大型40Mn軸鍛件缺陷分析

馮 敬 劉銀喜 冉 玲 侯少欽

(二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司，四川618000)

大型40Mn軸鍛件在進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)整個(gè)工件長(zhǎng)度方向、直徑深度方向存在?1.6 mm～?2.0 mm密集缺陷。經(jīng)對(duì)缺陷取試分析，通過(guò)低倍、高倍、掃描電鏡能譜分析確定了缺陷的類型為Nb碳化物。通過(guò)分析，優(yōu)化了化學(xué)成分內(nèi)控，解決了大型40Mn軸鍛件問(wèn)題。

1 制造過(guò)程

1.1 制造工藝流程

工藝流程為：冶鑄→成型→鍛后熱處理→機(jī)加→無(wú)損檢測(cè)。

1.2 主要制造工藝

真空冶煉、真空澆注，鋼錠168 t。出鋼溫度1680～1700℃，澆注溫度1560～1580℃?；瘜W(xué)成分見(jiàn)表1。

主要參數(shù)及成型步驟：

始鍛溫度1250℃，終鍛溫度800℃。

第Ⅰ火次：壓鉗口、倒棱，滾圓，切出水口。第Ⅱ火次：鐓粗，WHF法拔長(zhǎng)，壓方、倒八方。第Ⅲ火次：拔長(zhǎng)滾圓，分料、上三角、局部拔長(zhǎng)，氣割鉗把。第Ⅳ火次：各部位拔長(zhǎng)滾圓成品，光整各部。鍛后熱處理：正火+回火。

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions (mass fraction, %)

1.3 無(wú)損檢測(cè)

超聲檢測(cè)要求：檢測(cè)頻率2.25 MHz，探頭A604S，探傷靈敏度AVG?2 mm，表面狀態(tài)Ra3.2 μm。工件規(guī)格如圖1所示。

經(jīng)超聲檢測(cè)后，發(fā)現(xiàn)整個(gè)工件長(zhǎng)度方向、直徑深度方向存在?1.6 mm～?2.0 mm密集缺陷。

圖1 工件規(guī)格Figure 1 Specification of workpiece

2 取試試驗(yàn)過(guò)程

為判定缺陷性質(zhì)，對(duì)工件進(jìn)行了解剖分析，將工件沿直徑方向鋸斷后，對(duì)鋸口斷面進(jìn)行了滲透檢測(cè)(圖2)、磁粉檢測(cè)(圖3)，未顯示出缺陷，可能與缺陷最大方向沿軸向分布，而橫向切斷面缺陷小，導(dǎo)致分辨率不足問(wèn)題。

為進(jìn)一步確定原因，沿工件軸向套取?70 mm×250 mm試棒2根，加工后經(jīng)50%鹽酸水溶液腐蝕后，觀察試棒表面存在一定程度的偏析，如圖4。

對(duì)試棒更進(jìn)一步進(jìn)行高倍組織、掃描電鏡分析。高倍組織分析如圖5，其中正常區(qū)組織為珠光體+鐵素體，試樣中存在大量的未知異常析出相，如圖6所示。掃描電鏡選區(qū)能譜照片如圖7所示。

圖2 斷面滲透檢測(cè)顯示Figure 2 Fracture surface appearance ofpenetration detection

圖3 斷面磁粉檢測(cè)顯示Figure 3 Fracture surface appearance of magnetic powder detection

圖4 軸向試棒低倍顯示Figure 4 Macro-appearance of axial sample bar

圖5 正常區(qū)組織照片F(xiàn)igure 5 Microstructure of normal zone

根據(jù)選區(qū)能譜檢測(cè)分析結(jié)果，判斷為富Nb相，同時(shí)該相中含有較多含量的Fe、C。因此推斷可能是添加Nb時(shí)未溶解的NbFe、鋼液凝固期間或凝固后析出的NbC。

(a)高倍1

(b)高倍2圖6 異常相照片F(xiàn)igure 6 Pictures of abnormal phase

SpectrumCTiFeNbBa對(duì)象 518對(duì)象 51915.9611.912.352.5822.4036.9556.6546.281.27-

圖7 掃描電鏡選區(qū)能譜照片
Figure 7 Energy spectrum picture of SEM specified position

3 分析討論

根據(jù)固態(tài)鈮鐵在鋼液中的行為包括物理行為、化學(xué)行為[1]。

3.1 鋼液中添加的鈮鐵的物理行為

由于鈮鐵的密度(8.1 g/cm3)大于鋼液的密度(6.8 g/cm3)，因此當(dāng)一塊固態(tài)鈮鐵進(jìn)入鋼液中，它在溶解于鋼液的同時(shí)會(huì)一直沉到鋼包底部。鈮鐵的熔化溫度范圍1580～1600℃大于鋼包中鋼液的溫度，所以鈮鐵在鋼液中并不熔化，而是通過(guò)Nb的擴(kuò)散，溶解到鋼液中。但在本案例中，鍛件沿整個(gè)長(zhǎng)度方向均存在大量缺陷，不可能是未溶解的大顆粒NbFe。

3.2 鋼液中添加鈮鐵的化學(xué)行為

鋼液中溶解的Nb與鋼液中非金屬元素如O、C、S、N、P的反應(yīng)，形成Nb的碳化物、氮化物、硫化物、磷化物，由于有害元素O、S、N、P均控制在較低范圍，不可能出現(xiàn)如此高密度的缺陷。

從溶解度來(lái)看，Nb碳化物和Nb氮化物在鋼包液中不會(huì)形成，而僅能在凝固期間和凝固后析出。高碳鋼(C>0.2%)具有γ型凝固特點(diǎn)，凝固溫度隨凝固進(jìn)行而降低。當(dāng)凝固溫度下降時(shí)(小于1400℃)，Nb碳化物在凝固前沿析出。并且由于平衡分解的原因，[Nb]×[C]溶度積在凝固前沿有所增加，Nb碳化物的數(shù)量和大小與凝固前沿的[Nb]×[C]溶度積與該凝固溫度下的平衡常數(shù)的差異有關(guān)。差異大時(shí)，大尺寸的Nb碳化物在枝晶間析出。

在凝固前沿析出的Nb碳化物的尺寸要大于凝固后析出的尺寸，其形狀呈現(xiàn)不規(guī)則形狀(團(tuán)簇狀或共晶體)。這些大的、不規(guī)則的Nb碳化物對(duì)鋼的性能如塑性和疲勞強(qiáng)度等是有害的。因此關(guān)鍵是減少在凝固前沿析出的Nb碳化物的數(shù)量和增加凝固后冷卻期間析出的Nb碳化物。 為了防止有害Nb碳化物的析出，在凝固前沿的[Nb]×[C]溶度積應(yīng)當(dāng)減小，而凝固溫度應(yīng)該提高。由于鍛件材料牌號(hào)已經(jīng)選定且要求強(qiáng)度高，C將無(wú)法控制在較低范圍，Nb含量控制低也無(wú)法起到細(xì)化晶粒的效果。因此大型40Mn軸鍛件加Nb進(jìn)行細(xì)化晶粒需要慎重，其次根據(jù)以往實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，添加Nb加劇了鋼微觀偏析，鍛件帶狀組織嚴(yán)重等問(wèn)題。

4 結(jié)論

根據(jù)上述檢測(cè)分析結(jié)果，超聲檢測(cè)缺陷為大量的大顆粒的富Nb相，根據(jù)選區(qū)能譜可能是NbC。重新進(jìn)行成分設(shè)計(jì)，添加微量的V進(jìn)行細(xì)化晶粒。