25Cr2Ni4MoV輪盤鍛件傷缺陷性質分析

摘要：材質為25Cr2Ni4MoV的輪盤鍛件，在進行超聲波探傷檢驗時發現有超標缺陷，導致鍛件報廢。本文通過低倍、高倍，以及宏觀斷口等試驗分析，對該輪盤鍛件超聲波探傷缺陷性質進行了分析。分析結果表明，該25Cr2Ni4MoV輪盤鍛件超聲波探傷缺陷性質為白點裂紋。

關鍵詞：25Cr2Ni4MoV 輪盤 白點裂紋 鋸齒狀裂紋

材質為25Cr2Ni4MoV的輪盤鍛件，其生產制造工序為：鋼包精煉→鍛造成型→鍛后正回火熱處理（正火溫度900℃）→粗加工→超聲波探傷檢驗→調質熱處理→取試理化檢驗→精加工→二次超聲波探傷檢驗→磁粉探傷檢驗。在粗加工后進行的超聲波探傷檢驗時，在鍛件內部發現連續性的密集缺陷，缺陷嚴重超標，鍛件依然進行調質熱處理，在精加工后再次超聲波探傷檢驗時，在鍛件內部仍然發現連續性的密集缺陷，因此導致鍛件報廢。本文在該輪盤鍛件缺陷密集性部位套取試棒三根（直徑為Φ30mm），通過低倍、高倍以及宏觀斷口試驗，對該輪盤鍛件超聲波探傷缺陷性質進行分析。

1.試驗方法

將3根試棒磨光后，用50%鹽酸水溶液熱酸腐蝕，進行低倍酸洗試驗，檢查輪盤鍛件的缺陷宏觀形態以及輪盤鍛件的宏觀低倍組織形貌；在經低倍酸洗后的試棒缺陷處切取高倍試樣，磨制后在光學金相顯微鏡下觀察分析缺陷微觀形態，對輪盤鍛件的顯微組織、晶粒度級別、非金屬夾雜物級別分別進行評定，對缺陷與組織的關系進行分析評定；在剩余試棒的缺陷處開槽在260℃保溫3小時后熱打斷口，觀察該輪盤鍛件宏觀斷口形貌。

2.檢驗結果

2.1低倍檢驗結果

3根試棒經磨光后，用50%鹽酸水溶液熱酸腐蝕后檢查，3件試棒上均無明顯的疏松孔洞，未見明顯的偏析，未見明顯的非金屬夾渣等缺陷，但每件試棒上均發現有沿試棒圓周的長短不一的橫向裂紋，裂紋最長約20mm。該輪盤鍛件試棒的宏觀低倍組織形貌見圖1～2。

2.2宏觀斷口形貌檢驗結果

在3件試棒缺陷處的背面開槽，并在260℃保溫3小時，及時從熱處理爐中取出，在落錘斷口試驗機上熱打斷口，試棒的宏觀斷口形貌見圖3，斷口上發現有呈橢圓形的的粗結晶狀斑點，如圖中箭頭所指，由于該斑點區接近于裂紋斷面，在經260℃加熱保溫后，斑點區顏色為呈氧化色（金黃色），斷口面其余區域（正常區）為呈淺灰色的纖維狀形貌。

2.3高倍檢驗結果

在試棒缺陷處切取的高倍試樣，磨制其試棒軸向面，未經腐蝕在光學金相顯微鏡下觀察，裂紋微觀形態見圖4，裂紋首尾相連，斷續相交，并相交成一定角度（約120°），呈鋸齒狀形貌，裂紋內及附近均未見非金屬夾雜物；該輪盤鍛件的非金屬夾雜物級別按GB/T 10561-2005標準評定，硫化物類、氧化鋁類、硅酸鹽類、球狀氧化物類、單顆粒球狀氧化物類等各類非金屬夾雜物均未超過1.5級；經4%硝酸酒精溶液腐蝕后在光學金相顯微鏡下觀察，該輪盤鍛件顯微組織為調質熱處理后的正常組織，即回火索氏體組織，裂紋附近未見氧化脫碳現象，也未見塑性變形痕跡；經飽和苦味酸水溶液腐蝕后在光學金相顯微鏡下觀察，材料的晶粒度按GB/T 6394-2002標準評定為5.0級，裂紋既有穿晶形態，也有沿晶形態，裂紋穿過現有晶界，即裂紋兩側晶界一致，見圖5。

3.分析

3.1低倍檢驗證實，試棒上存在數條裂紋，長度約20mm，這些裂紋在進行超聲波探傷時必然引起缺陷波的反射，這就是說，該25Cr2Ni4MoV輪盤鍛件超聲波探傷超標缺陷就是鍛件中的裂紋。

3.2在我國國家標準《GB7232-87金屬熱處理工藝術語》中有明確地規定：白點裂紋是鋼中因氫的析出而引起的一種缺陷，在縱向斷口上，它呈現接近圓形或橢圓形的銀白色斑點。從該輪盤鍛件的裂紋微觀形態來看，裂紋首尾相連，相交成一定角度，呈鋸齒狀，這是白點裂紋微觀形態的典型特征；從宏觀斷口形貌來看，斷口中有橢圓形的呈粗結晶狀斑點，由于斑點接近裂紋斷面，顏色上呈金屬氧化色，但仍可以肯定，斷口形態具有白點斷口的特征。上述事實就可以證明，該25Cr2Ni4MoV輪盤鍛件超聲波探傷超標缺陷性質為白點裂紋。

3.3據有關資料介紹[1-7]，白點是由于鋼中氫和組織應力熱應力共同作用的結果，這里的組織應力不僅指奧氏體轉變為馬氏體形成的內應力，還包括奧氏體轉變為珠光體形成的內應力。因此，不僅鍛后空冷至300℃以下易產生白點，空冷至300℃以上，600℃以下也很可能產生白點。氫氣和組織應力產生白點的原理大致如下：1）鋼中含有氫時，使鋼的塑性降低。當含氫量達到某數值時，塑性急劇地下降，造成氫脆現象。尤其當鋼內長時間存在應力的情況下，氫可以擴散到應力集中區（間隙溶解的氫原子有集中到承受張應力的晶格中去的傾向），并使其塑性下降到幾乎等于零。在應力足夠大時就產生脆性破斷；2）煉鋼時鋼液中吸收的氫，在鋼錠凝固時因溶解度減少而析出。它來不及逸出鋼錠表面而存在于鋼錠內部空隙處。壓力加工之前加熱時，氫又溶于鋼中，壓力加工后的冷卻過程中由于奧氏體分解和溫度降低，氫在鋼中溶解度減少，氫原子從固溶體中析出到鋼坯內部的一些顯微空隙處。氫原子在這里將結合成分子狀態，并產生相當大的壓力（當鋼中含氫量為0.001%，溫度為400℃時，這種壓力可高達1200MPa以上）。另外，氫與鋼中的碳反應形成甲烷（CH4），也造成很大的分子壓力；3）鋼坯在冷卻過程中因相變而造成的組織應力在一定條件下可達到相當大的數值（樹枝狀偏析愈嚴重、冷卻速度愈快、淬透性愈好的鋼，組織應力就愈大）。因此，鋼氫脆失去了塑性，在組織應力及氫析出所造成的內應力的共同作用下，使鋼發生了脆性破裂，這就形成了白點。壓力加工過程中不均勻變形經起的附加應力和冷卻時的熱應力對白點形成也有一定影響。

3.4從圖5可知，裂紋兩側晶界一致，裂紋穿過現有晶界，即現有晶界形成在前，裂紋形成在后，而現有晶界是正火熱處理加熱時重結晶的形成的晶界，這就是說，白點裂紋是在正火熱處理加熱完成之后形成的，即正火之后冷卻過程中組織應力的作用下產生的。產生白點裂紋的原因，可能認為該輪盤鍛件用鋼是經過鋼包爐精煉的，因此正火的加熱、保溫和冷卻沒有考慮到應該有去氫效果，如此在正火冷卻時鍛件內氫的聚集應力和冷卻組織轉變應力的作用，就產生了上述白點裂紋。

3.5形成白點裂紋的因素很多[1-7]，除鋼中的氫含量以及應力外，主要有以下幾方面：（1）鋼水純潔度；（2）鋼中敏感元素含量；（3）鋼中偏析；（4）鋼中的疏松孔洞；（5）鍛件尺寸。從該輪盤的各項試驗分析結果來看，該輪盤鍛件直徑很大，幾乎達到1米，屬于典型的大鍛件，另外該輪盤鍛件材質為25Cr2Ni4MoV，白點裂紋敏感元素Cr、Ni、V等含量相對較高，該鋼中屬于白點敏感性鋼種，因此，對于該輪盤鍛件來，鍛件尺寸和敏感元素含量是無法避免的，而鋼中的組織偏析，疏松孔洞以及純潔度均不嚴重。因此，避免白點裂紋的產生，關鍵還是在于降低鋼中氫含量，或者在鍛后增加去氫熱處理工藝，同時要減小鍛后冷卻的組織應力。

4.結論

25Cr2Ni4MoV輪盤鍛件超聲波探傷缺陷性質為白點裂紋。

5.預防措施

避免該輪盤鍛件白點裂紋的產生，關鍵還是在于降低鋼中氫含量，或者在鍛后增加去氫熱處理工藝，同時要減小鍛后冷卻的組織應力。

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