板材探伤不合格原因的分析

板材探伤不合格原因的分析

张胜铭

青岛卓东机械科技有限公司  山东青岛黄岛  266000

摘要：

为解决7A04铝合金板材A级探伤不合格的问题,对7A04铝合金板材产生缺陷的原因进行分析,通过对缺陷部位的低倍、高倍组织观察及扫描电镜的能谱分析,确定出该探伤缺陷是由于其内部组织中存在夹杂物所致,并从提高熔体纯洁度、改善分配液流的玻璃纤维布质量等方面提出改进措施。

关键词：夹杂物;铸造;探伤;熔体净化;

一批桥梁板材,轧制后有探伤不合格的情况,在检测时发现有裂纹和偏析,而且大多集中在板厚的中心部位,中心部位的碳、硫含量明显高于其他部位。钢板中的碳、硫等元素的偏析往往会影响钢材的性能,如疲劳极限降低、钢板超声波探伤不合格、冲击韧性差等。国内外研究也表明,中心偏析必然会导致钢板性能的变化。碳、硫等元素的偏析是否对板材的探伤合格率造成了影响,为了探讨这个问题,找出造成板材探伤不合格的原因,笔者采用多种实验方法对探伤不合格样品进行了分析,包括原位成分分析、金相、扫描电镜和显微硬度分析等。

7A04铝合金因具有密度小、强度高、加工性能好等优点,主要用于生产薄板和厚板,制造客机、运输机和战斗机的机身蒙皮、上下机翼蒙皮、翼梁、中心机翼结构件和舱壁,是航空航天工业的主要结构材料之一。

1 实验取样和实验结果

分析所用的金相、扫描电镜和显微硬度试样分别为板厚40 mm,板厚25 mm探伤不合格试样。

原位分析所用试样取自冷弯试样夹头部位。显微硬度分析时采用较小的载荷(10g)以减小压痕尺寸,以利于进行微小尺寸组织的检测。此外,为全面了解心部组织的形成,对连铸板坯进行了金相组织检测。

1.1 原位成分分析结果

原位分析成分统计结果见表1。表明碳的偏析较严重,碳的平均含量为0.057%,其最大偏析度为3.44,则偏析处碳含量最大为0.196%,远远大于钢板中的碳含量0.06%,如沿板厚方向的碳元素的分布图1(a)(Y=22.11,Y方向=轧制方向)显示了碳在最大偏析处的分布情况。此外,有害元素硫的偏析也较严重,检查出的硫最大偏析度为1.53,其最大偏析处的元素分布如图1(b)所示。

1.2 金相和扫描电镜观察结果

取探伤不合格样进行金相观察,抛光后用4%硝酸酒精溶液侵蚀,可以明显观察到图2(a)中的组织是钢板的基体组织,为块状铁素体(F)+片层状珠光体(P)组织。而钢板心部组织除F和P外,在扫描电镜下放大2000倍观察的不合格板材心部组织,能看到上贝氏体的羽毛片层形态和粒状贝氏体形态。

1.3 显微硬度检测结果

显微硬度检测结果。对钢板的各种组织进行了显微硬度实验，考虑到显微硬度实验的分散性较大，为得到有说服力的统计结果，在试样的不同位置不同组织处进行多点（每种组织各6点）显微硬度测试，可以明显看出，在偏析带里面的各种组织硬度比偏析带旁侧的组织硬度筒。中心偏析带还出现其他异于图3心部组织的组织形态,即较大量的粒状贝氏体组织,如图5中显微硬度压痕处HV 353;较少量的硬度极高的贝氏体组织如图6中显微硬度压痕处HV 512。中心裂纹旁边偏析带处也有贝氏体组织,如图7所示,硬度为HV 328。

3 试验结果分析与讨论

3.1结论

(1)钢板探伤不合的主要原因是在偏析带形成应力较大的硬脆组织和其间有夹杂物的情况下导致的开裂。如果应力消失，即使有夹杂物，开裂倾向也会大大降低；当然，夹杂物越少越好。

(2)采用钢板缓冷工艺后，芯部韧性组织（F + P)增加，显微裂纹也随之消失。

(3)由于板厚差异和环境温度的变化，钢板冷却速度也会不同。因此，钢板矫直后及时下线尤为重要。

(4)应力和夹杂物均为导致开裂的因素，但主、从地位会因钢种的不同和板厚的差异而发生变化。因此，在解决探伤不合问题时，应首先弄清楚主要矛盾，然后再有针对性地解决。

3.2夹杂物的形成

非金属夹杂物的形成原因可能是以下两种:

一种可能是碳化物在过滤前形成。配料或熔炼时,外来脏物混入金属,与熔融铝作用后碳化,该碳化物粒度小,密度与铝液接近,较柔软,在铝液中以悬浮态存在,可随铝液流动。当碳化物随铝液流动至过滤器位置时,此柔软的碳化物在一定流量的铝液冲击下,随铝液通过40ppi的单级陶瓷片,进入结晶器,并带入铸锭。

第二种可能是在过滤过程中形成。低液位铸造采用玻璃纤维布分配液流,如果所用玻璃纤维布的熔点低于铝熔体的最高铸造温度,且断裂强度低,则该玻璃纤维布在高温铝液的持续冲刷和浸泡下碳化,碳化后强度变低,当其强度不足以抵抗铝液冲刷时,部分碳化的玻璃丝布被撕裂并被带入铸锭,从而形成非金属夹杂。

3.3预防措施

预防措施首先就是尽量减少夹杂物的产生。包括:使用清洁的炉料,熔铸操作中避免氧化膜和其他异物混入熔体,做好熔剂和合金化保护,保证操作工具的干燥和清洁等。

其次要采用合理的过滤手段。因为生产中无论采取何种熔炼手段和措施,熔体被夹杂物污染都是不可避免的。所以铸造前必须对熔体进行有效的净化处理。针对本试验中存在的缺陷

,需要提高过滤质量和过滤精度。可采用过滤精度低的玻璃纤维布过滤和床式过滤、刚玉管过滤或泡沫陶瓷板等高精度过滤方式相结合。选择玻璃纤维布的目的是利用它去除大的夹杂物,避免过多的杂质堵塞过滤系统;在床式过滤、刚玉管过滤或泡沫陶瓷板等高精度过滤方法中,泡沫陶瓷板因使用方便,过滤效果好,价格低等优点,在国内外应用比较广泛。但本试验中因采用的陶瓷板过滤精度略低,因此需要提高陶瓷板的过滤精度,但如单纯提高陶瓷板精度,可能造成陶瓷板堵塞,影响过滤效果。因此建议使用双室双级或单室双级陶瓷板过滤装置,第一级陶瓷板孔径可选用30 ppi～40 ppi,第二级选用50 ppi～70 ppi,则夹杂物颗粒可控制在10 μm以下。

三是选择合适的玻璃纤维布。要提高安装在铸造前流道上或结晶器内玻璃纤维布的熔点和断裂强度,以增强其抵抗拉应力的能力,并防止被高温熔体碳化。

4.解决问题措施

(1)加强铁水脱硫，优化炼钢工艺，有教降低钢中S含量从而减少Mn S夹杂物。

(2)优化板坯连铸工艺，降低钢水过热度，选择合理的拉速和二冷工艺制度，保证良好的铸机工作状态，有效减轻板坯偏析。

(3)加强炼钢原辅料管理，保证材料干燥，条件允许可进行RH精炼脱氢，降低钢中氢含量。

(4)完善板坯加热工艺制度，提高板坯加热质量，在加热环节有效减轻连铸板坯的中心偏析，尽量避免由于中心成分偏析，导致轧后控冷相变时B生成。

结束语

在轧机设备能力允许的条件下.在高温轧制阶段，加大轧制力和轧制扭矩，适当降低轧制速度，以加强变形的渗透，使得板坯心部也能发生充分的变形，减轻心部偏析，同时焊合板坯内部的原蛤裂纹。(6)优化钢板轧后冷却工艺制度，尽量保证冷却均勻，降低钢扳内部应力；较厚规格钢板水冷下线后宜进行堆垛缓冷。

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