SA508-Gr.3C12锻件落锤试验不合格原因分析_王培敏.pdf

铸造与锻造C a s t i n g&F o r g i n g2023年 第5期 热加工108SA508-Gr.3C12锻件落锤试验不合格原因分析王培敏无锡市华尔泰机械制造有限公司 江苏无锡 214001摘要：对材质为SA508Gr.3Cl2 锻件调质态（HTMP）及模拟焊后热处理态（HTMP+SPWHT）进行落锤试验，结果在16出现开裂，不满足采购技术条件及标准要求。通过化学成分分析、力学性能试验、金相检测及落锤试验等，寻找造成该不合格项的问题所在，改进工艺，达到保证产品满足技术要求的目的。关键词：SA508Gr.3Cl2 锻件；调质态；模拟焊后热处理态；落锤试验1 序言我公司生产的材质为SA508Gr.3Cl2，规格为外径800mm、内径350mm、高度300mm的锻件，原材料采用电炉冶炼炉外精炼真空脱氢工艺的钢锭。锻件取样后按规定对试样进行调质（HTMP）及模拟焊后热处理（HTMP+SPWHT），然后按技术规格书要求进行理化检验及落锤试验。由于落锤试验不合格，通过从原材料等各个流程进行分析，确定原因，改进了工艺，保证锻件满足使用要求。2 落锤试验对锻件试样按照ASTM E208-062012标准进行16落锤试验1，试样采用P-3型，每种状态的试样数量4个，调质态试样编号L1L4，模拟焊后热处理态试样编号L7L10。试验结果仅L9、L10合格，不符合技术要求，试样形貌如图1所示。a）HTMP（L1L4）b）HTMP+SPWHT（L7L10）图1经落锤试验的试样形貌3 理化检验3.1 化学成分分析从调质态断裂的拉伸试样端部取化学成分分析试样，经过全定量光谱分析，其成品化学成分复验值符合技术要求（要求值）。化学成分分析结果见表1。3.2 力学性能试验对锻件试样调质态（HTMP）和模拟焊后热处理态（HTMP+SPWHT）进行力学性能试验，结果均符合技术规格书要求，其试验结果见表2。3.3 锻件基体金相检测在落锤试验合格与不合格样品中任选一件样品（合格样品编号 O，不合格样品编号X），进行对比金相检测，样品锻件基体的金相检测结果均符合技术规格书要求，检测结果见表3，显微组织形貌如图2所示。铸造与锻造C a s t i n g&F o r g i n g2023年 第5期 热加工109注：非金属夹杂物检测执行ASTM E452018钢中夹杂物含量的评定方法；晶粒度检测执行ASTM E1122012测定平均粒度的标 准试验方法；显微组织检测执行GB/T 132982015金属显微组织检验方法。a）O试样（200）b）X试样（200）图2显微组织 表1SA508Gr.3Cl2化学成分（质量分数）（%）元素CSiMnPSCrNiMo标准值0.250.150.371.121.580.0080.0050.100.250.571.030.400.60检测值0.190.231.420.0030.0020.140.670.46元素VNbCoCuCaBTiAl标准值0.020.010.250.100.0150.0030.0150.040检测值0.0020.010.020.050.00030.00010.0010.002表2锻件力学性能试验结果 项目Rm/MPaRP0.2/MPaA（%）Z（%）（12）KV/J（21）KV/J标准值6207954501635最小平均值68单个最小值68最小平均值48单个最小值41检测值HTMP6354602769126、148、12288、72、66HTMP+SPWHT6254552670146、152、144114、110、98表3锻件样品基体的金相检测结果项目非金属夹杂物/级晶粒度/级显微组织评定 结果ABCD细粗细粗细粗细粗标准要求221.51.55调质组织O检测结果00000000.55.5贝氏体回火索氏体合格X00000000.55.5合格对上述检测结果进行分析，锻件基体的化学成分、力学性能、金相组织等均符合要求，只有落锤试验出现了3/4试样不合格，因此怀疑是落锤试样堆焊层质量不佳对落锤试验结果产生了影响。相关文献2阐述了焊接热影响区对SA508Gr.3C12钢落锤试验产生不良影响的因素，其中马氏体数量较多是其中影响因素之一。相关文献3也发现焊接热影响区对落锤试验的影响很大。铸造与锻造C a s t i n g&F o r g i n g2023年 第5期 热加工1104 落锤试样金相分析4.1 光学金相分析在落锤试验合格与不合格样品中任选一件样品（合格样品编号O1，不合格样品编号X1），重点对堆焊与基体交界的热影响区进行对比金相检测，结果见表4。表4堆焊与基体交界的热影响区金相检测结果编号热影响区深度/mm过热区显微组织过热区晶粒度/级其他O13.37（见图3a）贝氏体+回火马氏体（见图4a）5.5X13.20（见图3b）贝氏体+回火马氏体（见图4b）5过热区有微裂纹（见图5）ChemiSEM LoVac）观察断口并拍摄照片，SEM照片显示，基体过热区中有沿晶断口，并存在二次裂纹（见图7）。a）O1试样图8X2试样过热区中的微裂纹（1000）图9X3试样过热区中的微裂纹（1000）b）X1试样图3焊接热影响区全貌a）断口 b）A部位放大图6X1试样落锤试验断口宏观形貌 a）SEM形貌 b）B部位放大图7X1试样熔合线下过热区SEM形貌（沿晶及二次裂纹）a）O1试样（200）b）X1试样（200）图4过热区显微组织形貌图5X1试样过热区中的微裂纹（1000）4.2 扫描电镜断口分析为观察X1试样落锤试验形成的过热区部位断口（见图6）的高倍形貌，用扫描电镜（型号Axia 4.3 试样扩检 由于抽取样品是随机的，为了证明是否是共性问题，再次任意抽取2件不合格样品，编号为 X2和X3作金相检测和 SEM 照片。检验结果，金相检测发现试样的过热区也有微裂纹（见图8、图9），SEM照片显示的断口特征与X1试样相同（见图10、图11）。铸造与锻造C a s t i n g&F o r g i n g2023年 第5期 热加工1115 分析与结论上述检测结果表明该锻件的落锤试验不合格是焊接操作不当引起的。按照焊接工艺，落锤试样堆焊工艺应采用4mm规格的焊条，按单道双层焊的焊接工艺。但在制作落锤试样时，由于库房缺4mm规格焊条，焊工采用了3.2mm规格的同牌号堆焊焊条，采用了4层焊进行堆焊操作。由于多层焊接速度较快，冷却速度也较快，造成焊接热影响区产生较多的马氏体组织，这与我们的金相检测结果是一致的。但经分析认为马氏体数量较多并不是导致不合格的原因，因为在多层焊过程中，焊道经历了多个焊接热循环过程，过热区的马氏体相当于经历了多次回火，塑韧性会有所提升。所以，本文遇到的问题与相关文献2所阐述的焊接热影响区中马氏体数量较多对SA508Gr.3C12钢落锤试验影响及相关文献3所阐述的焊接热影响区过大对落锤试验影响的原因是不同的。此外，在检查落锤试验试样堆焊层外貌形态时，发现合格的L9和L10样品较之其他不合格的样品要好，这说明样品的堆焊层外观形状对落锤试验结果也有一定的影响。检验发现X1、X2和X3试样焊接热影响区的过热区中均出现了沿晶裂纹，而O试样的过热区中无微裂纹。由此认定落锤试验不合格是过热区存在沿晶裂纹引起的。焊接热影响区位于样品基体，过热区中的沿晶裂纹破坏了金属的连续性，并成为落锤试验过程中基体开裂的应力集中源，落锤冲击力使预制裂纹扩展通过堆焊层，再扩展至基体的焊接热影响区，由于过热区中有开裂源，致使裂纹继续扩展至基体试样棱边而导致不合格。奥氏体晶粒粗大、低熔点元素含量高、应力腐蚀和蠕变等会产生沿晶裂纹，鉴于该锻件基体过热区中不存在这些缺陷，可以排除由于这些因素产生沿晶裂纹的可能。X1、X2和X3试样SEM断口照片所显示的沿晶及二次裂纹形貌具有氢脆特征，而焊接具备产生氢脆的条件，由此认为微裂纹的产生与氢脆有关。焊接产生的氢脆裂纹，与钢中白点裂纹一样，属于延迟裂纹，一般而言，主要是焊接材料中的水分进入焊缝金属中引起的，焊接材料未烘干是主要原因。6 焊接氢脆裂纹产生溯源经调查，制作堆焊试样时恰逢阴雨天，空气中湿度较大。堆焊过程中，焊接材料是放在保温桶内的，但焊工未接通保温桶的电源持续保温，造成焊接材料的含水量增加，在堆焊高温下水分电离分解、氢元素进入了基体过热区而形成了氢脆裂纹。焊接高温下氢由焊缝金属进入母材金属状态如图12所示4。a）SEM形貌 b）C部位放大图10X2试样熔合线下过热区SEM形貌（沿晶及二次裂纹）a）SEM形貌 b）D部位放大图11X3试样熔合线下过热区SEM形貌（沿晶及二次裂纹）图12焊接高温下氢由焊缝金属进入母材金属状态示意7 工艺改进及验证试验为了防止堆焊缺陷的产生，对制作落锤试验样品的工艺作出如下改进。1）试样堆焊层的位置、宽带、高度和外观形状要严格按照ASTM E208-062012标准制作。2）制作落锤试验试样的场地，要保持清洁干燥。铸造与锻造C a s t i n g&F o r g i n g2023年 第5期 热加工1123）保持焊接材料和试块表面的干燥。4）焊条的规格、堆焊层数的选择要按照相关产品的要求。5）如果上述某些条件不能满足，经评估有产生氢致裂纹的可能，要安排对完成堆焊的试块立即进行200400、至少2h的热处理，以降低母材产生氢致裂纹的倾向5。按上述规定，在调质态的样环上重新取样制作P-3型试样4件，进行16落锤试验，结果4件试样均合格，未出现断裂（见图13），产品质量得到客户的认可。图13 4件落锤试验合格的P-3型试样8 结束语锻件落锤试验的目的是测试基体的断裂韧性。本文的分析结果确定锻件基体的断裂韧性是合格的，由于堆焊操作不规范造成落锤试验的不合格，延误了这批锻件的交货期，造成了一定的经济损失。因此，应从中吸取教训，规范各个工序的操作并加强监管，以保证锻件产品及时发货，满足客户使用要求。参考文献：1 ASTM铁素体钢的无塑性转变温度落锤试验方法：ASTM E208-062012SUSA，ASTM，2012.2 郭洋，唐新华，邓胜杰，等焊接热影响区对SA508Gr.3 钢落锤试验影响研究J焊接，2018（7）：24-28.3 郭平，史鼎文，靳海山，等高温气冷堆核电站金属内构件锻件材料12Cr2Mo1落锤试验研究J大型铸锻件，2011（3）：11-18.4 第一机械工业部哈尔滨焊接研究所焊接裂缝金相分析图谱M哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，1981.5 张亚斌，罗英，杨敏，等不锈钢冷堆工艺对SA-508Gr.3 Cl.1钢裂纹敏感性的影响分析J电焊机，2020，50（6）：10-15.20230228 易孚迪感应设备（上海）有限公司 1492 封面伊达新技术电源（昆山）有限公司 1925 封二盐城高周波热炼有限公司 5326 封三北京金威焊材有限公司 1161 封底恒进感应科技（十堰）股份有限公司 1468 前彩 1应达工业（上海）有限公司 1262 前彩 2中国热处理行业协会 8149 前彩 3南通振康焊接机电有限公司 1362 前彩 4中国锻压协会 5699 前彩 5公益广告 8000 前彩 6慕尼黑展览（上海）有限公司 8039 公益广告 8000 正文 132金属加工（热加工）2023 年第 5 期广告目次单位名称 查询编号 位置征稿启事金属加工（热加工）特设感应加热栏目，涵盖感应热处理、感应熔炼、感应透热等领域，并面向广大热加工行业工作者征集优秀稿件，凡内容涉及相关工艺、设备、材料、检测技术、缺陷分析，以及节能环保和生产管理的技术或综述文章均可向我刊投稿。稿件一经录用可优先发表，并选择在金属加工全媒体平台相关微信公众号上发布。投稿路径：1.登录http：/ 网上投稿系统。2.邮箱：。金属加工（热加工）编辑部