大型筒體類鍛件是壓力容器鍛件中的關(guān)鍵零部件，除具有尺寸和質(zhì)量大、工序及鍛造加熱次數(shù)多等顯著特點(diǎn)，還需要在大型自由鍛造液（水）壓機(jī)上鍛造。由于生產(chǎn)過程復(fù)雜，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都有可能導(dǎo)致鍛件出現(xiàn)各種缺陷甚至廢品。文中對(duì)某15MnV(IV)大型筒體零件的不合格原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，并提出了改進(jìn)建議。

 

1.大型筒體鍛件15MnV簡(jiǎn)介 

 

1.1 化學(xué)成分

 

筒體零件材質(zhì)為15MnV(IV)，要求符合GB 1591-88《低合金結(jié)構(gòu)鋼》ω中的要求，ω(Ｃ)＝0.12％～0.18％，ω(Mn)＝1.20％～1.60％，ω(Si)＝0.20％～0.55％，ω(Ｖ)＝0.04％～0.12％，ω(Ｐ)≤0.010％，ω (Ｓ)≤0.010％，ω(Ｎ)＝80×10-6，ω(Nb)≤0.06％。

 

對(duì)采購的鋼錠材料進(jìn)行了化學(xué)分析，結(jié)果如下：   ω(Ｃ)＝0.150％，ω(Mn)＝1.280％，ω(Si)＝0.310％，ω(Ｖ)＝0.046％，ω(Ｐ)＝0.008％，ω (Ｓ)＝0.005％，ω(Ｎ)＝50×10-6，ω(Nb)＝0.004％。   

 

通過以上數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，此材料符合相關(guān)的技術(shù)要求。

 

1.2 力學(xué)性能及無損檢測(cè)要求

 

對(duì)該筒體鍛件，要求逐件進(jìn)行力學(xué)性能及超聲檢測(cè)。    

 

力學(xué)性能：Rm≥510MPa，Rel≥350MPa，A≥20％，Kv2≥27J，且其中任何一個(gè)試樣沖擊值不得低于18.9J。     

 

按JB/T 4730.3-2005《承壓設(shè)備無損檢測(cè)第3部分超聲檢測(cè)》要求進(jìn)行超聲檢測(cè)，各類缺陷合格等級(jí)要求：?jiǎn)蝹€(gè)缺陷不大于Ⅱ級(jí)為合格，由缺陷引起的底波降低量不大于Ⅱ級(jí)為合格，在0.5ｍm×0.5mm范圍內(nèi)密集缺陷面積的總和不得超過檢測(cè)面積的2%。

 

1.3 規(guī)格及質(zhì)量

 

 筒體規(guī)格（外徑×內(nèi)徑×長(zhǎng)度）Ф1570mm×Ф1340mm×1653mm，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，鍛件結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

 

鍛件質(zhì)量12.2t，毛坯質(zhì)量14.0t，選用18.5t鋼錠，材料利用率為65%。

 

1.4  鍛造工藝

 

(1)加熱最高溫度1260℃（爐溫），保溫時(shí)間為6h，終鍛溫度須大于750℃，鍛后空冷。

 

(2)鋼錠倒棱、滾圓，拔長(zhǎng)至外徑Ф870mm，按照下料長(zhǎng)度2950mm的要求切割鋼錠的頂部、底部（確保足夠的切除量）。

 

(3)坯料鐓粗至高度約1000mm（此時(shí)坯料最大外徑Ф1300mm），用Ф480mm實(shí)心沖頭雙面沖孔，去除芯料。

 

(4)用Ф450mm芯棒，采用上平下Ｖ型砧，拔長(zhǎng)至1850mm。

 

(5)用寬度為1000mm的上寬平砧，在工藝操作臺(tái)上利用馬杠擴(kuò)孔。

 

(6)找圓、找正，平整后達(dá)到鍛件要求的尺寸。

 

1.5 熱處理工藝

 

該鍛件鍛后熱處理采用正火＋回火。先預(yù)熱到650℃，均溫后保溫1h，再升溫到(910±10)℃，均溫后保溫3h，出爐入水。淬火后進(jìn)行高溫回火處理，回火溫度(630±10)℃，保溫8h，空冷。鍛后熱處理曲線見圖3。

 

1.6 檢查結(jié)果

 

 該鍛件粗加工后進(jìn)行超聲檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在筒體長(zhǎng)度方向接近中心部位沿圓周整體存在嚴(yán)重密集型缺陷，判定為廢品(圖4)。

 

 

2.原因分析

 

2.1 檢測(cè)結(jié)果

 

（1）超聲檢測(cè)　

 

 按照FBH2mm靈敏度測(cè)量出缺陷區(qū)域?yàn)?50mm×120mm，內(nèi)部存在大量密集缺陷，缺陷深度從46～138mm，最大當(dāng)量在FBH8mm左右。

 

（2）磁粉檢測(cè)　

 

  檢測(cè)發(fā)現(xiàn)有3處缺陷裂紋，長(zhǎng)度分別為4mm、2mm、1mm，編號(hào)1?！?＃。

 

（3）腐蝕觀察　

 

低倍試樣在70℃的1:1鹽酸水溶液中腐蝕25min后觀察，試樣表面靠近內(nèi)孔附近存在大量的疏松、孔洞，除缺陷外，試樣其他表面未見異常。

 

（４）斷面金相檢驗(yàn)　

 

  1＃試樣檢查結(jié)果見圖5。

 

從圖中可知，試樣面發(fā)現(xiàn)一條斷續(xù)的長(zhǎng)裂紋（圖5ａ）。腐蝕觀察基體組織為鐵素體＋珠光體，帶狀偏析嚴(yán)重（圖5b）。裂紋沿珠光體帶分布，兩側(cè)組織為鐵素體＋珠光體，裂紋附近不脫碳（圖5c）。2＃、3＃試樣的金相檢驗(yàn)結(jié)果與1＃試樣相同。

 

2.2 原因分析

 

鍛件非金屬夾雜物級(jí)別較低，裂紋內(nèi)及其附近未發(fā)現(xiàn)夾雜且不脫碳，表明材料的純凈度較好，由非金屬夾雜物引起的內(nèi)部缺陷這一可能性基本被排除。缺陷處存在大量碳偏析呈黑白相間分布，并呈嚴(yán)重的帶狀分布，嚴(yán)重的帶狀偏析導(dǎo)致裂紋沿帶狀偏析趨勢(shì)發(fā)展。    

 

碳偏析帶狀組織的形成原因是由于C和合金元素沿鍛軋方向偏析所致，裂紋形成于帶狀組織中的珠光體條帶上，由于珠光體條帶強(qiáng)度高于相鄰的鐵素體。在鍛造變形過程中，由于變形能力及應(yīng)力狀態(tài)不佳，容易在珠光體條帶邊界處萌生裂紋，導(dǎo)致超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重密集型缺陷。

 

2.3  分析結(jié)論

 

(1)零件因內(nèi)部密集型缺陷導(dǎo)致超聲檢測(cè)不合格。經(jīng)過理化分析，此密集型性缺陷不是由于殘余鑄態(tài)組織引起的，而是由帶狀組織與基體組織因塑性變形不同步并在不利的應(yīng)力、應(yīng)變條件下導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋引起的，帶狀組織是產(chǎn)生密集型缺陷的根本原因。

 

(2)原采用的鍛造工藝存在嚴(yán)重缺陷，需要重新修改。

 

3.改進(jìn)措施及實(shí)施

 

3.1 新鍛造工藝制定原則

 

（1）15MnV材質(zhì)含有微量元素V，此元素不僅是強(qiáng)碳化物形成元素，而且也是導(dǎo)致強(qiáng)烈C偏析的元素。在冶鑄過程中容易形成宏觀區(qū)域偏析和樹枝晶偏析，而宏觀區(qū)域偏析無法通過鍛造及熱處理過程消除，可以通過鍛造及熱處理工序減輕或消除枝晶偏析。根據(jù)有關(guān)資料，鋼中VC的初始固溶溫度應(yīng)在900℃以上，這一結(jié)論對(duì)制定該材質(zhì)的加熱規(guī)范以及控制始鍛溫度和終鍛溫度具有重要的指導(dǎo)意義。

 

（2）除了對(duì)原始鋼錠內(nèi)部的C及合金元素的偏析及組織形態(tài)有要求外（這是對(duì)原材料的要求），對(duì)鋼錠的加熱規(guī)范也有一定的要求。根據(jù)相關(guān)資料介紹，鍛造加熱溫度偏低和高溫狀態(tài)下的保溫時(shí)間不足也是導(dǎo)致鍛件很多質(zhì)量問題的重要原因。現(xiàn)代大鍛件鍛造傾向于對(duì)鋼錠進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散加熱，這對(duì)提高鍛件質(zhì)量很有益處。通過高溫?cái)U(kuò)散加熱，使枝晶偏析得到改善并使合金碳化物盡可能多地溶入奧氏體組織。

 

（3）鍛造過程改變。在高溫狀態(tài)（奧氏體）下進(jìn)行的鐓粗—拔長(zhǎng)操作十分重要，且確保鍛比大于5。

 

  此措施有利于破碎帶狀組織，并使斷裂后的粒狀組織盡可能多地溶入奧氏體組織。如果只是進(jìn)行拔長(zhǎng)操作，一個(gè)方向的變形有可能形成連續(xù)的帶狀組織，并最終帶入到鍛件組織中形成缺陷，導(dǎo)致后續(xù)鍛造過程中帶狀組織與周圍邊界產(chǎn)生微裂紋。

 

（4）控制終鍛溫度。終鍛溫度過低，特別是低于VC固溶溫度，在鍛壓力的作用下，V的碳化物大量析出并形成局部區(qū)域C及合金元素的偏析，并在變形力的作用下形成帶狀組織，可能形成內(nèi)部的微觀裂紋。

 

3.2 新修訂的鍛造工藝

 

（1）將鋼錠的初始最高加熱溫度調(diào)整到1280℃（爐溫），最高加熱溫度下的保溫時(shí)間調(diào)整為10h。終鍛溫度須高于860℃，鍛后空冷。

 

（2）拔鉗口—鋼錠倒棱—滾圓—拔長(zhǎng)至外徑Ф880mm—按照下料長(zhǎng)度2850mm的要求切割鋼錠頂部、底部—入爐加熱。

 

（3）按照規(guī)格（外徑×高度）為Ф1300mm×1000mm的要求對(duì)坯料進(jìn)行鐓粗—入爐加熱。

 

（4）用寬度為900mm的上下寬平砧，采用WHF鍛造法強(qiáng)壓拔長(zhǎng)（確保每趟雙面壓下量超過20%）—拔長(zhǎng)至截面Ф850mm—滾圓至外徑Ф880mm。

 

（5）重復(fù)第3步驟。

 

（6）重復(fù)第４步驟。

 

（7）將坯料鐓粗至高度約1200mm，用Ф480mm實(shí)心沖頭雙面沖孔。

 

（8）用Ф450mm芯棒，采用上平下V型砧，拔長(zhǎng)至長(zhǎng)度約1850mm。

 

（9）用寬度為1000mm的上寬平砧，在特定的工藝臺(tái)上用馬杠擴(kuò)孔—找圓、找正、平整至鍛件最終尺寸。

 

（10）成品鍛件置于沙坑中空冷。

 

3.3  新修訂的熱處理工藝

 

鍛后熱處理采用正火（淬火）＋高溫回火工藝，熱處理工藝曲線見圖6。

 

為使鍛后形成的粗大碳化物充分溶解，并在隨后的冷卻中彌散析出細(xì)小的VC，以便獲得細(xì)化并均勻化的組織和晶粒度，同時(shí)考慮到使難溶VC盡可能多地溶入奧氏體，適當(dāng)提高了奧氏體化溫度，由原910℃調(diào)整到930℃。保溫時(shí)間也適當(dāng)延長(zhǎng)，由原3h調(diào)整到5h。鍛件出爐后入水快冷。正火后立即進(jìn)行高溫回火，以便得到珠光體組織，并獲得彌散分布且組織細(xì)密的VC的均勻析出，有利于細(xì)化晶粒。

 

3.4  實(shí)施效果

 

 按照修訂后新的鍛造和熱處理工藝加工了另外1件15MnV(IV)。粗加工后進(jìn)行檢驗(yàn)，超聲檢測(cè)結(jié)果完全滿足技術(shù)要求，力學(xué)性能參數(shù)為Rm＝552MPa、Rel＝358MPa、A＝22％、KV2＝28.5J，且其中沖擊功最小值為22J，晶粒度達(dá)到8級(jí)。

 

4.結(jié)語

 

在隨后15MnV鍛件成批生產(chǎn)中采用新工藝后，再?zèng)]有出現(xiàn)之前類似的超聲檢測(cè)不合格的問題，證明此工藝的合理性及正確性。