21-4N冷拉棒材表面裂纹对超声波探伤结果的影响

　　1　存在的问题

　　21-4N(5Cr21Mn9Ni4N)冷拉棒材是制造内燃机高温排气阀门的理想材料,为低镍奥氏体不锈钢,是以碳化物、氧化物弥散强化的奥氏体耐热钢。在700℃以下具有良好的强度、硬度和极好的抗腐蚀性能。随着汽车发动机高功率化所产生的排气温度上升,排气净化率提高以及汽车轻量化的需求,对材料的耐蚀性、抗氧化性和热强度等需求很严。21-4N等阀门钢冷拉棒材由于碳、氮、锰含量较高,不易软化,冷拉工艺差,内应力大,极易产生应力裂。

　　1990年～1994年,21-4N等阀门钢冷拉棒材探伤报废率在5%以下,未发生大的质量异议。1994年8月后一段时间,探伤报废率上升至17%以上,漏检现象严重,质量异议增加。经解剖分析,缺陷类型较多,半径裂、横向裂、龟裂、枝状裂、包边、折叠等等,说明生产出现异常。经过十几年的工艺改进,目前存在的缺陷类型减少。但表面质量仍不容乐观,有一些表面裂纹无法完全消除或检出。

　　由于部分表面裂纹不能检出,所以近一年来,将原来制订探伤人工伤标准20 mm×0.1 mm×0.07mm灵敏度的基础上提高到20 mm×0.1 mm×0.05 mm(长×宽×深),这已是GB/T 8361-2001《冷拉圆钢表面超声波探伤方法》最严的级别,是冷拉棒材超声波探伤方法中最高的灵敏度,并且对每批钢进行人工随机抽查,质量异议减少。但要保证零缺陷并不现实,再提高探伤灵敏度可以探出更小缺陷,可是遇到表面划痕、磨痕也会报警,引起误报率增加,达不到实际探伤效果。

　　2　漏检主要原因分析

　　2.1　探伤使用的人工标准伤为20 mm×0.1 mm×0.05 mm(长×宽×深),属于开口型缺陷。探伤校验时,标准伤间隙中充满机油,钢与机油声阻抗值相差很大,钢与机油界面的声压反射率RB为94%,几乎全反射。如果调整正确,反射波将会被探头良好接收(图1)。

　　但21-4N冷拉棒材在生产过程中产生的表面裂纹,虽然经过表面磨制,仍有少量表面裂纹未处理掉,裂纹内充满氧化物夹杂,见图2。夹杂性质见电镜扫描数据(表1)。

　　图2中裂纹深0.12 mm,比人工标准伤0.05 mm深一倍多,但裂纹反射波低于人工标准伤反射波,所以未报警,造成漏检。分析说明,钢基体与金属氧化物声阻抗值相差较小,声压反射率RB经计算约为42%。钢与铝声压反射率RB为45%,所以金属氧化物声学特性与铝声学特性相似。同样大小的缺陷,由于耦合界面两种物质声阻抗的差值不同,会呈现不同的灵敏度。钢基体与金属氧化物声压反射率RB为42%,明显低于钢与机油界面的声压反射率RB(94%),一部分声波透过金属氧化物继续向前传播,所以,含有金属氧化物的裂纹比无填充物的裂纹较难检出,见图3所示。