H13模具鋼鍛件超聲檢測缺陷分析

樊應(yīng)劍 巴鈞濤 康永斌

(中國一重鑄鍛鋼事業(yè)部,黑龍江 齊齊哈爾 161042)

H13對應(yīng)于國標(biāo)牌號4Cr5MoSiV1,是國內(nèi)外廣泛使用的熱作模具鋼,具有十分優(yōu)良的力學(xué)性能,通常在高溫條件下使用,不僅要承受高溫載荷,還要在急冷急熱的環(huán)境中服役,并且還要承受較大的沖擊力,這就對H13模具鋼的要求比較高,H13模具鋼一般要求球化退火后粗加工超聲檢測合格交貨,超聲檢測是非常重要的一道最終檢測項目,如果鍛件內(nèi)部存在夾雜、夾渣、白點、裂紋及縮孔等超標(biāo)缺陷,將會大幅度降低模具的使用壽命,因此對超標(biāo)缺陷進(jìn)行定性分析及判定非常關(guān)鍵,對預(yù)防和控制模具鋼鍛件內(nèi)部質(zhì)量具有極其重要的意義[1]。

近期,我公司H13模具鋼鍛件出現(xiàn)批量超聲檢測不合,缺陷性質(zhì)相似,集中在鍛件心部軸向通長發(fā)現(xiàn)超標(biāo)密集缺陷,缺陷當(dāng)量尺寸?2～3 mm,如圖1所示。

圖1 鍛件缺陷圖Figure 1 Diagram of forging defect

本文主要對超聲檢測不合鍛件解剖分析確定缺陷性質(zhì),并提出改進(jìn)措施,有效地解決H13模具鋼鍛件的內(nèi)部質(zhì)量問題。

1 缺陷分析

1.1 解剖分析

1.1.1 缺陷定位

選取一件超聲檢測不合鍛件,采用超聲檢測對鍛件超標(biāo)缺陷進(jìn)行精確定位,鍛件尺寸?960 mm×1100 mm,距水口端70～900 mm范圍發(fā)現(xiàn)?2～2.5 mm密集缺陷,深度225～560 mm,最大反射當(dāng)量?5 mm,水冒口兩端區(qū)域未發(fā)現(xiàn)缺陷。如圖2(a)所示,缺陷主要位于鍛件心部軸向區(qū)域,在密集缺陷最大反射當(dāng)量處鋸切230 mm×230 mm×200 mm缺陷試料,見圖2(b)。

1.1.2 酸洗

圖3為鍛件心部缺陷部位加工的試料,將缺陷試料徑向及軸向兩面進(jìn)行打磨拋光,軸向圖3(a)、徑向圖3(b)面進(jìn)行酸洗,兩面均未發(fā)現(xiàn)裂紋、白點、縮孔、夾雜、偏析等缺陷。一般疏松0.5級,中心疏松0.5級,無點狀偏析。

1.1.3 著色滲透檢測(PT)

在酸洗后的試料徑向及軸向兩面進(jìn)行著色滲透檢測,圖4中發(fā)現(xiàn)彌散分布多個發(fā)紋狀小裂紋,無方向性,長度2～5 mm。

1.1.4 磁粉檢測(MT)

在試料表面進(jìn)行磁粉檢測,圖5中多處發(fā)現(xiàn)彌散分布的小裂紋,無方向性,長度2～5 mm。

1.1.5 金相分析

在試料徑向面和軸向面各取兩個15 mm×15 mm×15 mm的金相試塊,編號分別為E1、E2、E3、E4,做金相組織、夾雜物、晶粒度、掃描電鏡及能譜分析。E2、E3試樣表面發(fā)現(xiàn)裂紋,長度約4 mm(見圖6),E1和E4試樣表面未發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖5 磁粉檢驗Figure 5 Magnetic particle testing

表1為H13鍛件球化退火后水、冒口心部的金相組織、晶粒度及夾雜物評級結(jié)果。晶粒度按GB/T 6394—2017標(biāo)準(zhǔn)評級均為7.0級;按GB/T 10561—2005進(jìn)行非金屬夾雜物評級,除E2試樣B類細(xì)系為1.0級,其余各類非金屬夾雜物評級均≤0.5級,總和≤1.5級,達(dá)到高級質(zhì)量要求。說明鍛件心部組織及非金屬夾雜物符合技術(shù)要求,與超聲檢測缺陷無關(guān)。

表1 金相組織、晶粒度及夾雜物評級結(jié)果Table 1 Grading results of metallographic structure, grain size and inclusions

如圖7所示,試樣E2、E3裂紋處均存在偏析,裂紋沿試樣面上的偏析區(qū)分布。在試樣偏析區(qū)有大塊黃色相,經(jīng)能譜分析,此相為Cr、Mo、Nb、V元素偏聚處。在試樣E2、E3裂紋處及周圍正常表面處分別做能譜分析,圖7中E2-1和E3-1試樣正常表面未發(fā)現(xiàn)Cr、Mo、V元素偏析,E2-2和E3-2試樣裂紋表面發(fā)現(xiàn)Cr、Mo、V、Nb元素偏析。通過對比,發(fā)現(xiàn)E2、E3試樣裂紋表面有明顯的Cr、Mo、V、Nb元素偏析聚集現(xiàn)象。該材質(zhì)不含Nb元素,在冶煉過程中也未曾添加含Nb的合金及輔料,因感應(yīng)爐采用加氫產(chǎn)品返回廢鋼冶煉,致使H13產(chǎn)品中含Nb元素并且發(fā)生偏析聚集。

1.1.6 斷口掃描電鏡及能譜分析

在試料徑向面和軸向面各取2塊30 mm×30 mm×150 mm的斷口樣,編號分別為1#、2#,做掃描電鏡及能譜分析,結(jié)果見圖8。

如圖8所示,在掃描電鏡下觀察1#、2#樣斷口微觀形貌為解理+準(zhǔn)解理+撕裂嶺韌窩,經(jīng)能譜分析發(fā)現(xiàn)小顆粒碳化物及合金元素Cr、Mo、V、Nb偏聚。

宏觀觀察2個斷口面,發(fā)現(xiàn)2#樣瞬斷區(qū)有兩個裂紋源(一個主,一個次),1#樣瞬斷區(qū)有1個裂紋源。在掃描電鏡下觀察2#樣,發(fā)現(xiàn)2個裂紋源區(qū)域均在斷口面上有許多小顆粒存在,經(jīng)能譜分析小顆粒均為碳化物,斷口微觀形貌為解理+準(zhǔn)解理+斯裂嶺韌窩,主、次裂紋源處小顆粒的能譜分析見圖8(e)、(f),發(fā)現(xiàn)合金元素Cr、Mo、V、Nb富集偏聚。掃描電鏡下觀察1#樣發(fā)現(xiàn)瞬斷區(qū)裂紋源區(qū)域斷口面上也有許多小顆粒存在,能譜分析小顆粒見圖8(a),觀察1#斷口面,發(fā)現(xiàn)斷口面上有3個小區(qū)域斷口的微觀形貌有別于其他區(qū)域,這3個區(qū)域的微觀形貌為準(zhǔn)解理,其余區(qū)域為解理+準(zhǔn)解理十撕裂嶺韌窩,3個區(qū)域的能譜分析見圖8(a)、(b)、(c),發(fā)現(xiàn)合金元素Cr、Mo、V、Nb偏析。

1.1.7 氣體含量

在試料缺陷區(qū)共取4塊試樣做化學(xué)成分及氣體含量分析,如表2所示。從表2可以看出,產(chǎn)品1#、2#、3#、4#樣氫含量超出規(guī)格要求,尤其是1#、2#及3#樣氫含量非常高,分別為3.9×10-6、3.9×10-6、3.3×10-6,而常規(guī)合格產(chǎn)品的氫含量一般在0.5×10-6～1.5×10-6之間。氧含量和氮含量控制理想,符合技術(shù)規(guī)格要求。元素Si出現(xiàn)明顯的燒損,未超出規(guī)格要求,Cr、Mo成分高于電渣錠成分,說明鍛件心部存在Cr、Mo元素偏析。其它元素未出現(xiàn)明顯的偏析,控制理想。由此可見,試料心部缺陷區(qū)域氫含量超標(biāo)嚴(yán)重。

表2 化學(xué)成分及氣體含量分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 2 The analysis of chemical composition and gas content(mass fraction, %)

綜上所述,缺陷性質(zhì)為裂紋,其他內(nèi)容正常,且H含量高出標(biāo)準(zhǔn),基本符合H導(dǎo)致裂紋的條件。

2 分析與討論

由于H13模具鋼鍛件出現(xiàn)批量超聲檢測不合,缺陷性質(zhì)相似,集中在鍛件心部軸向通長發(fā)現(xiàn)超標(biāo)密集缺陷,缺陷當(dāng)量尺寸?2～3 mm,存在共性。通過調(diào)查電極冶煉澆注過程、電渣重熔冶煉操作及工藝執(zhí)行情況,并運用多種檢測手段對鍛件進(jìn)行解剖分析,為缺陷定性提供可靠依據(jù),為解決產(chǎn)品質(zhì)量問題提供保證。

2.1 電極冶煉及電渣重熔分析

2.1.1 電極坯冶煉過程

針對超聲檢測不合的H13模具鋼鍛件,查詢原始爐次電極的冶煉澆注過程、化學(xué)成分及氣體含量。此外,本次超聲檢測不合爐次電極投料集中在7、8月份,正值雨季,初步懷疑鍛件心部氫含量較高產(chǎn)生白點裂紋。經(jīng)查證,電極冶煉澆注過程正常,按工藝規(guī)定執(zhí)行,化學(xué)成分符合工藝要求,但有個別爐次氫含量超工藝內(nèi)控要求,具體見表3。

從表3可以看出,電極的氫含量在(1～1.5)×10-6之間的有5爐,符合工藝內(nèi)控要求(H≤1.5×10-6)。電極氫含量在(1.6～2.0)×10-6之間的有3爐,氫含量較高,超出工藝內(nèi)控要求。因產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求H≤1.8×10-6,且后續(xù)電渣重熔會少量增氫,可能會導(dǎo)致產(chǎn)品氫含量超標(biāo)。

表3 電極氫含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),10-6)Table 3 Electrode hydrogen contents(mass fraction, 10-6)

2.1.2 電渣重熔過程

經(jīng)查電渣重熔操作記錄及現(xiàn)場跟班情況,渣料烘烤、吊渣料到引弧時間、重熔期電制度控制、熔速控制及脫氧制度控制均符合工藝要求,未發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常及違反工藝操作。從H13模具鋼產(chǎn)品研發(fā)試驗到目前為止,工藝參數(shù)未發(fā)生變動,工藝已經(jīng)固化。已完成3000 t的 H13鍛件產(chǎn)品交貨,超聲檢測質(zhì)量好,只有個別鍛件兩端超聲檢測不合(鍛造采用不切電渣錠水、冒口直接進(jìn)行鍛造,粗加超聲檢測后切兩端,最大程度提高鍛件利用率),其余鍛件產(chǎn)品超聲檢測均合格,沒有出現(xiàn)過批量鍛件軸身通長及心部區(qū)域密集缺陷超標(biāo)現(xiàn)象。

2.1.3 電渣錠氫含量

經(jīng)統(tǒng)計電渣錠氫含量,6月份以前冶煉的120爐次氫含量大部分為1×10-6,個別爐次為1.5×10-6。超聲檢測不合爐次集中在7、8月份冶煉,氫含量在(1.4～1.9)×10-6之間,普遍高于其它月份投料爐次的氫含量,說明受雨季影響,電渣重熔過程中出現(xiàn)增氫現(xiàn)象。此外,電渣錠取樣方式為脫模后在錠尾及冒口邊緣氣割試料塊,然后加工成氣體樣,送實驗室檢測氫含量,周期為2～3天。由于受取樣方式及檢測周期因素等影響,電渣錠水、冒邊緣氫含量不能代表實際電渣錠心部的氫含量,心部氫含量會高于檢測數(shù)據(jù)。

通過對電極冶煉澆注、電渣重熔冶煉過程工藝操作的調(diào)查分析,對電極及電渣錠氣體含量的統(tǒng)計分析,以及最后對超聲檢測不合件的解剖分析結(jié)果,討論如下:

超聲檢測不合鍛件原始電極投料集中在7、8月份,正逢雨季,空氣濕度大,在電極澆注及電渣重熔過程中(大氣冶煉)吸潮,使電極和電渣錠自身氫含量增高,進(jìn)而導(dǎo)致鍛件心部缺陷處氫含量高達(dá)3.9×10-6,存在形成裂紋的傾向。

2.2 解剖分析

(1)通過對鍛件心部缺陷部位取樣,進(jìn)行酸洗、PT、MT及金相檢測后,發(fā)現(xiàn)發(fā)紋狀小裂紋。對裂紋金相塊進(jìn)一步能譜分析,發(fā)現(xiàn)裂紋處均存在偏析,裂紋沿試樣面上的偏析區(qū)分布。在試樣偏析區(qū)有大塊黃色相,經(jīng)能譜分析,此相為Cr、Mo、Nb、V元素偏聚處。對金相試樣正常表面進(jìn)行能譜分析,未發(fā)現(xiàn)元素偏析。

(2)斷口樣在掃描電鏡下斷口微觀形貌為解理+準(zhǔn)解理+撕裂嶺韌窩,經(jīng)能譜分析發(fā)現(xiàn)小顆粒碳化物及合金元素Cr、Mo、V、Nb偏聚。

(3)由于H13模具鋼金屬元素含量較高,電渣錠內(nèi)外溫度梯度大,在凝固過程中,電渣錠心部凝固速度慢,在晶界處及枝晶之間最后凝固時易富集Cr、Mo、V元素,發(fā)生成分偏析。電渣錠心部溫度高,冷卻速度慢,凝固時間長,碳化物析出增加,偏析越嚴(yán)重[2]。

綜上所述,分析認(rèn)為,在H13電渣錠心部H含量高的情況下,會在枝晶間元素集聚及碳化物偏析薄弱處釋放應(yīng)力,形成微裂紋。

3 改進(jìn)措施

針對H13模具鋼超聲檢測不合問題,結(jié)合分析結(jié)果,擬對后續(xù)產(chǎn)品工藝采取相應(yīng)措施:

(1)為降低H13電極坯料氫含量,暫時使用40 t精煉爐冶煉電極坯,不能使用130 t精煉爐。

(2)電極粗煉鋼水采用倒包方式熱兌,根據(jù)感應(yīng)爐Si、Mn含量,兌鋼前包底加入一定量的硅錳合金,提前合金化,縮短精煉時間。精煉爐采用石灰、氧化鋁粉及硅石造渣,減小渣量控制渣層厚度,使用Al粉和適量C粉擴散脫氧。破壞真空后至吊包不允許給電,測溫取樣后不允許調(diào)任何合金,要求[H]內(nèi)控≤0.00012%,[O]內(nèi)控≤0.0015%,當(dāng)[H]>0.00012%時需二次真空,嚴(yán)格控制電極本身的氣體含量,為后序電渣重熔留出富余量。精煉爐出鋼時,用氬氣帶通過中注管對整個澆注系統(tǒng)進(jìn)行氬氣置換,注流通過氬氣保護罩進(jìn)行保護直到澆注結(jié)束,要求水口處護板平整,包底壓實氣保罩,嚴(yán)禁注流裸露。

(3)渣料配比稱量后送入加熱爐中烘烤,在700℃及以上烘烤至少12 h后在爐中保溫待用,保溫溫度不低于500℃。待電渣爐具備冶煉條件時,立即吊出渣料送電引弧化渣,縮短渣料與空氣的接觸時間,避免吸潮增氫增氧。

(4)對電渣錠水、冒口進(jìn)行取樣,做化學(xué)成分和氣體含量分析。根據(jù)氫含量分析結(jié)果,對H≤1.5×10-6的電渣錠不執(zhí)行擴氫工藝;H>1.5×10-6的電渣錠執(zhí)行熱處理擴氫工藝。

按上述規(guī)定試行一段時間后,跟蹤后續(xù)電渣錠鍛件(擴氫與不擴氫)的超聲檢測質(zhì)量情況,論證此次超聲檢測不合是否因鍛件心部氫含量過高在元素富集及碳化物偏析薄弱處釋放應(yīng)力,形成微裂紋。

4 結(jié)論

(1)在H13電渣錠心部氫含量高的情況下,會在枝晶間元素集聚及碳化物偏析薄弱處釋放應(yīng)力,形成微裂紋。

(2)通過優(yōu)化電極冶煉澆注、電渣重熔及熱處理工藝參數(shù)后,后續(xù)鍛件超聲檢測合格,從源頭上有效解決了H13模具鋼鍛件質(zhì)量問題。