底封頭落錘不合格問題研究

辛宇

（駐某地代表室，黑龍江齊齊哈爾 161042）

0 引言

某型厚壁鍛件是船用重要部件，它的質(zhì)量好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的安全性。通過對底封頭落錘不合格問題分析研究，采取改善措施，制造過程工藝得到固化，對同類產(chǎn)品起到了很好的借鑒作用。

1 問題概述

底封頭鍛件是壓力容器項(xiàng)目中的關(guān)鍵件，性能要求較高，落錘指標(biāo)要求RTNDT（基準(zhǔn)無延性轉(zhuǎn)變溫度）不大于-20 ℃，導(dǎo)致本項(xiàng)目性能風(fēng)險(xiǎn)明顯增加。本項(xiàng)目底封頭鍛件爐號為6200491，卡號為2040085。性能熱處理取樣圖如圖1所示，底封頭鍛件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為碗形鍛件，球頂不帶通氣孔，增加了成型難度和熱處理的性能風(fēng)險(xiǎn)。在首次性能熱處理后，底封頭鍛件性能檢驗(yàn)結(jié)果B位置T/4位置落錘不合格，-15 ℃一塊斷裂，其它檢驗(yàn)項(xiàng)目均合格。

圖1 底封頭性能熱處理取樣圖

從整體的性能結(jié)果看，底封頭強(qiáng)度性能結(jié)果和低溫沖擊性能結(jié)果都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并有一定的富余量，落錘RTNDT性能整體偏低，均在-20 ℃斷裂。除B料T/4位置在-15 ℃斷裂一塊外，其它所有位置落錘RTNDT性能結(jié)果剛好滿足要求，B料T/4位置錘在-10 ℃兩個(gè)未斷裂，RTNDT結(jié)果比要求值高出5 ℃。

表1 底封頭關(guān)鍵性能指標(biāo)匯總

說明：落錘RTNDT不大于-20 ℃；晶粒度要求不小于5級。

表2 底封頭化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)%

底封頭化學(xué)成分比較均勻，無異常，均滿足規(guī)范要求。

2 原因分析

2.1 落錘試樣分析

底封頭共A料和B料兩塊性能試料，在每塊性能試料上又分別取內(nèi)T/4、T/2、3T/4等3個(gè)位置試樣，共6組落錘試樣，每組落錘試樣為8個(gè)落錘。針對所有落錘試樣，首先復(fù)查了落錘試樣加工及堆焊加工過程，典型的落錘試樣如圖2、圖3所示。

圖2 底封頭落錘形貌

圖3 底封頭B料落錘斷裂情況

底封頭落錘試樣的焊道按GB/T 6803要求進(jìn)行堆焊，后在專用設(shè)備上進(jìn)行開坡口。堆焊采用專用焊接機(jī)器自動焊接，焊接過程自動化操作，受人為因素影響較小。堆焊后，測量焊道長度和高度滿足要求，不同落錘試樣之間堆焊層均勻一致，未發(fā)現(xiàn)焊道和坡口異常的情況。

2.2 落錘殘樣斷口分析

對于底封頭落錘B料位置落錘試樣斷裂的問題，取底封頭鍛件A料和B料內(nèi)T/4位置落錘殘樣進(jìn)行了斷口觀察，從斷口形貌角度分析引起斷裂的主要原因。

從圖4～圖7中可以看出，A料和B料的2個(gè)落錘試樣斷裂過程的起裂區(qū)均位于焊道熔池線偏向于鍛件母材一側(cè)，具有明顯的起裂源。高倍下觀察起裂區(qū)，呈現(xiàn)明顯的解理+準(zhǔn)解理斷裂形式，在起裂源未發(fā)現(xiàn)冶金缺陷。對比A料和B料落錘試樣斷口可以看出，無論試樣是否斷裂，其起裂源位置和斷裂形式都未發(fā)現(xiàn)明顯區(qū)別，而且在起裂區(qū)均未發(fā)現(xiàn)冶金缺陷。所以從斷口形貌看，冶金缺陷不是造成落錘試樣-15 ℃斷裂的原因。

圖4 底封頭A料落錘殘樣斷口

圖5 底封頭A料落錘殘樣斷口高倍放大圖

圖6 底封頭B料落錘殘樣斷口

圖7 底封頭B料落錘殘樣斷口高倍放大圖

2.3 落錘殘樣組織分析

取底封頭鍛件A料和B料T/4位置落錘殘樣進(jìn)行了金相組織分析，從圖8、圖9可以看出，兩個(gè)殘樣的金相組織均呈現(xiàn)貝氏體回火組織特征，貝氏體組織中上貝氏體數(shù)量偏多，且位向特征比較明顯。同時(shí)在金相組織上未發(fā)現(xiàn)A料和B料T/4位置的明顯組織差異。

圖8 底封頭A料落錘金相組織

圖9 底封頭B料落錘金相組織

文獻(xiàn)[1]～文獻(xiàn)[2]研究數(shù)據(jù)表明，508-Ⅲ鋼鍛件淬火冷卻過程中的冷卻速度影響顯微組織中上貝氏體、下貝氏體和粒狀貝氏體的相對含量，淬火冷卻速度越快則上貝氏體的含量越低，材料韌性越高，而淬火冷速不足容易造成上貝氏體含量偏高，影響材料的低溫韌性，而文獻(xiàn)研究也表明，落錘RTNDT性能對上貝氏體含量最為敏感[3]。圖8、圖9底封頭A料和B料組織中出現(xiàn)較多上貝氏體組織，可以反映出底封頭冷卻過程冷卻速度不足。

2.4 熱處理工藝執(zhí)行分析

底封頭鍛件的性能熱處理工藝如圖10所示，裝爐和熱處理過程如圖11所示。淬火在870 ℃奧氏體化后，浸入水中冷卻到表面溫度不大于70 ℃，隨后在630 ℃回火，回火后出爐空冷。底封頭整個(gè)熱處理過程中敷設(shè)兩支熱電偶，分別敷設(shè)在鍛件的最高和最低部位，確保鍛件在熱處理過程的溫度均勻性。由于底封頭鍛件有效壁厚為150 mm，為了保證大壁厚鍛件的最佳冷卻效果[4]，在φ14 m新水槽進(jìn)行淬火，淬火時(shí)水泵全開，達(dá)到最大循環(huán)量。受底封頭的形狀限制，淬火裝爐和入水過程中碗口朝上，入水后前10 min內(nèi)封頭進(jìn)行上下串動，串動幅度≥1 m，作為壓力容器項(xiàng)目的關(guān)鍵件，我們對整個(gè)淬火過程進(jìn)行了跟蹤記錄，整體工藝執(zhí)行過程滿足工藝要求。

圖10 底封頭鍛件的性能熱處理工藝

圖11 裝爐淬火方式

文獻(xiàn)[5]研究表明，影響鍛件淬火冷卻速度的因素主要是淬火的冷卻強(qiáng)度和壁厚，以及冷卻介質(zhì)在鍛件表面的流動狀態(tài)。底封頭淬火時(shí)的冷卻強(qiáng)度是鍛件表面與水之間的熱傳導(dǎo)和對流傳熱的反映，水從鍛件表面流過，形成紊流邊界層，邊界層的底層以熱傳導(dǎo)傳遞熱量，傳熱很弱。底層以外則靠對流傳熱，傳熱強(qiáng)烈。所以，底層厚度是決定淬火冷卻強(qiáng)度的關(guān)鍵，而水的流速和流向又直接影響邊界層底層厚度，就成了決定冷卻速度的重要參數(shù)。受底封頭結(jié)構(gòu)限制，鍛件直段過長，直段高度達(dá)到500 mm，底封頭碗內(nèi)的水流方向和流動速度極差，而且碗內(nèi)的循環(huán)較差，進(jìn)一步造成碗內(nèi)水溫較高。底封頭內(nèi)壁冷卻效果較差，最終降低了封頭整體的冷卻效果，是造成落錘不合的主要原因[6]。

從性能結(jié)果看，底封頭T/4、T/2、3T/4位置性能結(jié)果中韌性最差位置出現(xiàn)在內(nèi)T/4位置，反映出該位置冷速最低[7]。

2.5 分析結(jié)論

1）通過原因排查，底封頭落錘試樣加工和焊道焊接采用相同工藝執(zhí)行，試樣之間無明顯差異。落錘斷口分析也顯示，未發(fā)現(xiàn)可見的冶金缺陷，證明冶金缺陷不是造成落錘試樣-20 ℃斷裂的原因；2）底封頭金相組織中上貝氏體含量偏高，顯示出冷速不足跡象，是造成底封頭整體落錘性能結(jié)果偏低、個(gè)別位置出現(xiàn)-15 ℃斷裂的主要原因。3）盡管底封頭在工藝上采用了大水槽和最大循環(huán)量進(jìn)行淬火，淬火過程也進(jìn)行了上下串動，但由于底封頭碗形件直段過長，內(nèi)壁冷卻效果較差，造成整體冷速仍不足，冷速最差位置出現(xiàn)在內(nèi)T/4位置附近。底封頭內(nèi)壁冷卻效果差是造成落錘不合格的根本原因。

3 返修措施

通過對底封頭落錘問題進(jìn)行問題定位和原因分析，主要原因是受底封頭結(jié)構(gòu)限制，造成冷卻過程冷速不足，導(dǎo)致整體RTNDT低溫韌性偏低，進(jìn)而B料位置局部RTNDT低溫韌性指標(biāo)低于要求值。

本項(xiàng)目底封頭需要進(jìn)行熱處理返修提升RTNDT低溫韌性，返修措施主要是提升淬火過程的冷卻速度，具體采取以下措施：

1）改進(jìn)淬火冷卻方案，進(jìn)一步增加淬火冷速。由于目前鍛件尺寸和設(shè)備限制，鍛件仍采用碗口朝上的裝爐和入水方式，采用專用輔具，實(shí)現(xiàn)底封頭傾斜裝爐和入水，加快入水后底封頭內(nèi)壁的水流速度。同時(shí)底封頭的串動方式由在水槽中心位置的垂直串動改進(jìn)為“口”字形串動，即鍛件入水點(diǎn)距離水槽中心約3 m，入水后鍛件垂直下降2.0～2.5 m，然后按徑向運(yùn)動3 m后再進(jìn)行提升，并按最大速度進(jìn)行提升和下降，使底封頭碗形件內(nèi)部的溫度較高液體充分排除，降低內(nèi)壁水流的溫度。整個(gè)淬火過程在裝爐前進(jìn)行冷試和演練，確保操作熟練，淬火一次成功。

2）延長淬火冷卻時(shí)間，進(jìn)行深冷處理。由于碗形件冷速較低的特點(diǎn)，單純按壁厚進(jìn)行冷卻時(shí)間計(jì)算，容易造成冷卻出水后心部溫度過高。而且508-Ⅲ鋼碳和合金含量較低，可以進(jìn)行深冷處理。綜合考慮將本次返修的底封頭淬火冷卻時(shí)間延長至原工藝的2.0～2.5倍。

3）從首次檢驗(yàn)的成分和性能結(jié)果看，底封頭鍛件性能均勻性較好，晶粒度達(dá)到7級。在此基礎(chǔ)上，返修熱處理可以提高淬火溫度，延長淬火保溫時(shí)間，以增加合金的溶解，進(jìn)一步提升鍛件的淬透性，盡量減少組織中上貝氏體的含量。同時(shí)適當(dāng)提高回火溫度，適當(dāng)延長回火保溫時(shí)間，使回火充分，提升鍛件的韌性儲備，也促使鍛件性能沿整個(gè)壁厚分布更均勻。

綜上所述，制定底封頭鍛件的返修熱處理工藝，如圖12所示。

圖12 返修熱處理工藝

4 結(jié)語

本次厚壁鍛件制造過程中，在前期產(chǎn)品的基礎(chǔ)上對熱處理工藝進(jìn)行了改進(jìn)。從完成的鍛件數(shù)據(jù)來看，產(chǎn)品一次合格率由原來的70%提高到98%，表明鍛件的質(zhì)量穩(wěn)定性有較大的提升。通過對底封頭落錘不合格問題分析研究，找到了原因，采取了改善措施，固化了制造過程工藝，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，對同類產(chǎn)品起到了很好的借鑒作用。