水电用大型厚壁环锻件探伤缺陷分析

温培建，程 林，高 山，王素娟，任丽芹

（金雷科技股份公司，山东 济南 250000）

两支63 t的A668钢锭锻造的大型厚壁环锻件，经冶炼-锻造-锻后热处理，粗加工后进行UT探伤。端面检测，距外圆300 mm，深度90～750 mm，宽400 mm环状区域，缺陷密集，当量Φ3～Φ6，超标，判定不合格。两支锻件UT探伤均不合格，且缺陷位置、分布基本相同，呈环形。于是从两支锻件选取一支锻件解剖取样，进行缺陷分析。

两支锻件UT探伤均不合格，且缺陷位置、分布基本如图1所示。

图1 探伤缺陷示意图

2.1 解剖取样

根据探伤报告，划线锯切。锯开截面后，探伤人员再次探伤，确认缺陷位置，取探伤缺陷试块。在缺陷试块上取横向、纵向低倍试块。

2.2 试验结果

2.2.1 低倍检验

低倍检验结果：组织整体不致密，疏松点大而排列紧密，呈蜂窝状，评级一般疏松4.0级。

2.2.2 化学成分

在横向低倍试块上取样，进行成分、气体、金相、夹杂物分析。成分和气体含量见表1。

表1 化学成分检验数据（质量分数）%

检验结果：检验缺陷密集区域成分，C含量超上限；
成品氢元素含量（0.91～1.32）×10-6，不同位置氢元素稍有差异；
氧、氮较稳定，重复性好。

H是否会引发缺陷，主要从以下几个方面考虑：钢种的成分是否对H敏感，这是对材料的认识和理解，A668是C-Mn钢，从成分上可判断对H不敏感；
对于白点的预防，一般是通过扩氢热处理来解决，一旦发生了白点没有办法补救。

氢压理论Bennek等提出，并由Zapffe进一步完善［1］。氢压理论认为，钢中产生氢脆损伤的一个重要原因是内部微孔隙中高强氢压的存在［2］。氢的溶解度随温度而降低，冷却过程析出氢原子，在晶界薄弱处析出，达到一定数量后结合成氢分子，体积膨胀形成巨大内应力。持续升高的内应力导致裂纹萌生，即为白点。

2.2.3 高倍检验

金相检验结果见图2。检验结果：金相组织为珠光体+铁素体，缺陷3组织异常，发现较明显的针片状铁素体，疑是魏氏组织。

图2 金相组织200×

魏氏体组织有两种［3］：一种是由于过热而引起的奥氏体晶粒粗大，从粗大的奥氏体晶界向晶内长大的羽毛状铁素体，这种组织危害很大；
另一种是从奥氏体晶界和奥氏体晶内自由生长的针状铁素体，这种组织的奥氏体晶粒不粗大，对材料的性能基本无影响。魏氏体对材料性能的影响，主要是奥氏体晶粒粗大，粗大魏氏体组织严重切割基体，使钢的强度和冲击韧性显著降低。

夹杂物检验结果见图3。存在D类、DS类夹杂，其中多处D类1级，夹杂物较严重处DS类1.5级。

图3 夹杂物检验结果

冶炼用精炼渣系成分见表2，渣系属于高碱度渣系。

表2 精炼渣系（质量分数）%

高碱度渣系对去除B类夹杂物非常有利，但对D类和DS类去除效果不很理想。高碱度渣系，CaO活度大，在VD过程会发生少量的C还原渣中CaO的反应［4］：被还原的Ca与钢液中的Al和O结合生成球状氧化物mCaO·Al2O3，若Ca与钢种S结合，会生成变形能力差的CaS。因此，要解决球状夹杂物的问题，就要减少钢种的含Ca量，降低渣中CaO的活度。降低CaO活度最有效的方法是增加渣中SiO2的含量。根据CaO-SiO2二元相图，当C/S＞3时，就会有自由CaO的存在，最好控制在2～3。所以要根据冶炼的钢种技术要求来选用不同碱度的渣系。

芯棒拔长-镦粗-扩孔成型，注意保温时间和每火次的变形量。芯棒拔长过程严格控制压下量和进给量，保证压实锻透。变形简图如图4所示。

图4 拔长变形图

镦粗过程，为防止内孔变形和产生折叠，选用局部镦粗的变形方式，见图5。注意变形量和内孔的变化，出现倒梯形后及时翻面；
最后一火次根据变形量的大小，调整保温温度和时间，避免晶粒粗大。通过高温扩散和大压下量锻造方法，将缺陷消除。

图5 局部镦粗布砧方式示意图

通过锻件解剖取样，进行试验分析，发现UT探伤不合的主因是疏松，锻造过程未压实锻透。通过对试验结果进行分析，如大型钢锭偏析、氢诱导缺陷、魏氏体组织认识和渣系对夹杂物的影响进行讨论。另一件制定返锻方案，回炉重锻，锻后探伤满足客户要求，已成功交货。