套圈锻钢件具有韧性高、组织合理、互换性好、工作寿命长等特点，被广泛应用于船舶、机械制造、军工、压力容器等行业，是国民生产制造中不可缺少的重要零部件。某公司使用ϕ800mm的AISI 4130铬钼合金钢连铸圆坯锯切下料，锻打成套圈锻钢件下环套毛坯，粗加工后检验3件下环套毛坯，发现其中有2件超声检测不合格，影响了锻钢件的使用安全。
研究人员采用化学成分分析、渗透检测、金相检验、扫描电镜(SEM)和能谱分析等方法对缺陷位置进行分析，找出了锻钢件缺陷及其产生原因，提出了相应的改善措施，提高了产品的合格率。
对2件不合格下环套毛坯进行超声检测，检测位置为两平面和外圆面位置，发现一件上存在密集型缺陷，另一件上存在单个缺陷。密集型缺陷位于锻钢件内部凸台A的半周区域，深度为60~150mm；单个缺陷位于锻钢件凸台A的半周区域内，深度为65~115mm。缺陷所在位置整体及局部如图1所示。下环套生产工序为：下料→锻造→锻后正回火→粗加工→调质。
1、 理化检验
1.1 化学成分分析
下环套的材料为4130铬钼合金钢，其化学成分分析结果如表1所示，由表1可知：其化学成分符合标准要求。
1.2 低倍检验
采用超声波检测方法定位缺陷，对缺陷部位进行渗透检测，发现长度为1~2mm的细小裂纹状缺陷，对该缺陷进行低倍检验，结果如图2所示。
1.3 金相检验
制备密集型缺陷和单个缺陷的金相试样，将其置于光学显微镜下观察，结果如图3所示。由图3可知：密集型缺陷主裂纹宽度较大，两端延伸部位有细小裂纹，应为扩展裂纹，裂纹长度为1145μm，裂纹内部及两侧未见氧化脱碳现象，裂纹两侧区域存在夹杂物，夹杂物级别为1.0级；单个缺陷与密集型缺陷类似，主裂纹宽度也比较大，两端延伸部位有细小裂纹，裂纹长度为1044μm，裂纹内部及两侧未见氧化脱碳现象，裂纹两侧区域存在夹杂物，夹杂物级别为1.5级。在远离裂纹的其他基体区域均未发现夹杂物聚集。
1.4 扫描电镜和能谱分析
在裂纹处截取试样，将其置于扫描电镜下观察，裂纹两侧及邻近区域均存在大量的夹杂物，将试样沿裂纹断开，观察断口，结果如图4所示。由图4可知：密集型裂纹缺陷断口可见夹杂物聚集，且裂纹呈放射状。对夹杂物进行能谱分析，结果如表2所示，由表2可知：图4中灰白色夹杂物为NbC，深灰色夹杂物为MnS。
2、 综合分析
下环套超声检测不合格的主要原因是其内部存在裂纹状缺陷，密集型缺陷和单个缺陷的宏观表征均为裂纹，母材连铸坯内部存在大量夹杂物，这些夹杂物的主要组成元素为碳、镍、硫和锰等。Smith提出了边界夹杂物开裂的强度断裂理论，锻钢件在锻造碾轧过程中，硫化物夹杂聚集，边界形成应力集中，当应力超过材料强度时，形成原始微裂纹。MnS轧制后易沿轧制方向延展成为大尺寸长条状夹杂，易成为裂纹源。在锻造过程中，这些夹杂物割裂了基体的连续性,无法通过锻造被锻合，导致形成夹杂裂纹，裂纹尖端在后续的热处理及冷却过程中继续扩展，裂纹的缺陷当量变大，使得下环套超声波检测无法满足检验标准的要求。密集型缺陷和单个缺陷夹杂裂纹均分布在锻钢件轴心处凸台的一侧，并非大面积分布，这是由于钢液凝固时夹杂物富集在连铸坯中心区域，锻造冲孔时偏离了几何中心，导致一侧的缺陷没有冲掉。
夹杂物的来源为：(1)硫化物系夹杂物MnS主要由钢液内脱硫反应产生。连铸坯凝固过程中，随着温度的不断下降，Nb元素和C元素在固-液界面前富集，生成液析NbC；(2)锻造工艺不合理，锻造制坯冲孔采用实心冲，连铸坯中的夹杂物残余在锻钢件靠内孔侧,在锻造过程中夹杂物未破碎，比较完整地保留下来。
在钢锭锻造过程中，容易在不变形或难变形的夹杂物基体金属之间产生空隙，形成孔洞。
3、 结语及改进措施
下环套超声检测不合格主要原因是锻钢件中存在夹杂裂纹，夹杂物主要是MnS、NbC。
通过以下4点工艺来改进下环套的内在质量。
(1)采用低温浇铸、结晶器电磁搅拌、二冷配水控制、凝固末端电磁搅拌以及动态轻压下技术等减轻连铸坯中心偏析。
(2)消除树枝晶并细化铸锭心部的奥氏体晶粒，是细化液析NbC的有效方法。
(3)控温控轧，改进锻造工艺。保证锻造温度，改善铸坯内部组织，使其在均热炉中的加热时间延长20min；控制轧制温度,MnS夹杂物在1000~1050℃条件下发生变形，可以减小MnS的长宽比，改善钢的横向性能；初始阶段要增大压制力，增加锻造比，使聚集在晶界的碳化物、非金属夹杂物发生改变。
(4)优化锻后热处理工艺。延长热处理保温时间，使长条状MnS逐渐碎化；为控制MnS夹杂物的尺寸，热处理温度宜选择900~1300℃。
经过上述优化后，超声检验合格率达到了100%。
作者：黄鑫，马苏，卞继杨
单位：张家港中环海陆高端装备股份有限公司
来源：《理化检验-物理分册》2023年第12期
