聯(lián)合轉(zhuǎn)子心部無(wú)損檢測(cè)缺陷解剖分析研究

王立雙

(中國(guó)第一重型機(jī)械股份公司鑄鍛鋼事業(yè)部煉鋼廠，黑龍江161042)

公司近期生產(chǎn)的?1500 mm以上直徑的聯(lián)合轉(zhuǎn)子鍛件在粗加工后，經(jīng)超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)存在有部分鍛件因缺陷超標(biāo)而報(bào)廢的情況，其缺陷位置和顯示具有相似性，為確認(rèn)其超標(biāo)缺陷的性質(zhì)，便于優(yōu)化工藝提高產(chǎn)品質(zhì)量，將1件報(bào)廢的聯(lián)合轉(zhuǎn)子解剖后進(jìn)行缺陷分析。

1 缺陷定位

根據(jù)超聲檢測(cè)報(bào)告，分布在A部距離0點(diǎn)50～2210 mm范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)?1.2～1.8 mm密集缺陷，深度700～840 mm，最大反射當(dāng)量為?2.2 mm。首先在待取料部位(圖1長(zhǎng)方形范圍內(nèi))車削減徑至?400 mm，再鋸切取長(zhǎng)約300 mm的圓柱試料標(biāo)記122-a。

減徑過(guò)程中套取試棒，位置分別為轉(zhuǎn)子近表層區(qū)域、R2處。分別標(biāo)記為122-1#、122-2#，并從300 mm的圓柱試料122-a的余料心部區(qū)域切取試料122-3#，如圖2所示。

2 化學(xué)、金相分析結(jié)果

對(duì)122-1#、122-2#、122-3#試棒分別做化學(xué)成分、金相組織、晶粒度和夾雜物分析，見(jiàn)表1、表2和圖3。

表2所示為所套取試棒的夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果。從結(jié)果上看A、B、C類夾雜物的粗系較高，說(shuō)明鋼水的純凈度有待提高。

圖1 缺陷轉(zhuǎn)子超聲檢測(cè)示意圖Figure 1 Schematic diagram of ultrasonic testing of defective rotor

圖2 切取試料示意圖Figure 2 Schematic diagram of cutting and taking samples

表1 試棒的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The chemical composition of the test bar(mass fraction,%)

3 無(wú)損檢測(cè)缺陷取樣分析

3.1 無(wú)損檢測(cè)缺陷定位及取樣

對(duì)圖2中所示圓柱試料122-a再次進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)定位，確定3處待取樣分析的部位，其中A處為?2 mm單個(gè)缺陷、B處為?1.2 mm密集缺陷、C處為?2 mm單個(gè)缺陷。試料無(wú)損檢測(cè)缺陷定位示意圖4。

表2 試棒的夾雜物、金相組織和晶粒度分析Table 2 Analysis of inclusions, metallographic structure and grain size of test rods

(a)122-1#(b)122-2#(c)122-3#

圖4 試料無(wú)損檢測(cè)缺陷定位示意圖Figure 4 Schematic diagram of defect location in nondestructive test of specimens

圖5 內(nèi)含缺陷C試料的斷口宏觀形態(tài)Figure 5 Macroscopic morphology of specimen fracture containing defective C

A處缺陷距離P點(diǎn)48 mm，深度170 mm，距離A點(diǎn)周向距離為0 mm；B處缺陷距離P點(diǎn)50 mm，深度163 mm，距離A點(diǎn)周向距離為90～120 mm；C處缺陷距離P點(diǎn)174 mm，深度140 mm，距離A點(diǎn)周向距離為600 mm。

對(duì)上述圓柱試料繼續(xù)鋸切為試片，其中試片1(122-a1，厚60 mm)內(nèi)含缺陷A和缺陷B，試片2(122-a2，厚40 mm)內(nèi)含缺陷C。對(duì)兩片試片再次進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)定位：試片122-a1字號(hào)部位內(nèi)含缺陷A和缺陷B，但試片122-a2字號(hào)部位區(qū)域內(nèi)含缺陷則變?yōu)槊芗毕?，無(wú)法確定其最大當(dāng)量缺陷，轉(zhuǎn)移打印字號(hào)。

將試片122-a1內(nèi)含缺陷A和缺陷B的部位分別制成金相樣品，按金相法找尋缺陷；將試片122-a2內(nèi)含缺陷C的部位制成兩條斷口樣品，按斷口法找尋缺陷。

3.2 宏微觀缺陷斷口檢測(cè)

將上述斷口試料沿水平線切開(kāi)，各自在字號(hào)處開(kāi)槽，壓制成缺陷斷口樣品，其宏觀斷口形態(tài)見(jiàn)圖5，其中一斷口啟裂區(qū)處隱約可見(jiàn)細(xì)條狀缺陷，在體視顯微鏡下清晰可見(jiàn)，并且還發(fā)現(xiàn)數(shù)條更加細(xì)小的條狀缺陷。

首先在掃描電鏡下低倍觀察，斷口啟裂區(qū)中的細(xì)條狀缺陷清晰可見(jiàn)，長(zhǎng)約1.3 mm，見(jiàn)圖6(a)，繼續(xù)放大觀察發(fā)現(xiàn)上述細(xì)條狀缺陷內(nèi)分布有大小不一的顆粒狀?yuàn)A雜物，見(jiàn)圖6(b)，說(shuō)明上述細(xì)條狀缺陷是由大小不一的顆粒狀?yuàn)A雜物組成的，其缺陷性質(zhì)為夾雜類缺陷。采用能譜儀對(duì)夾雜物進(jìn)行微區(qū)成分分析，結(jié)果顯示大小顆粒夾雜成分均主要為氧和鋁元素，其中大顆粒和少數(shù)小顆粒夾雜中還含有少量的鈣元素，大多數(shù)小顆粒夾雜中還含有少量的鎂元素，見(jiàn)圖7。

(a)50×(b)1000×

(a)斷口啟裂區(qū)條狀缺陷內(nèi)大顆粒夾雜(b)斷口啟裂區(qū)條狀缺陷內(nèi)小顆粒夾雜圖7 夾雜物能譜圖及成分組成Figure 7 Energy spectum and composition of inclusion

對(duì)斷口中其它數(shù)條更為細(xì)小的條狀缺陷也進(jìn)行了放大觀察和能譜儀微區(qū)成分分析，也均為夾雜類缺陷，其夾雜物形態(tài)也均為大小不一的顆粒狀?yuàn)A雜物聚集，其能譜儀微區(qū)成分分析結(jié)果也與上述相同。

3.3 A和B金相樣品微觀檢測(cè)分析

用銑床將A樣品檢驗(yàn)面銑到距無(wú)損檢測(cè)定點(diǎn)?2 mm單個(gè)缺陷2 mm的點(diǎn)位；將B樣品檢驗(yàn)面銑到距無(wú)損檢測(cè)定點(diǎn)密集缺陷4 mm的點(diǎn)位，采取每次磨削0.5 mm，磨拋光后在光學(xué)顯微鏡下觀察尋找缺陷，如此反復(fù)進(jìn)行，直至金相檢驗(yàn)面上顯示出缺陷為止。將A樣品反復(fù)磨第5次，磨削2.4 mm后才開(kāi)始在其檢驗(yàn)面顯示出缺陷，見(jiàn)圖8(a)；將B樣品反復(fù)磨了9次，磨削6 mm也沒(méi)有顯示出缺陷，后放棄。

(a)50×(b)100×

將A樣品在掃描電鏡下觀察，在50倍和100倍率下缺陷清晰可見(jiàn)，尺寸約為0.5 mm，見(jiàn)圖8(b)，繼續(xù)放大觀察，發(fā)現(xiàn)在金相二維面上缺陷呈雜亂曲線交叉密集分布，曲線內(nèi)堆積著大小不一的顆粒狀?yuàn)A雜物，由此確認(rèn)該缺陷的性質(zhì)為夾雜類缺陷。

采用能譜儀對(duì)夾雜物進(jìn)行微區(qū)成分分析，結(jié)果顯示大小顆粒夾雜成分均主要為氧和鋁元素，其中大顆粒和少數(shù)小顆粒夾雜中還含有少量的鈣元素，大多數(shù)小顆粒夾雜中還含有少量的鎂和鐵元素，見(jiàn)圖9，與上述斷口觀察和分析結(jié)果相同。

為了進(jìn)一步評(píng)估缺陷在三維空間的形態(tài)以及缺陷在軸向的長(zhǎng)度是否與超聲檢測(cè)到的缺陷?2 mm當(dāng)量一致或相近。故對(duì)A樣品采取逐次磨削減薄，并經(jīng)磨拋光后在光學(xué)顯微鏡下觀察尋找缺陷，如此反復(fù)進(jìn)行，直至金相檢驗(yàn)面上顯露的缺陷消失為止。以首次顯現(xiàn)缺陷的金相二維面(見(jiàn)圖8)為零距離開(kāi)始，第1次磨削0.6 mm，缺陷仍可顯現(xiàn)出；繼續(xù)磨削1.4 mm，缺陷仍可顯現(xiàn)出；繼續(xù)磨削1.2 mm，缺陷仍可顯現(xiàn)；繼續(xù)磨削1.3 mm，累計(jì)磨削4.5 mm，缺陷仍可顯現(xiàn)。后因金相樣品厚度過(guò)薄而放棄減薄。

金相樣品經(jīng)磨削減薄4.5 mm后，在其金相檢驗(yàn)面上仍可顯現(xiàn)出缺陷，說(shuō)明該缺陷實(shí)際長(zhǎng)度應(yīng)不小于4.5 mm，遠(yuǎn)大于其無(wú)損檢測(cè)到的?2 mm當(dāng)量。

本次解剖的聯(lián)合轉(zhuǎn)子鍛件內(nèi)部無(wú)損檢測(cè)超標(biāo)缺陷，主要為氧化鋁顆粒聚集類夾雜，其中大顆粒和少數(shù)小顆粒夾雜中還含有少量的鈣元素，大多數(shù)小顆粒夾雜中還含有少量的鎂和鐵元素。

(a)金相二維面上缺陷內(nèi)大顆粒夾雜

(b)金相二維面上缺陷內(nèi)小顆粒夾雜

4 改進(jìn)措施

綜合上述生產(chǎn)調(diào)查與解剖分析的結(jié)果，認(rèn)為加強(qiáng)鋼水冶煉、鑄錠生產(chǎn)環(huán)節(jié)的過(guò)程質(zhì)量控制是解決轉(zhuǎn)子質(zhì)量問(wèn)題的關(guān)鍵。另外，對(duì)聯(lián)合轉(zhuǎn)子鍛件煉鋼工藝和操作環(huán)節(jié)提出以下改進(jìn)措施：

(1)冶煉過(guò)程中未人為添加Al元素，為此檢驗(yàn)了合金、脫氧材料中的Al成分。發(fā)現(xiàn)釩鐵、硅鐵、硅鐵粉中有一定的Al含量；后續(xù)生產(chǎn)時(shí)，采購(gòu)了低Al(≤0.50%)含量釩鐵冶煉聯(lián)合轉(zhuǎn)子。

(2)試驗(yàn)使用高鋁渣冶煉聯(lián)合轉(zhuǎn)子。為提高Al2O3夾雜的去除率，決定使用高鋁渣冶煉聯(lián)合轉(zhuǎn)子，后期投料三支試驗(yàn)件，對(duì)比以往大直徑聯(lián)合轉(zhuǎn)子無(wú)損檢測(cè)情況，該三支試驗(yàn)件無(wú)損檢測(cè)質(zhì)量有明顯改善。

(3)后續(xù)生產(chǎn)服務(wù)時(shí)，冶煉澆注前，對(duì)附具和包體進(jìn)行檢查，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)。造渣材料使用前復(fù)驗(yàn)其成分，符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方可用于生產(chǎn)。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)具有代表性的聯(lián)合轉(zhuǎn)子無(wú)損檢測(cè)缺陷進(jìn)行解剖分析，找出了產(chǎn)生缺陷的原因。在鋼水冶煉、鑄錠生產(chǎn)方面采取了一系列工藝改進(jìn)和過(guò)程控制措施。經(jīng)過(guò)后期的生產(chǎn)實(shí)踐證明，上述措施效果良好，基本解決了大型聯(lián)合轉(zhuǎn)子的無(wú)損檢測(cè)缺陷問(wèn)題。