Методы контроля качества ковки фланцев
2026-05-14
Методы контроля качества ковки фланцев
N06625, благодаря упрочнению твердым раствором Mo и Nb и упрочнению осаждением фаз γ' и γ'' [1] , обладает превосходными механическими свойствами, коррозионной стойкостью и технологической стабильностью и широко используется в высокотехнологичных областях, таких как аэрокосмическая и нефтехимическая промышленность [2] . Поскольку высокотехнологичное оборудование все чаще используется в экстремальных условиях, N06625 стал основным материалом для нового поколения фланцевых поковок, так как характеристики традиционных материалов с трудом соответствуют требованиям. В данном исследовании рассматривается фланцевая поковка из N06625 Grade 1 в соответствии со стандартом ASTM B564-22 [3], и строится замкнутая система управления качеством, включающая контроль материалов, производство и испытания, контроль сырья, оптимизацию производственного процесса, неразрушающий контроль и проверку характеристик. Благодаря многомерному параметрическому анализу достигается точное соответствие микроструктуры и макросвойств материала, что обеспечивает научную основу для надежности фланцевых поковок в экстремальных условиях эксплуатации.
1.
Экспериментальная процедура
1.1 Контроль качества сырья
1.1.1 Разработка химического состава
Исходя из требований к химическому составу N06625 согласно ASTM B564-22, в данном исследовании был проведен соответствующий оптимизм химического состава N06625, как показано в таблице 1.
1.1.2 Процесс VIM-ESR
В вакуумной индукционной плавке (ВИМ) оптимизация порядка добавления сырья улучшает качество вакуумных слитков: Fe, Ni, Mo и другие элементы с низкой склонностью к образованию нитридов добавляются первыми для создания расплава с низким содержанием азота, что предотвращает преждевременную реакцию Cr и Nb с азотом, которая привела бы к потере элементов и образованию нитридов, тем самым повышая чистоту расплава; Cr и Nb добавляются впоследствии для соответствия требованиям к составу NO6625 и для повышения эффективности процесса; высокоактивные Al и Ti добавляются на более поздних стадиях ВИМ для предотвращения высокотемпературного выгорания, стимулирования осаждения γ'-фазы и в качестве сильных раскислителей для повышения чистоты.
шлака определяется в соответствии с соотношением массы электрошлакового стального слитка к массе шлака, приведенным в таблице 2. Шлаковый материал состоит из 70% CaF2 и 30% Al2O3 по массе . CaO ( для десульфуризации) и MgO добавляются в соответствующих количествах для улучшения свойств шлака и его металлургических характеристик.
При электрошлаковой переплавке (ЭШП) скорость плавления вакуумных слитков играет решающую роль в их качестве: чрезмерно высокая скорость повышает температуру расплавленной ванны и замедляет внутреннее затвердевание, в то время как дно и боковые стенки затвердевают быстрее, образуя чрезмерно глубокую расплавленную ванну. Это приводит к тому, что металл дольше остается в полужидком состоянии, усугубляя такие проблемы, как укрупнение зерен, неравномерная микроструктура, повышенное остаточное напряжение и макроскопическая сегрегация.
Для уменьшения количества дефектов скорость плавления на более поздних стадиях процесса снижается, чтобы обеспечить время затвердевания, стабилизировать границу раздела твердой и жидкой фаз и способствовать направленному затвердеванию, в конечном итоге достигая плоской или слегка вогнутой формы верхней поверхности расплава. Оптимальная кривая скорости плавления выглядит следующим образом: первоначально она контролируется на уровне приблизительно 3,5 кг/мин для установления стабильных тепловых условий, баланса между теплоотдачей и тепловыделением, а также минимизации температурного градиента, затем постепенно снижается до 3,2 кг/мин.
1.2. Технологический контроль процесса ковки фланцев
1.2.1 Контроль процесса ковки
Ковка — критически важный этап, влияющий на качество, эксплуатационные характеристики и надежность фланцевых поковок из стали N06625. Соблюдение стандартизированных процедур позволяет предотвратить такие проблемы, как укрупнение зерен, неравномерная микроструктура и поверхностные трещины, вызванные несоответствием требованиям на месте проведения работ или неправильными параметрами, тем самым обеспечивая контроль микроструктуры при последующей термообработке и достижение требуемых характеристик ковки.
1.2.1.1 Контроль подачи материала
Перед вырубкой проверяется качество поверхности заготовки, чтобы убедиться в отсутствии дефектов, таких как трещины. Точность размеров заготовки является ключевым фактором для обеспечения допустимых размеров при ковке фланца. Недостаточная вырубка приведет к недостаточному потоку ковочного металла и недостаточному припуску на механическую обработку, что сделает ковку не соответствующей требуемым размерам, как показано на рисунке 1-1; чрезмерная вырубка снизит коэффициент использования материала, увеличит припуск на механическую обработку и повысит энергозатраты, как показано на рисунке 1-2.
1.2.1.2 Предварительный нагрев перед ковкой
Предварительный нагрев перед ковкой направлен на улучшение пластичности материала, снижение сопротивления деформации, стимулирование пластической деформации и получение хорошей технологической структуры. Расстояние между заготовками в нагревательной печи контролируется на уровне ≥30 мм для обеспечения газовой конвекции и равномерного распределения тепла; в то же время заготовки располагаются вертикально, чтобы избежать прямого воздействия сопла горелки и предотвратить локальный перегрев/пригорание, приводящие к концентрации термических напряжений и снижению способности к пластической деформации. Температура нагрева имеет решающее значение для процесса ковки и качества фланцевых поковок. Цай и др. [4] и Ли и др. [5] определили оптимальный диапазон нагрева для никелевых сплавов в диапазоне 1125–1150 ℃ с помощью экспериментов по горячему сжатию.
1.2.1.3 Контроль процесса ковки
При ковке, помимо скорости нагрева и времени выдержки, коэффициент ковки и температура ковки также являются ключевыми параметрами, определяющими качество фланцевых поковок, напрямую влияя на однородность их микроструктуры, механические свойства и контроль дефектов. На микроструктуру и механические свойства поковок влияет множество факторов, причем коэффициент ковки является наиболее критичным. Более высокий коэффициент ковки соответствует большей деформации, что может уменьшить размер включений, разрушить эвтектические карбиды и оптимизировать плотность, существенно влияя на свойства материала. Согласно API 20B, для поковок N06625 требуется минимальный общий коэффициент ковки ≥3. Повторная осадка и вытяжка могут разрушить и гомогенизировать распределение карбидов, подавить чрезмерный рост зерен, а достаточная деформация при осадке и вытяжке также может инициировать динамическую рекристаллизацию (ДРХ), способствуя измельчению зерен [6] . Температура ковки существенно влияет на микроструктуру и общие свойства поковок.
Да, сочетание температурных диапазонов динамической рекристаллизации (DRX) и прерывистой динамической рекристаллизации (DDRX) с падением температуры ковки позволяет контролировать начальную температуру ковки в пределах 1120–1150 ℃; если конечная температура ковки слишком низкая, это легко может привести к образованию трещин или чрезмерных остаточных напряжений, что увеличит вероятность последующих трещин. Го и др. [7] показали, что 950 ℃ является начальной температурой DRX. В это время наблюдается явный эффект размягчения при обработке, который позволяет устранить накопление дислокаций, снизить концентрацию напряжений и значительно уменьшить риск образования трещин при ковке.
1.2.2 Контроль процесса термообработки
Термическая обработка — это критически важный этап производства, напрямую определяющий механические свойства, коррозионную стойкость и долговременную стабильность кованых изделий. Согласно стандарту ASTM B564-22, для стали марки N06625 Grade 1 требуется отжиг при минимальной температуре отжига 871 °C.
Основная цель термообработки после ковки — устранение остаточных напряжений и сегрегации карбидов, возникающих во время ковки. Исследования [8] показывают, что 937℃ является порогом активации роста зерен. При температуре выше 937℃ зерна укрупняются, а механические свойства ухудшаются. Шантальталь и др. [9] обнаружили, что механические и коррозионные свойства кованых прутков из сплава 625 достигают наилучшего уровня при температуре термообработки в диапазоне 930–1040℃. Кроме того, согласно рекомендациям по температуре термообработки после отжига сплава 625 в «SUPERALLOYS A Technical Guide» [10] , в данном исследовании была определена температура термообработки 980℃.
Кроме того, время выдержки и метод охлаждения также являются ключевыми факторами, влияющими на качество фланцевых поковок. Нагрев заготовки до заданной температуры и выдержка при этой температуре направлены на уменьшение температурного градиента по поперечному сечению заготовки, обеспечение равномерного распределения температуры и предоставление достаточного времени для диффузии тепла, что в конечном итоге приводит к более однородной микроструктуре. Длительность выдержки напрямую влияет на микроструктуру и свойства фланцевой поковки N06625.
Что касается методов охлаждения, водяное охлаждение позволяет быстро снизить температуру поковок и сократить время их пребывания в высокотемпературном диапазоне, тем самым предотвращая укрупнение зерен и вредные фазовые превращения (такие как осаждение δ-фазы). По сравнению с воздушным и печным охлаждением, водяное охлаждение позволяет сократить общий цикл термообработки и повысить эффективность производства, при этом не снижая коррозионную стойкость и механические свойства материала.
1.2.3 Производственный процесс
В данном исследовании рассматриваются отклонения температуры печи и теплопотери в процессе переноса, а также контролируется температура нагрева фланцевой поковки в диапазоне 1120–1150 ℃. Для минимизации разницы температур между внутренней и внешней частями заготовки используется ступенчатый метод нагрева, что позволяет избежать риска растрескивания из-за различий в тепловом расширении и концентрации внутренних напряжений. Одновременно устанавливается начальная температура ковки ≤1150 ℃ и конечная температура ковки ≥950 ℃. Нагрев осуществляется со скоростью 0,5–1,0 мм/мин. Кривая температуры ковки фланцевой поковки N06625 показана на рисунке 2.
В процессе термообработки температура отжига фланцевой поковки контролировалась на уровне 980℃. Время выдержки определялось в соответствии с размером наибольшего сечения поковки и соответствовало требованиям стандарта API 6HT [11] , рассчитанному на 0,5–1,0 ч на дюйм толщины, как показано на рисунке 3. После завершения термообработки в качестве закалочной среды использовалась вода для быстрого охлаждения.
2.
Эксплуатационные испытания и неразрушающий контроль.
Эксплуатационные испытания и неразрушающий контроль (НК) являются заключительными этапами проверки в системе контроля качества. Эти процессы играют решающую роль в обеспечении целостности всего производственного процесса и являются ключевыми контрольными точками для выявления и предотвращения дефектной продукции. В данном исследовании используется систематический подход к тестированию для проверки эффективности системы контроля качества. Кроме того, для проверки поверхности и внутренних компонентов фланцевых поковок на наличие дефектов используются методы неразрушающего контроля, такие как ультразвуковой контроль (УЗК) и капиллярный контроль (КК).
2.1 Анализ химического состава
Результаты анализа химического состава представлены в таблице 3. Результаты показывают, что, исходя из соответствия требованиям к химическому составу, указанным в таблице 1, сырье, полученное методом дуплексной плавки VIM+ESR, эффективно снизило неблагоприятное воздействие содержания серы и фосфора в поковках за счет строгого контроля ключевых параметров плавки сырья.
2.2 Металлографическое исследование
Как показано на рисунке 4, микроструктура фланцевых поковок 2''1500CL и 10''1500CL при увеличении в 100 и 500 раз показывает, что поковки в основном состоят из матрицы γ-фазы и небольшого количества двойников. Размер зерна был оценен в 4,5 и 5,5 соответственно.
При увеличении в 500 раз можно наблюдать мелкие карбиды типа MC, диспергированные в зернах, играющие роль в дисперсионном упрочнении; цепочечные или дискретные сферические карбиды типа Cr23C6 распределены на границах зерен [ 12 ] . Такие карбиды обычно встречаются в ковочных сплавах и значительно повышают прочность сплава , препятствуя движению дислокаций. Кроме того, в микроструктуре могут присутствовать и другие типы карбидов, такие как M7C3 и M6C .
2.3 Испытание механических свойств
Как показано на рисунке 5, результаты испытаний показывают, что прочностные характеристики кованого фланца соответствуют самым высоким требованиям ASTM B564-22. Кроме того, значения ударной вязкости и твердости на рисунках 6 и 7 соответствуют самым высоким требованиям к ударной вязкости по ASME B31.3 [13] (таблица K323.3.5) и обычным требованиям к твердости для никелевых сплавов, соответственно. Эти результаты демонстрируют, что кованый фланец, изготовленный описанным здесь методом контроля качества, обладает превосходными механическими свойствами и полностью соответствует требованиям соответствующих стандартов.
2.4 Испытание на межкристаллитную коррозию
Учитывая, что кованые фланцы 625-й серии в основном используются в агрессивных средах (включая кислые условия), в данном исследовании были проведены испытания на межкристаллитную коррозию для проверки соответствия метода контроля качества требованиям к использованию кованых фланцев в агрессивных средах. Требования к испытаниям и результаты показаны на рисунке 8.
На рисунке 9 показана микрофотография межкристаллитной коррозии на кованом фланце при 500-кратном увеличении. Рисунок показывает, что после испытания на межкристаллитную коррозию G28 A на границах зерен серьезной коррозии не наблюдалось. Сочетая скорость коррозии и микроскопическую морфологию, можно заключить, что использованный в данной работе метод контроля качества эффективно обеспечил коррозионную стойкость материала.
2.5 Неразрушающий контроль
Неразрушающий контроль (НК) имеет решающее значение для контроля качества и оценки безопасности фланцевых поковок. Этот метод эффективно выявляет различные поверхностные и внутренние дефекты, не повреждая изделие, что позволяет оперативно обнаруживать несоответствующие изделия. Для фланцевой поковки N06625, в соответствии с дополнительными требованиями S5.2 и S5.3 стандарта ASTM B564-22, для проверки ее поверхности и внутренней целостности использовались ультразвуковой и капиллярный контроль. Результаты НК показывают, что поковки, изготовленные с использованием этого метода контроля качества, соответствуют требованиям соответствующего стандарта.
3.
Заключение
Внедрение ключевых мер контроля качества, таких как контроль сырья, оптимизация производственного процесса, тестирование характеристик и неразрушающий контроль в процессе ковки фланцев, позволило значительно улучшить общее качество кованых фланцев, эффективно снизить процент брака и повысить эффективность производства.
В данном исследовании была проведена систематическая проверка комплексного метода контроля качества фланцевых поковок N06625 путем изготовления фланцевых поковок различных спецификаций. Предложенное комплексное решение охватывает множество ключевых аспектов, включая контроль сырья, оптимизацию процесса ковки, корректировку режима термообработки, неразрушающий контроль и проверку эксплуатационных характеристик.
Основные выводы следующие:
1) Благодаря оптимизации параметров процесса двухфазной плавки VIM-ESR удалось успешно контролировать содержание примесей, таких как S и P, на сверхнизком уровне, что обеспечило соответствие химического состава не только заданным требованиям, но и гарантировало общее качество сырья, обеспечивая тем самым соответствие основных свойств и возможностей последующей ковки и формовки соответствующим стандартам.
2) В процессе ковки качество поковок значительно улучшилось за счет оптимизации ключевых параметров процесса, таких как температура нагрева (1120–1150℃), начальная температура ковки (≤1150℃) и конечная температура ковки (≥950℃). Кроме того, после термообработки при 980℃ и достаточной выдержки со скоростью 0,5–1,0 ч на дюйм, общие характеристики поковок фланцев превзошли минимальные требования, указанные в стандарте.
3) Благодаря внедрению ключевых мер контроля качества в производстве фланцевых кованых изделий, включая контроль сырья и технологического процесса, испытания на работоспособность и неразрушающий контроль, общее качество кованых изделий было значительно улучшено. Эти меры позволили эффективно снизить процент брака и повысить эффективность производства.
