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。

2.2如果表面裂纹宽度非常微小,如图2裂纹宽度只有0.017 mm,在钢中视为异质薄层。这时的声压反射率≈0,声压透射率≈1。分析表明,超声波在遇到非常致密的微小裂纹时,声波透射多,探头接收的裂纹反射波较少,灵敏度降低,有时虽然自然伤裂纹深度超标,但宽度非常窄,视为异质薄层,仍有超声波透射过裂纹继续前进,使得裂纹不能报警检出。

2.3由于裂纹界面的不平整,会产生超声波常见的散射衰减。如果标准伤和裂纹深度一样(长度不计),那么裂纹反射率会比标准伤低。见图2,图4。

图4为21-4N冷拉棒材表面裂纹缺陷。此缺陷未被超声波检出,这是人工抽查发现的。缺陷径向深度0.06 mm,截面总长度约0.1 mm。裂纹呈网状,内含夹杂物,散射衰减极强,所以此类缺陷易漏检。将此棒材酸洗后,裂纹内氧化物被酸洗掉,裂纹暴露明显,再用同样的灵敏度探伤就可以检出。见图5。

2.4超声波探伤存在明显方向性,一旦表面裂纹不指向中心,尤其取向明显时,经裂纹界面反射的超声波能量也较小,无法报警检出。

3结论

通过理论与实际分析,说明超声波探伤是采用当量对比法,在一定标准伤的基础上进行,同时由于自然缺陷在实际形状、取向、分布不规律以及内填充物的影响下,其被超声波探伤检出的效率要远低于同样尺寸的标准槽伤,这正是21-4N冷拉棒材超声探伤的局限性所在。任何探伤方法既有其自身的特点,也有其局限性。因此单纯采用超声波探伤方法要保证21-4N冷拉棒材缺陷全部检测出来是不现实的。应采用两种甚至多种探伤方法组合成综合检测系统,起到互补作用,才是行之有效的检验方法。

摘自：中国计量测控网