應(yīng)力結(jié)合形成細小裂縫。為防止形成白點缺陷，一要控制氫含量，二要采用消除白點的熱處理（如擴氫退火熱處理等）方法來消除應(yīng)力。本文對白點傾向性較大的材料進行了梳理，34CrNi3Mo材料產(chǎn)生白點缺陷的敏感性為高敏感性。通常合金總含量超過3.5%～4.0%或含Cr、Ni、Mn的合金鋼鍛件容易產(chǎn)生白點，多在高碳鋼、馬氏體鋼和貝氏體鋼中出現(xiàn)。白點在馬氏體和珠光體鋼中十分危險的缺陷，奧氏體鋼和低碳鐵素體鋼一般不出現(xiàn)白點。相關(guān)文獻記載和國內(nèi)、外已取得的研究結(jié)果表明，不同鋼種的無白點缺陷的極限氫含量數(shù)值不同[6]。常用鋼種的無白點缺陷極限氫含量見表3。

3.2 鋼水中氫含量控制

冶煉鋼錠時盡量縮小中碳Cr-Ni-Mo鋼中氫含量內(nèi)控范圍，并嚴格執(zhí)行產(chǎn)品工藝操作規(guī)程，盡可能減少外部氫進入鋼水。煉鋼所用的原材料和返回料表面必須清潔干燥，必須嚴格控制原材料的質(zhì)量，大幅降低夾雜物的含量，盡量做到無油污和無氧化。煉鋼所用的合金料、白灰、螢石、煉鋼工具以及澆注所用的鋼錠模等都需要經(jīng)過烘烤，盡可能去除內(nèi)部水分。爐渣不能太稀，尤其終渣要適當(dāng)黏稠一些。澆注時應(yīng)采用惰性氣體保護澆注，減少鋼水和大氣的接觸。對合金元素含量較多（尤其是Ni、Mn含量較多）且有效截面較大的大型鍛件來說，由于內(nèi)部偏析嚴重且內(nèi)部組織不均勻，因此只有通過VD真空脫氣進一步降低鋼水中的氫含量，此為防止白點缺陷產(chǎn)生的手段之一。

3.3 擴氫處理

34CrNi3Mo材料對白點敏感性最強，為使鋼中的氫快速擴散并逸出，通常選擇在鐵素體組織下的較高溫度中進行擴散去氫，并采用鍛后增加擴氫處理。因為氫在體心立方點陣中的溶解度比在面心立方點陣中的溶解度小，在前者中的擴散系數(shù)高于后者，所以在體心立方的鐵素體狀態(tài)下加熱比在奧氏體狀態(tài)加熱更有利于脫氫。白點一般分布在柱狀晶及以內(nèi)區(qū)域。白點形成的溫度區(qū)間為250℃～100℃，而氫擴散系數(shù)最大溫度區(qū)間為650℃～300℃，因此低于300℃時，來不及擴散的氫就存于鋼中，從而引起應(yīng)力。此外，鋼中的白點是鋼在高溫塑性變形中產(chǎn)生的缺陷，在鍛造過程中充分均勻變形，鍛比≥6，盡可能將夾雜物鍛造分散均勻。同時，在棒材產(chǎn)品鍛造成型時采用“V”形砧拔長成型，使缺陷位置受三向壓力，以減少內(nèi)部尖銳缺陷，使原料的內(nèi)部組織均勻、細化，降低白點產(chǎn)生的可能性。還需要控制冷卻速度，防止產(chǎn)生熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，消除內(nèi)應(yīng)力的影響。對白點敏感性較小的珠光體組織來說，鍛造后的鋼材通過緩慢冷卻就足以防止白點缺陷的產(chǎn)生。在鋼材緩慢冷卻過程中，氫會從基體中不斷擴散逸出，緩慢冷卻時內(nèi)部組織由奧氏體不斷向鐵素體→珠光體轉(zhuǎn)變。當(dāng)鍛材溫度降至250℃以下時，鋼材停止組織轉(zhuǎn)變，不再產(chǎn)生組織應(yīng)力。對大尺寸高碳鉻鋼、鉻鎳鋼、鉻鎳鉬鋼和鉻鎳鎢鋼鍛材來說，緩慢冷卻也將形成貝氏體組織或馬氏體組織，因此內(nèi)部組織應(yīng)力較大。鍛后熱轉(zhuǎn)裝爐，溫度為（630±20℃）×（72-90）h，可降低材料中的氫含量。

3.4 改進后效果

本文根據(jù)改進后工藝生產(chǎn)了12件軸類產(chǎn)品，經(jīng)超聲波檢測均未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。鍛后增加擴氫處理，消除了產(chǎn)品白點缺陷，超聲波檢測合格，有效提高了產(chǎn)品合格率。

4 結(jié)語

“白點”是鍛件內(nèi)部缺陷的基本形式之一?！鞍c”對鍛件的危害性較大。本文通過增加擴氫處理工藝，使生產(chǎn)中軸鍛件出現(xiàn)白點的質(zhì)量問題得到了有效改善，產(chǎn)品質(zhì)量和鍛件合格率得到了提升。

參考文獻

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