45-#环锻件调质后UT探伤底波异常衰减分析_郭亮.pdf

锻造与冲压 2023.352Manufacture生产 检验与检测45#环锻件调质后 UT 探伤底波异常衰减分析 文/郭亮，李少雨，王永锋，吴军，邓伟，朱圆圆中航卓越锻造（无锡）有限公司45#属于中碳钢，由于其具有较好的淬硬性、塑性和综合力学性能，同时价格低廉，易于切削，常作为齿轮、滚圈、轴类和一些结构件的首选材料，被广泛应用于矿山机械、船舶、液压设备、建筑行业等领域。45#环锻件制作的齿圈，由于其工况常受交变载荷和高速转动，其使用寿命与强度和疲劳性能紧密相关，各行业对齿圈锻件探伤要求都很高。我公司生产的一批高度不小于 300mm 的 45#齿圈经调质后靠外圆存在底波异常衰减的情况，不满足 UT探伤要求，制造商和客户对该类情况不能确认是否是缺陷导致，对产品的验收存在疑义和担心。所以，亟需找出 45#环锻件导致底波异常衰减的原因，避免后续该类产品出现此类情况，为后续批量生产制造提供一种解决方案和思路。锻件尺寸及相关技术要求技术要求齿圈规格为2348mm/2100mm412mm，材质为 45#。该产品要求整体锻造，不允许焊接及补焊。原材料为连铸圆坯，采用转炉(电炉)+炉外精炼+真空脱气工艺进行冶炼，采用连铸方式制造。锻件化学成分满足 GB/T 699-2015优质碳素结构钢的规定，根据 JB/T 5000.15-2007重型机械通用技术条件 第15部分：锻钢件无损检测要求进行超声波检测，满足级要求，且底波衰减不能超技术部长，工程师，主要从事航空铝合金舱体锻件、风电偏航变浆、盾构机主轴轴承套圈国产化代替进口，新能源电池铜箔用超细晶钛筒等新产品研发、技术攻关和新材料研制工作。拥有发明专利 8 项，实用新型专利 7 项，主编了 2 项团体标准。郭亮53 2023.3 Forging&MetalformingManufacture生产 检验与检测过 10dB。锻件晶粒度按照 GB/T 6394-2017金属平均晶粒度测定方法进行检验，满足 5 8 级。金相组织按照 GB/T 13320-2007钢质模锻件 金相组织评级图及评定方法标准进行金相评定，正火后其组织为均匀的铁素体和片状珠光体，不允许存在魏氏组织；调质后其组织为回火索氏体。锻件热处理要求为正火、调质，调质硬度满足 230 280HBW。形状分析产品形状为环形锻件，轴向截面为矩形。其产品交付尺寸如图 1 所示。探 伤 比 对。其 中 4 件 调 质 前 粗 车 至2354mm/2090mm417mm，4 件调质前粗车至2354mm/2096mm417mm。之后，对 8 件产品正火后进行粗车探伤，经调质后外径不加工,粗车两平面，粗车内孔至产品规格尺寸探伤，均采用统一标准定标，记录底波衰减情况，并分析方案 A 和方案 B 调质后从内孔每加工单边 2mm 后至内孔车至规格尺寸的底波衰减和金相组织。金相组织见图 2。试验结果对方案 A 和方案 B 不同状态下的产品进行 UT 检图 1 齿圈交付尺寸新工艺方案产品经锻造、正火、粗车后探伤，未发现底波异常衰减情况，调质后粗车至交付尺寸进行 UT 探伤，粗车过程为产品端面单边加工 23mm，内孔单边加工 78mm，外径不加工。检测结果显示，靠近内孔 1020mm 位置底波衰减超过10dB，不满足技术要求。为了消除公司生产的 45#齿圈锻件底波异常衰减情况，后续产品做了工艺调整。试验材料试验材料采用电炉(EAF)+炉外精炼(LF)+真空脱气(VD)工艺进行冶炼，采用连铸(CC)方式制造。从连铸圆坯切取 20mm 的试片进行化学成分检测，结果如表 1 所示。试验方法选取 8 件产品规格为2348mm/2100mm412mm 矩 形 截 面 45#环锻件，采用表 2 所示试验方案进行(a)正火态(b)调质后内孔单边粗车 2mm 深(c)调质后内孔单边粗车 8mm 深图 2 45#正火态、调质后内孔单边粗车 2mm、调质后内孔单边粗车 8mm 金相组织锻造与冲压 2023.354Manufacture生产 检验与检测锻件编号从内孔向外第 N 个探头位置当量123Max方案 AA-125.625.225.90.7A-228.424.724.04.4A-328.830.630.41.8A-428.624.826.03.8方案 BB-128.528.027.21.3B-228.026.025.52.5B-325.527.027.11.6B-427.027.027.10.1表 3 45#钢正火粗车后的探伤结果/db锻件编号从内孔向外第 N 个探头位置当量123Max方案 AA-120.720.920.10.8A-221.720.520.61.1A-322.321.521.60.8A-420.721.522.31.6方案 BB-121.522.522.91.4B-222.521.922.10.6B-321.520.821.40.7B-422.521.421.41.1表 4 45#钢调质后粗车平面的探伤结果/dB元素CSiMnPSCrNiCu要求0.42 0.500.17 0.370.50 0.80 0.035 0.035 0.25 0.30 0.25实测0.440.240.640.0180.0050.060.010.02表 1 45#钢化学成分(质量分数，%)正火后粗车尺寸调质后粗车平面尺寸调质后粗车尺寸方案 A2354mm/2090mm417mm412mm2100mm方案 B2354mm/2096mm417mm412mm2100mm表 2 45#钢不同状态的探伤方案测，结果如表 3、表 4、表 5 所示。根据表 3、表 4、表5结果不难发现，方案A和方案B正火后粗车探伤、调质后车平面探伤底波衰减均小于 10dB，方案 A 调质后粗车至规格尺寸底波衰减大于 10dB，方案 B 调质后粗车至规格尺寸底波衰减小于 10dB。对方案 A 和方案 B 调质后粗车内孔，根据表 6不难发现，方案 A 内孔粗车单边 8mm 后底波衰减超过 10dB，方案 B 内孔粗车单边 8mm 后底波衰减小于10dB。试验结果分析热处理状态对底波衰减的影响根据表 3、表 4、表 5 结果可知，方案 A 和方案 B 正火后粗车和调质后车两平面进行 UT 探伤，55 2023.3 Forging&MetalformingManufacture生产 检验与检测锻件编号从内孔向外第 N 个探头位置当量123Max方案 AA-136.718.318.217.5A-235.220.119.715.5A-336.220.118.717.5A-436.319.519.616.7方案 BB-121.522.522.91.4B-222.521.922.10.6B-321.520.821.40.7B-422.521.421.41.1表 5 45#钢调质粗车至规格尺寸的探伤结果/dB文献表明，超声波衰减取决于频率、探测物体的组织结构，其检测是用脉冲回波的方法测量的。其中，以 45#锻件为例，探测物体的组织结构即是指锻件晶粒、组织(S、P、F)、均匀性等。机械加工余量对底波衰减的影响根据表 6 可知，内径单边加工量为 6 8mm 时，靠近内径位置底波衰减开始出现异常变化；加工量为8mm，铁素体含量有所增多，但不明显。根据淬透性曲线及 CCT 曲线，45#小试样水淬时，淬透层深度在 69mm 之间；水较淬火液要好；随试样直径增大或产品尺寸变大，冷却效果变差，产品淬透层深度变小，即对于壁厚大于 100mm 环件，其淬透层深度小于 9mm。45#调质后表面加工量超过淬透层深度，金相组织由回火索氏体变为珠光体+铁素体。结论在满足技术要求的前提下，添加 Cr、Ni、Mo等合金元素，以提高材料的淬透性(层深)。奥氏体晶粒度：增加钢的奥氏体晶粒尺寸(减少锻比、提高正火温度等)，降低临界冷却速度，但大晶粒淬火易开裂。原始组织：细化组织中碳化物尺寸。提高淬火介质冷却能力。产品形状尺寸：减少内径调质前加工余量，减少淬透层深度加工量。加工量02mm4mm6mm8mm方案 A紧靠内孔25.325.325.430.436.7距一个探头位置23.223.223.320.718.3衰减量2.12.12.19.318.4方案 B紧靠内孔23.224.123.7-距一个探头位置22.123.222.4-衰减量1.10.91.3-表 6 调质后每次加工量单边 2mm 并靠近内径探伤结果/dB不存在底波异常衰减情况，而方案 A 调质后粗车至规格尺寸后出现底波异常衰减情况，方案 B 调质后粗车至规格尺寸后未出现底波异常衰减情况。45#正火后得到的组织为珠光体和铁素体，组织比较均匀。45#调质后表面所得的组织是回火索氏体和少量铁素体，但随着距热处理表面深度加深，逐渐转变为贝氏体+少量铁素体，甚至变成珠光体和铁素体组织。