45#環(huán)鍛件調(diào)質(zhì)后UT 探傷底波異常衰減分析

文/郭亮，李少雨，王永鋒，吳軍，鄧偉，朱圓圓·中航卓越鍛造（無錫）有限公司

45#屬于中碳鋼，由于其具有較好的淬硬性、塑性和綜合力學(xué)性能，同時價格低廉，易于切削，常作為齒輪、滾圈、軸類和一些結(jié)構(gòu)件的首選材料，被廣泛應(yīng)用于礦山機(jī)械、船舶、液壓設(shè)備、建筑行業(yè)等領(lǐng)域。45#環(huán)鍛件制作的齒圈，由于其工況常受交變載荷和高速轉(zhuǎn)動，其使用壽命與強度和疲勞性能緊密相關(guān)，各行業(yè)對齒圈鍛件探傷要求都很高。我公司生產(chǎn)的一批高度不小于300mm 的45#齒圈經(jīng)調(diào)質(zhì)后靠外圓存在底波異常衰減的情況，不滿足UT探傷要求，制造商和客戶對該類情況不能確認(rèn)是否是缺陷導(dǎo)致，對產(chǎn)品的驗收存在疑義和擔(dān)心。所以，亟需找出45#環(huán)鍛件導(dǎo)致底波異常衰減的原因，避免后續(xù)該類產(chǎn)品出現(xiàn)此類情況，為后續(xù)批量生產(chǎn)制造提供一種解決方案和思路。

鍛件尺寸及相關(guān)技術(shù)要求

技術(shù)要求

齒圈規(guī)格為φ2348mm/φ2100mm×412mm，材質(zhì)為45#。該產(chǎn)品要求整體鍛造，不允許焊接及補焊。原材料為連鑄圓坯，采用轉(zhuǎn)爐(電爐)+爐外精煉+真空脫氣工藝進(jìn)行冶煉，采用連鑄方式制造。

鍛件化學(xué)成分滿足GB/T 699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》的規(guī)定，根據(jù)JB/T 5000.15-2007《重型機(jī)械通用技術(shù)條件 第15 部分：鍛鋼件無損檢測要求》進(jìn)行超聲波檢測，滿足Ⅱ級要求，且底波衰減不能超過10dB。鍛件晶粒度按照GB/T 6394-2017《金屬平均晶粒度測定方法》進(jìn)行檢驗，滿足5 ～8 級。金相組織按照GB/T 13320-2007《鋼質(zhì)模鍛件 金相組織評級圖及評定方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行金相評定，正火后其組織為均勻的鐵素體和片狀珠光體，不允許存在魏氏組織；調(diào)質(zhì)后其組織為回火索氏體。鍛件熱處理要求為正火、調(diào)質(zhì)，調(diào)質(zhì)硬度滿足230 ～280HBW。

形狀分析

產(chǎn)品形狀為環(huán)形鍛件，軸向截面為矩形。其產(chǎn)品交付尺寸如圖1 所示。

圖1 齒圈交付尺寸

新工藝方案

產(chǎn)品經(jīng)鍛造、正火、粗車后探傷，未發(fā)現(xiàn)底波異常衰減情況，調(diào)質(zhì)后粗車至交付尺寸進(jìn)行UT 探傷，粗車過程為產(chǎn)品端面單邊加工2～3mm，內(nèi)孔單邊加工7～8mm，外徑不加工。檢測結(jié)果顯示，靠近內(nèi)孔10～20mm 位置底波衰減超過10dB，不滿足技術(shù)要求。為了消除公司生產(chǎn)的45#齒圈鍛件底波異常衰減情況，后續(xù)產(chǎn)品做了工藝調(diào)整。

試驗材料

試驗材料采用電爐(EAF)+爐外精煉(LF)+真空脫氣(VD)工藝進(jìn)行冶煉，采用連鑄(CC)方式制造。從連鑄圓坯切取20mm的試片進(jìn)行化學(xué)成分檢測，結(jié)果如表1 所示。

表1 45#鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

試驗方法

選取8 件產(chǎn)品規(guī)格為φ2348mm/φ2100mm×412mm 矩形截面45#環(huán)鍛件，采用表2 所示試驗方案進(jìn)行探傷比對。其中4 件調(diào)質(zhì)前粗車至φ2354mm/φ2090mm×417mm，4件調(diào)質(zhì)前粗車至φ2354mm/φ2096mm×417mm。之后，對8 件產(chǎn)品正火后進(jìn)行粗車探傷，經(jīng)調(diào)質(zhì)后外徑不加工,粗車兩平面，粗車內(nèi)孔至產(chǎn)品規(guī)格尺寸探傷，均采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)，記錄底波衰減情況，并分析方案A 和方案B 調(diào)質(zhì)后從內(nèi)孔每加工單邊2mm 后至內(nèi)孔車至規(guī)格尺寸的底波衰減和金相組織。金相組織見圖2。

表2 45#鋼不同狀態(tài)的探傷方案

圖2 45#正火態(tài)、調(diào)質(zhì)后內(nèi)孔單邊粗車2mm、調(diào)質(zhì)后內(nèi)孔單邊粗車8mm 金相組織

試驗結(jié)果

對方案A 和方案B 不同狀態(tài)下的產(chǎn)品進(jìn)行UT 檢測，結(jié)果如表3、表4、表5 所示。根據(jù)表3、表4、表5 結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，方案A 和方案B 正火后粗車探傷、調(diào)質(zhì)后車平面探傷底波衰減均小于10dB，方案A 調(diào)質(zhì)后粗車至規(guī)格尺寸底波衰減大于10dB，方案B 調(diào)質(zhì)后粗車至規(guī)格尺寸底波衰減小于10dB。

表3 45#鋼正火粗車后的探傷結(jié)果/db

表4 45#鋼調(diào)質(zhì)后粗車平面的探傷結(jié)果/dB

對方案A 和方案B 調(diào)質(zhì)后粗車內(nèi)孔，根據(jù)表6不難發(fā)現(xiàn)，方案A 內(nèi)孔粗車單邊8mm 后底波衰減超過10dB，方案B 內(nèi)孔粗車單邊8mm 后底波衰減小于10dB。

表6 調(diào)質(zhì)后每次加工量單邊2mm 并靠近內(nèi)徑探傷結(jié)果/dB

試驗結(jié)果分析

熱處理狀態(tài)對底波衰減的影響

根據(jù)表3、表4、表5 結(jié)果可知，方案A 和方案B 正火后粗車和調(diào)質(zhì)后車兩平面進(jìn)行UT 探傷，不存在底波異常衰減情況，而方案A 調(diào)質(zhì)后粗車至規(guī)格尺寸后出現(xiàn)底波異常衰減情況，方案B 調(diào)質(zhì)后粗車至規(guī)格尺寸后未出現(xiàn)底波異常衰減情況。45#正火后得到的組織為珠光體和鐵素體，組織比較均勻。45#調(diào)質(zhì)后表面所得的組織是回火索氏體和少量鐵素體，但隨著距熱處理表面深度加深，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w+少量鐵素體，甚至變成珠光體和鐵素體組織。

表5 45#鋼調(diào)質(zhì)粗車至規(guī)格尺寸的探傷結(jié)果/dB

文獻(xiàn)表明，超聲波衰減取決于頻率、探測物體的組織結(jié)構(gòu)，其檢測是用脈沖回波的方法測量的。其中，以45#鍛件為例，探測物體的組織結(jié)構(gòu)即是指鍛件晶粒、組織(S、P、F)、均勻性等。

機(jī)械加工余量對底波衰減的影響

根據(jù)表6 可知，內(nèi)徑單邊加工量為6 ～8mm 時，靠近內(nèi)徑位置底波衰減開始出現(xiàn)異常變化；加工量為8mm，鐵素體含量有所增多，但不明顯。根據(jù)淬透性曲線及CCT 曲線，45#小試樣水淬時，淬透層深度在6～9mm 之間；水較淬火液要好；隨試樣直徑增大或產(chǎn)品尺寸變大，冷卻效果變差，產(chǎn)品淬透層深度變小，即對于壁厚大于100mm 環(huán)件，其淬透層深度小于9mm。45#調(diào)質(zhì)后表面加工量超過淬透層深度，金相組織由回火索氏體變?yōu)橹楣怏w+鐵素體。

結(jié)論

⑴在滿足技術(shù)要求的前提下，添加Cr、Ni、Mo等合金元素，以提高材料的淬透性(層深)。

⑵奧氏體晶粒度：增加鋼的奧氏體晶粒尺寸(減少鍛比、提高正火溫度等)，降低臨界冷卻速度，但大晶粒淬火易開裂。

⑶原始組織：細(xì)化組織中碳化物尺寸。

⑷提高淬火介質(zhì)冷卻能力。

⑸產(chǎn)品形狀尺寸：減少內(nèi)徑調(diào)質(zhì)前加工余量，減少淬透層深度加工量。