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嘉峪檢測網 2025-03-27 14:45
大型筒體類鍛件是壓力容器鍛件中的關鍵零部件，除具有尺寸和質量大、工序及鍛造加熱次數多等顯著特點，還需要在大型自由鍛造液（水）壓機上鍛造。由于生產過程復雜，任何一個環節出現問題都有可能導致鍛件出現各種缺陷甚至廢品。文中對某15MnV(IV)大型筒體零件的不合格原因進行了詳細分析，并提出了改進建議。
1.大型筒體鍛件15MnV簡介
1.1 化學成分
筒體零件材質為15MnV(IV)，要求符合GB 1591-88《低合金結構鋼》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％。
對采購的鋼錠材料進行了化學分析，結果如下： 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％。
通過以上數據對比可以看出，此材料符合相關的技術要求。
1.2 力學性能及無損檢測要求
對該筒體鍛件，要求逐件進行力學性能及超聲檢測。
力學性能：Rm≥510MPa，Rel≥350MPa，A≥20％，Kv2≥27J，且其中任何一個試樣沖擊值不得低于18.9J。
按JB/T 4730.3-2005《承壓設備無損檢測第3部分超聲檢測》要求進行超聲檢測，各類缺陷合格等級要求：單個缺陷不大于Ⅱ級為合格，由缺陷引起的底波降低量不大于Ⅱ級為合格，在0.5ｍm×0.5mm范圍內密集缺陷面積的總和不得超過檢測面積的2%。
1.3 規格及質量
筒體規格（外徑×內徑×長度）Ф1570mm×Ф1340mm×1653mm，結構示意圖見圖1，鍛件結構示意圖見圖2。
鍛件質量12.2t，毛坯質量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），保溫時間為6h，終鍛溫度須大于750℃，鍛后空冷。
(2)鋼錠倒棱、滾圓，拔長至外徑Ф870mm，按照下料長度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（此時坯料最大外徑Ф1300mm），用Ф480mm實心沖頭雙面沖孔，去除芯料。
(4)用Ф450mm芯棒，采用上平下Ｖ型砧，拔長至1850mm。
(5)用寬度為1000mm的上寬平砧，在工藝操作臺上利用馬杠擴孔。
(6)找圓、找正，平整后達到鍛件要求的尺寸。
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 檢查結果
該鍛件粗加工后進行超聲檢測，發現在筒體長度方向接近中心部位沿圓周整體存在嚴重密集型缺陷，判定為廢品(圖4)。
2.原因分析
2.1 檢測結果
（1）超聲檢測
按照FBH2mm靈敏度測量出缺陷區域為150mm×120mm，內部存在大量密集缺陷，缺陷深度從46～138mm，最大當量在FBH8mm左右。
（2）磁粉檢測
檢測發現有3處缺陷裂紋，長度分別為4mm、2mm、1mm，編號1＃～3＃。
（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
1＃試樣檢查結果見圖5。
從圖中可知，試樣面發現一條斷續的長裂紋（圖5ａ）。腐蝕觀察基體組織為鐵素體＋珠光體，帶狀偏析嚴重（圖5b）。裂紋沿珠光體帶分布，兩側組織為鐵素體＋珠光體，裂紋附近不脫碳（圖5c）。2＃、3＃試樣的金相檢驗結果與1＃試樣相同。
2.2 原因分析
鍛件非金屬夾雜物級別較低，裂紋內及其附近未發現夾雜且不脫碳，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，并呈嚴重的帶狀分布，嚴重的帶狀偏析導致裂紋沿帶狀偏析趨勢發展。
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，由于變形能力及應力狀態不佳，容易在珠光體條帶邊界處萌生裂紋，導致超聲檢測發現嚴重密集型缺陷。
2.3 分析結論
(1)零件因內部密集型缺陷導致超聲檢測不合格。經過理化分析，此密集型性缺陷不是由于殘余鑄態組織引起的，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力、應變條件下導致產生裂紋引起的，帶狀組織是產生密集型缺陷的根本原因。
(2)原采用的鍛造工藝存在嚴重缺陷，需要重新修改。
3.改進措施及實施
3.1 新鍛造工藝制定原則
（1）15MnV材質含有微量元素V，此元素不僅是強碳化物形成元素，而且也是導致強烈C偏析的元素。在冶鑄過程中容易形成宏觀區域偏析和樹枝晶偏析，而宏觀區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。根據有關資料，鋼中VC的初始固溶溫度應在900℃以上，這一結論對制定該材質的加熱規范以及控制始鍛溫度和終鍛溫度具有重要的指導意義。
（2）除了對原始鋼錠內部的C及合金元素的偏析及組織形態有要求外（這是對原材料的要求），對鋼錠的加熱規范也有一定的要求。根據相關資料介紹，鍛造加熱溫度偏低和高溫狀態下的保溫時間不足也是導致鍛件很多質量問題的重要原因。現代大鍛件鍛造傾向于對鋼錠進行高溫擴散加熱，這對提高鍛件質量很有益處。通過高溫擴散加熱，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（奧氏體）下進行的鐓粗—拔長操作十分重要，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。如果只是進行拔長操作，一個方向的變形有可能形成連續的帶狀組織，并最終帶入到鍛件組織中形成缺陷，導致后續鍛造過程中帶狀組織與周圍邊界產生微裂紋。
（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整到1280℃（爐溫），最高加熱溫度下的保溫時間調整為10h。終鍛溫度須高于860℃，鍛后空冷。
（2）拔鉗口—鋼錠倒棱—滾圓—拔長至外徑Ф880mm—按照下料長度2850mm的要求切割鋼錠頂部、底部—入爐加熱。
（3）按照規格（外徑×高度）為Ф1300mm×1000mm的要求對坯料進行鐓粗—入爐加熱。
（4）用寬度為900mm的上下寬平砧，采用WHF鍛造法強壓拔長（確保每趟雙面壓下量超過20%）—拔長至截面Ф850mm—滾圓至外徑Ф880mm。
（5）重復第3步驟。
（6）重復第４步驟。
（7）將坯料鐓粗至高度約1200mm，用Ф480mm實心沖頭雙面沖孔。
（8）用Ф450mm芯棒，采用上平下V型砧，拔長至長度約1850mm。
（9）用寬度為1000mm的上寬平砧，在特定的工藝臺上用馬杠擴孔—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小的VC，以便獲得細化并均勻化的組織和晶粒度，同時考慮到使難溶VC盡可能多地溶入奧氏體，適當提高了奧氏體化溫度，由原910℃調整到930℃。保溫時間也適當延長，由原3h調整到5h。鍛件出爐后入水快冷。正火后立即進行高溫回火，以便得到珠光體組織，并獲得彌散分布且組織細密的VC的均勻析出，有利于細化晶粒。
3.4 實施效果
按照修訂后新的鍛造和熱處理工藝加工了另外1件15MnV(IV)。粗加工后進行檢驗，超聲檢測結果完全滿足技術要求，力學性能參數為Rm＝552MPa、Rel＝358MPa、A＝22％、KV2＝28.5J，且其中沖擊功最小值為22J，晶粒度達到8級。
4.結語
在隨后15MnV鍛件成批生產中采用新工藝后，再沒有出現之前類似的超聲檢測不合格的問題，證明此工藝的合理性及正確性。
來源：蘭州蘭石能源裝備工程研
