SG45圓鋼超聲波探傷不合格原因分析及工藝改進(jìn)

鐘芳華，劉年富，黃鑄銘，吳學(xué)興，鐘 凡

(寶武杰富意特殊鋼有限公司，廣東 韶關(guān) 512123)

非調(diào)質(zhì)鋼是指在中、低碳鋼的基礎(chǔ)上添加微量合金元素(Nb、V、Ti等)，通過(guò)在軋制過(guò)程中控軋控冷，在鐵素體-珠光體組織中彌散析出第二相粒子(VN、TiN和TiCN)來(lái)強(qiáng)化基體，從而達(dá)到或接近調(diào)質(zhì)鋼力學(xué)性能的一類鋼種[1]。由于非調(diào)質(zhì)鋼取消了調(diào)質(zhì)處理工序，減少了熱處理缺陷，提高了材料利用率和縮短了生產(chǎn)周期，非調(diào)質(zhì)鋼在國(guó)內(nèi)外汽車和工程機(jī)械等行業(yè)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[2-5]。非調(diào)質(zhì)鋼從用途上分為鍛造和直接車削用非調(diào)質(zhì)鋼。目前，除汽車制造業(yè)大量應(yīng)用鍛造非調(diào)質(zhì)鋼外，注塑機(jī)、油缸、工程機(jī)械等行業(yè)的桿、軸類件生產(chǎn)制造商都開始逐漸采用非調(diào)質(zhì)鋼替代調(diào)質(zhì)鋼，從而達(dá)到降本增效的目的。鑒于此，一種新型、穩(wěn)定和制造成本相對(duì)低廉、環(huán)境友好型用于油缸和工程機(jī)械(尤其軸類、桿類)等領(lǐng)域的高性能車削非調(diào)鋼應(yīng)運(yùn)而生[5]。

工程機(jī)械油缸活塞桿用非調(diào)質(zhì)鋼不僅對(duì)材料力學(xué)性能要求嚴(yán)格，而且對(duì)材料內(nèi)部和外部質(zhì)量要求高，通常要求材料內(nèi)部探傷結(jié)果符合GB/T 4162 A級(jí)，表面平直度≤1 mm/m。隨著活塞桿規(guī)格的增大，給生產(chǎn)帶來(lái)的挑戰(zhàn)也越來(lái)越高。

本文通過(guò)對(duì)大規(guī)格(φ123 mm)活塞桿用SG45非調(diào)鋼進(jìn)行超聲波探傷，對(duì)超探不合格原因進(jìn)行分析并提出改善措施。

1 情況介紹

某批次生產(chǎn)的φ123 mm規(guī)格SG45圓鋼活塞桿，在精整探傷過(guò)程中超聲波探傷合格率出現(xiàn)異常波動(dòng)，部分爐號(hào)超聲波探傷合格率異常偏低，初檢合格率不到50%。超聲波探傷不合格情況主要分兩種：一種是在圓鋼的兩端部位置出現(xiàn)；另一種是在圓鋼中間部分呈點(diǎn)狀分布。采用便攜式超聲波探傷儀進(jìn)行手工探傷，確認(rèn)不合格噴標(biāo)位置有缺陷見(圖1)。

圖1 SG45圓鋼手工探傷情況Fig.1 Manual inspection of SG45 round steel

2 檢測(cè)分析

2.1 低倍組織

對(duì)超聲波探傷合格率低的φ123 mm規(guī)格SG45圓鋼取樣進(jìn)行低倍組織分析，其中批次A在圓鋼端部不合格位置取樣，批次B在圓鋼中間部位不合格位置取樣，圖2和表1分別為兩個(gè)批次試樣的橫向低倍組織及評(píng)級(jí)結(jié)果?？梢钥闯?，試樣低倍組織符合要求，未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷。圖3為兩個(gè)批次試樣的縱向低倍組織，圓鋼心部位置存在一條黑色的偏析帶。

(a)批次A；(b)批次B圖2 SG45圓鋼試樣橫向低倍組織(a) batch A；(b) batch BFig.2 Transverse macrostructure of SG45 round steel specimen

表1 SG45圓鋼試樣低倍組織評(píng)級(jí)

(a)批次A；(b)批次B圖3 SG45圓鋼試樣縱向低倍組織(a) batch A；(b) batch B Fig.3 Longitudinal macrostructure of SG45 round steel specimen

2.2 顯微組織

采用便攜式超聲波探傷儀對(duì)批次A和批次B超聲波探傷不合格位置進(jìn)行手工探傷確認(rèn)缺陷位置，對(duì)缺陷位置切樣進(jìn)行顯微組織觀察。

批次A缺陷位于圓鋼靠近心部區(qū)域，圖4(a)、4(b)為定位深度處試樣橫截面金相組織，在定位處未發(fā)現(xiàn)缺陷，腐蝕后發(fā)現(xiàn)明顯偏析區(qū)域，偏析區(qū)域內(nèi)組織為珠光體+馬氏體+鐵素體。圖4(b)、4(d)為定位深度處縱截面金相組織，在定位深度處未發(fā)現(xiàn)缺陷，腐蝕后發(fā)現(xiàn)明顯偏析帶，偏析帶組織為珠光體+馬氏體+鐵素體；縱截面正?；w組織為珠光體+鐵素體，見圖4(e)。

(a)(b)橫截面；(c)(d)縱截面；(e)正?；w組織圖4 批次A顯微組織(a)(b) cross section; (c)(d) longitudinal section; (e) normal matrix structureFig.4 Microstructure of batch A

圖5為批次B缺陷定位深度處縱截面金相組織，在定位深度處未發(fā)現(xiàn)缺陷，腐蝕后發(fā)現(xiàn)明顯偏析帶，偏析帶組織主要為珠光體+少量鐵素體，正常基體組織為珠光體+鐵素體。

(a)缺陷處；(b)正常處圖5 批次B縱截面顯微組織(a) defect；(b) normal locationFig.5 Longitudinal section microstructure of batch B

2.3 能譜分析

采用掃描電鏡對(duì)批次A組織偏析位置和正常組織位置進(jìn)行能譜分析，如圖6和表2所示。能譜分析結(jié)果表明組織偏析處的Mn含量高于正常組織處。

表2 圖6能譜分析結(jié)果

(a)組織偏析處；(b)正常組織處圖6 批次A能譜圖(a)organizational segregation；(b) normal structureFig.6 Energy spectrum of batch A

2.4 化學(xué)成分

對(duì)兩個(gè)批次取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表3所示。兩個(gè)批次的化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 SG45圓鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

3 原因分析

從化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果符合技術(shù)要求，可排除由于材料成分原因?qū)е碌奶絺缓细瘛?/p>

超聲探傷不合格圖譜主要呈點(diǎn)狀分布，一種是在圓鋼兩端部；另一種在圓鋼中間部分。在探傷不合格位置取樣進(jìn)行橫向、縱向低倍組織檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)橫向低倍組織未發(fā)現(xiàn)裂紋、縮孔等缺陷，縱向低倍組織發(fā)現(xiàn)探傷不合格位置存在偏析帶。對(duì)探傷不合格位置進(jìn)行定位分析，缺陷位于圓鋼心部區(qū)域，其端部探傷不合格的位置組織為珠光體+馬氏體+鐵素體，圓鋼中間部分探傷不合格位置的組織為珠光體+少量鐵素體。能譜分析結(jié)果顯示組織偏析區(qū)域的Mn含量高于正常組織區(qū)域。

偏析是連鑄過(guò)程中各組成元素在結(jié)晶時(shí)分布不均勻的現(xiàn)象。在連鑄坯冷卻過(guò)程中，高熔點(diǎn)的化學(xué)成分首先在鋼水中凝固成為固體，低熔點(diǎn)的化學(xué)成分隨冷卻溫度的下降而逐漸凝固。由于冷卻速度快，已凝固的化學(xué)成分來(lái)不及擴(kuò)散，造成分布不均產(chǎn)生偏析，偏析破壞了圓鋼的連續(xù)性，影響組織均勻性[7]。軋后冷卻過(guò)程中，在相同冷卻速度下，心部偏析區(qū)域的臨界冷卻速度要低于正常區(qū)域，心部區(qū)域產(chǎn)生珠光體偏聚，而圓鋼端部由于受到鋸切冷卻水的影響，冷卻速度加快，產(chǎn)生了珠光體+馬氏體+貝氏體。

結(jié)合上述分析，連鑄坯存在成分偏析，軋制后圓鋼心部存在組織偏析導(dǎo)致超聲波探傷不合格。

4 改善措施及效果

通過(guò)分析可知，探傷不合格的主要原因是圓鋼存在組織偏析。因此，提高探傷合格率需要從改善偏析入手，優(yōu)化連鑄、加熱、軋制等工藝流程[8]，具體措施：

1)優(yōu)化連鑄結(jié)晶器和末端電磁攪拌電流，增加連鑄輕壓下工藝，連鑄坯下線采用入坑緩冷方式，入坑緩冷溫度≥600 ℃，緩冷時(shí)間≥48 h，促進(jìn)偏析元素?cái)U(kuò)散；

2)軋鋼工序強(qiáng)化加熱控制，開坯機(jī)采用大壓下工藝，增加單道次壓下量，使變形滲入到心部，改善偏析；

3)優(yōu)化鋸切過(guò)程中冷卻水流量和方式，避免冷卻水直接淋到圓鋼端部。

采取上述改善措施后，累計(jì)生產(chǎn)3000t大規(guī)格SG45圓鋼，未出現(xiàn)批量超聲波探傷不合格問(wèn)題。

5 結(jié)論

1)大規(guī)格SG45圓鋼超聲波探傷不合格主要原因是圓鋼心部存在嚴(yán)重的碳、錳偏析，圓鋼鋸切過(guò)程中端部淋到冷卻水，導(dǎo)致端部心部組織為珠光體+馬氏體+鐵素體，中間位置探傷心部不合格位置組織為珠光體+少量鐵素體。組織偏析導(dǎo)致探傷不合格。

2)通過(guò)調(diào)整連鑄電磁攪拌工藝、增加輕壓下工藝，軋制過(guò)程采用大壓下工藝，鋸切過(guò)程中減少冷卻水流量可以降低組織偏析情況，提高超聲波探傷合格率。