锻模钢的超声波探伤

锻模钢的超声波探伤

作者/国营3007厂/夏纪真
  
摘要
本文阐述了锻模钢超声波探伤的必要性及实施方法和验收标准，并附有部分探伤实例图片。认为锻模钢超声波探伤是保证锻模质量、延长模具寿命的一种成本低廉、行之有效的方法。
正文
在模锻生产中，模具是其中非常重要的一个环节，其工作条件之恶劣，承受应力之复杂，要求之苛刻，是众所周知的。尤其在航空锻件生产中，锻件材料往往是复杂的合金材料，抗变形强度大，因而对锻模的要求就更为严格。
为了提高模具寿命，人们往往重视锻模钢材料的选择、制模工艺、热处理制度的确定等等，而对采用超声波探伤手段剔除影响模具寿命的冶金缺陷等隐患重视不够。实际上，锻模钢中诸如白点、残余缩孔、气泡、夹杂物、翻皮、裂纹、严重疏松等冶金缺陷以及热加工过程中产生的折叠、粗晶等都直接影响模具的寿命，有些甚至在锻模加工或淬火时就引起破损，不但浪费了大量的制模工时和人力，而且常常影响生产计划的按期完成，尤其是形状复杂、加工周期长的模具表现得更为显著。
由于内部缺陷引起模具早期破损的例子很多，仅从我厂实践中举出几例：
（1）三吨模锻锤上一套5CrNiMo镶块模，仅锻造了48件铝锻件就破裂成两半，从断口上可明显见到萘状粗晶。
（2）西德进口的WNr2713棒材（Φ230mm）在锻制模块毛坯时破裂，检查结果为白点。见后面实例照片。
（3）三吨模锻锤上一套5CrNiMo整体模块加工完成后，在淬火时开裂，检查结果为内部缺陷引起。
实例很多，不逐一列举。总而言之，在锻模毛坯阶段先用超声波探伤来剔除的做法，是完全有必要的，上述各种冶金缺陷完全可以用超声波探伤手段来发现。
当锻模已加工出抬模孔、燕尾、止动扣，甚至型腔以后，再进行超声波探伤时，往往因形状的影响而产生变型波、迟到波等干扰，妨碍探伤时的缺陷判别。在毛坯阶段时，因为形状简单（一般为方块或圆饼等形状），大大简化了超声波探伤的操作，并且节省了机械加工的人力、物力。我厂就是在毛坯上直接进行超声纵波脉冲反射法毛面探伤，俗称黑皮探伤。
我厂的锻模钢材料主要是5CrNiMo、3Cr3Mo3VNb、4Cr5W2VSi以及一部分西德的WNr2713和日本的SKT4。模块的种类有13~150Kg的镶块模（本厂自行用电弧炉冶炼、制锭，经开坯锻造制成），整体模（外购毛坯，重量最大约达5吨），还有一部分为外购锻模钢棒材自行改锻成模块，均经超声波探伤合格后才投入制模工序。
我们使用Φ20mm，2.5MHz单直探头，30#~40#机油耦合，接触法。对于方形毛坯，进行X、Y、Z三个相邻侧面扫查（在必要时，如为了确证缺陷位置等，则再加上相对面的扫查）；对于圆饼形毛坯，则以圆周360°和一个平面为扫查面；对于方形或矩形截面的长条钢坯则扫查相邻的两侧面；对于圆截面棒料则沿圆周面360°扫查。三吨锤以上用的大型整体模块毛坯则一般选垂直于金属流线方向的一个大平面为扫查面。上述的探测方向已基本上能保证发现一般常见的冶金缺陷。
在进行超声波探伤前，应清理毛坯表面，除去松动的氧化皮、砂土等污物。毛坯一般是在锻后退火状态下探伤，但对于某些钢种，例如3Cr3Mo3VNb，由于其退火后氧化皮很厚，较难清除，我们也在锻后冷却下来未退火前，只要热处理周期允许的情况下进行探伤（我们发现这样的探伤结果与退火后探伤没有多大差异）。另外，锻模毛坯的表面应当平整，不应有太多的凹凸不平，否则不利于探伤时的声耦合传递，妨碍探伤的正常进行。
由于采用平底孔试块调整仪器灵敏度及评定缺陷大小时，除了平底孔的加工困难以外，所用的试块要求与被检材料同牌号、同规格、同形状与同状态（包括热加工状态和表面状态），并且要制备多种声程、孔径等等，使得试块的制备有许多困难，实际使用起来也极不方便。我们目前均使用汕头产的CTS-8A型便携式晶体管超声波探伤仪，利用该机附带的AVG曲线面板直接在被检模块上调整起始灵敏度和对缺陷作当量评定，操作简便、效果良好。
关于锻模钢超声波探伤的验收标准，我厂的做法是：
（1）3Cr3Mo3VNb锻模钢的超声波探伤已制定了航空工业部标准（HB/Z 5141-80），判废标准为Φ3.2mm直径平底孔当量。
（2）4Cr5W2VSi和5CrNiMo镶块模的超声波探伤验收标准与3Cr3Mo3VNb相同，此外，我们还要求对模块在退火状态下检查粗晶和严重疏松，利用的是底波衰减分贝法。关于这方面的详细介绍可参阅《无损检测》杂志1980年第四期上发表的“用超声衰减法检查锻模钢粗晶”。
（3）对于三吨模锻锤以下的整体模块，主要以JB2674-80为基础，控制在100cm2面积内Φ2~Φ4mm直径平底孔当量的缺陷不超过三个，其中Φ3~Φ4mm的缺陷只允许有一个。对于三吨~十吨模锻锤的整体模块，则控制在100cm2面积内Φ3~Φ6mm缺陷不超过四个，其中Φ6mm缺陷只允许有一个。
此外，当探伤人员有足够的把握确认存在白点、裂纹、缩孔等缺陷时，该模块判废。外购的锻模钢棒材、方钢坯等也按Φ3.2mm直径平底孔当量为判废标准。
探伤实例：

（1）西德 WNr2713 棒材（Φ150mm）中的残余缩孔（长度达半米），照片为未经低倍腐蚀的圆盘锯切割表面。

（2）5CrNiMo镶块模的过热粗晶（锻后退火状态），横向低倍照片

（3）西德 WNr2713 棒材（Φ230mm）中的白点 注：该批棒材共探伤检查13.28吨，发现白点的有4.9吨，占37%，由于开坯锻造前未经超声波探伤检查而造成的锻造工时与人力浪费尚未计入。	横向低倍照片	退火状态断口照片
	端面外观照片	端面外观照片

（4）3Cr3Mo3VNb圆饼形模块毛坯中的残余缩孔，砂轮切割面外观照片

（5）5CrNiMo镶块模毛坯中的白点 注：本厂自炼的5CrNiMo钢原来因白点报废的比率很大，经超声波探伤检查，报废率最高达48%左右，后经改进冶炼、锻造工艺及热处理工艺，经超声波检查以消除了白点的出现。	横向低倍照片
	退火状态断口照片

（6）5CrNiMo镶块模毛坯中的锻造折叠与气泡

折叠的横向低倍照片

气泡的横向低倍照片

（7）西德 WNr2713 整体模在机械加工中暴露出来的缺陷：左图为电火花加工出型腔后暴露出来的夹杂物（层状），右图为车削加工后露出表面的孔洞

（8）5CrNiMo棒材（Φ257mm）中的夹杂物	（9）5CrMnMo棒材（Φ258mm）中的夹杂物
横向低倍照片	横向低倍照片

（10）3Cr3Mo3VNb镶块模毛坯中的翻皮

退火状态断口照片 横向低倍照片

（11）4Cr5W2VSi镶块模毛坯中的粗晶 左为横向低倍照片 右为再经1070℃淬火后的断口照片

（12）3Cr3Mo3VNb镶块模毛坯中的夹杂物，横向低倍照片	（13）5CrNiMo镶块模毛坯中的残余缩孔，横向低倍照片

（14）3Cr3Mo3VNb镶块模毛坯中的碳偏析（方形偏析） 左为横向低倍照片 右为高倍100x照片

我厂对锻模毛坯均100%进行超声波探伤，合格品转入制模工序，模具制成后一般不再探伤，仅在发生破损时以超声波探伤手段辅助判断其翻修的可能性。

从1977~1981年的统计情况来看，共计探伤3Cr3Mo3VNb钢116吨，探伤判废24吨（占21%）；以及5CrNiMo钢140吨，探伤判废30吨（占22%），其他如5CrMnMo、4Cr5W2VSi、WNr2713等未作统计。从数字来看，判废数量是令人注意的，也更说明使用超声波探伤手段来保证锻模钢冶金质量的必要性。我厂从1975年以来至今已探伤锻模钢数百吨，凡经探伤合格的锻模，尚未发现因冶金缺陷而引起的模具早期破损事故。

鉴于超声波探伤方法简便、灵敏度高并且成本低廉，然而大大地节约了制模工时和人力，保证生产顺利进行，并对模具延寿起到了良好的作用，因而其经济效益是显而易见的，确实是一种行之有效的有力措施。

当然，对于延长模具寿命，超声波探伤仅是一个方面，而且我们所采用的方法及验收标准是否完善与合适，还有待时间的检验。上面所述职是我们的一些做法和肤浅的体会，有错误和不当之处恳请批评指正。

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