20SiMn钢水轮机主轴超声波探伤不合格问题解析

王勇胜　工程师
（东北特钢集团大连特殊钢有限责任公司）

　　水利发电关键部件——水轮机
　　由于具有清洁性及能源可再生性的优势，水利发电历来在能源行业具有举足轻重的地位，其关键部件为水轮机。20SiMn钢水轮机主轴在各大水电站中普遍使用，其内部质量直接关系到发电机组的平稳、安全、高效运行。

　　背景
　　某厂生产的外径800mm的20SiMn钢水轮机主轴制造过程如下：高炉铁液→转炉初炼→钢包精炼炉（LF）精炼→钢液真空循环脱气装置（RH）脱气→模铸37吨钢锭→8000吨快锻机锻造→热处理→超声波探伤。

　　在对成品的超声波探伤中发现报废性缺陷，探伤结果显示在锻件内部一环状区域存在伤波大于底波情况，超声波随深度增加呈逐步衰减波形，没有底波反射，换一探伤角度，情况重复出现，遍布锻件长度方向。

　　今天我们将查明该锻件超声波探伤不合格的原因，为今后生产提出预防和解决措施。

 　　理化检验
　　1.定位解剖及酸浸低倍检验

　　对20SiMn钢水轮机主轴超声波探伤不合格的位置进行定位解剖，经酸浸低倍检验后发现与探伤描述相符的缺陷，环状区域如图1所示，在中部环状区域内出现大面积疏松点，其级别按照GB/T1979-2001可达到4.0级。

　　对疏松位置局部放大观察可见，疏松点是由尺寸更小的圆形孔洞密集排列形成的，如图2a）所示。

　　此外，在低倍试样心部出现了密集分布的裂纹，且裂纹无明显方向性，如图2b）所示。

　　2.断口扫描电镜及能谱分析

　　对图1所示低倍试片A和B两处进行锯切，制成200mm×20mm×15mm（长×宽×厚）的条形试样，并在其背部刻出一深3mm、宽3mm的槽后在落锤试验机上打开形成断口。断口扫描电镜（SEM）形貌见图3a），可见断口上存在不规则孔洞，且孔洞内壁粗糙，无明显方向性。此外，在解理断口上还发现有贯穿的夹杂物条带，见图3b）；能谱（EDS）分析其主要成分为MnS，见图3c）。

　　3.金相分析

　　对图1所示A处取样制备横向金相试样，其抛光态形貌见图4a）。在图1所示B处取样制备金相试样，，其抛光态形貌见图4b），经4%（体积分数）硝酸酒精侵蚀后的显微组织形貌见图4c）。在横向金相试样中发现孔洞内部附有浅灰色夹杂物，且在裂纹内部也存在大量同样夹杂物，此外还发现金黄色的TiN夹杂物，在裂纹两端可见明显的应力裂纹。

 　　综合分析
　　1.超声波探伤及酸浸低倍检验结果分析

　　超声波探伤主要是利用超声波穿过钢件后形成不同的波形来判断钢件内部质量的一种无损检测方法。声束进入锻件内部后，在缺陷界面边缘发生反射，并在荧光屏上形成脉冲波形，检测人员可根据波形来判断缺陷位置和大小。由于20SiMn钢水轮机主轴超声探伤缺陷属于通长缺陷，且位于中部环状区域内，一般情况下这类问题是由于钢锭本身大范围缺陷造成的。对20SiMn钢水轮机主轴定位解剖时发现的内部密集的疏松点会造成超声波发生散射，声能大幅衰减，到达锻件对面边界时，底波反射衰弱，从而导致产生“伤波大于底波”的现象。

　　2.一般疏松的特征及形成

　　20SiMn低倍酸浸试样呈现明显一般疏松特征，且具有小针孔聚集形成大孔洞、小裂纹形成大裂纹的特性。酸浸检验时，低倍试片上出现的组织不致密、呈圆形或椭圆形分散的暗点和空隙是一般疏松的主要特征。其级别评定依据为分散在整个截面上的暗点和空隙的数量、大小及分布态，以及树枝状晶的粗细程度。

　　钢液浇铸后，随温度降低，钢水逐渐由外向内、由下向上开始凝固。由于选分结晶的特点，先凝固区以树枝状晶形式长大，不同晶胞相遇后在各自枝晶主轴和各次轴之间存在微孔隙，这些位置是低熔点成分、气体和非金属夹杂物的聚集区。酸浸低倍检验时，这些低熔点组元等不耐蚀物质易被酸腐蚀，冲洗后剥落，从而呈现组织疏松的特点。

　　由于20SiMn钢水轮机轴使用大型钢锭生产，表层凝固、降温较快，树枝晶不能充分长大，因此形成的微孔隙数量有限。随着凝固向内进行，钢液温度梯度减小，钢液凝固是在一个较长的时间范围内进行的，树枝晶充分长大，并在主轴间产生大量的次轴，微孔隙数量大幅度增加，因此形成图1所示的环状缺陷。

　　3.钢中的硫化锰夹杂物

　　除易切削钢外，硫通常被视为钢中的有害元素，其与Fe或FeO能形成低熔点的共晶体，并在晶界聚集，热加工时极易时熔化导致钢材开裂。无论是作为脱氧元素还是合金成分，一般特殊钢中均含有或多或少的锰，而锰是与硫亲和力Z强的元素，因此MnS是钢中Z常见的非金属夹杂物之一，甚至可以作为钢的组成部分。纯MnS的熔点为1610℃，在钢水凝固时，随着温度的降低，硫和锰反应形成MnS或（Mn·Fe）S，并沿着晶界析出。

　　在锻造过程中，随着钢锭的塑性变形，其内部疏松可被一定程度焊合。但内部裂纹的产生往往有三种形式：

　　①夹杂物处形成孔洞，并长大、汇合；
　　②夹杂物与基体剥离，形成孔洞后沿界面扩展，割裂基体；
　　③裂纹在晶界处萌生并扩展。夹杂物与基体的结构不同，导致它们之间的应力传递方式不同，夹杂物与基体的交界面处形成了强度Z弱区。

　　由于MnS的热膨胀系数大于基体，因而在冷却过程中，其收缩速率比钢基体的要快，产生占其体积1.1%的空隙，使基体与夹杂物交界处产生拉应力，在基体材料中形成割裂，在锻造过程中无法焊合，成为裂纹源，图4c）所示的裂纹较好地印证了这一点。

　　结论及建议
　　造成20SiMn钢水轮机主轴超声波探伤不合格的原因为其原材料钢锭一般疏松缺陷超标，以及心部夹杂物聚集导致其在锻造时产生裂纹。

　　为改善钢锭的一般疏松程度，常用的方法是降低钢液过热度，减少钢液的凝固时间，以降低低熔点组元的聚集。此外，在后续加工过程中，可以通过增大压缩比、改锻、改轧等方式进行改善，但此种工艺仅适用于没有大块状非金属夹杂物聚集的情况。

节选自：《理化检验-物理分册》Vol.54　2018.4