40Cr鋼是一種低淬透性的調(diào)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼,該鋼經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后具有良好的力學(xué)性能,是使用最廣泛的合金調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼。在機(jī)械制造領(lǐng)域,40Cr鋼用于制造機(jī)床齒輪、軸銷(xiāo)、連桿等；在五金工具領(lǐng)域,該鋼用于制造各種刀具；在標(biāo)準(zhǔn)件領(lǐng)域,該鋼用于制造螺釘、螺鉚、套筒等。經(jīng)過(guò)加工后的40Cr鋼零件在使用過(guò)程中要承受不同載荷外力的作用,因此要求零件具有較高的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和韌性,在瞬間沖擊過(guò)高或過(guò)載條件下,零件不能出現(xiàn)斷裂或變形。另外,還要求40Cr鋼在加工過(guò)程中具有良好的性能,這就要求40Cr鋼的化學(xué)成分符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求,同時(shí)還必須具有良好的內(nèi)部和表面質(zhì)量,因此在40Cr鋼的生產(chǎn)過(guò)程中,要嚴(yán)格控制鑄坯中的夾雜物含量,及鑄坯中心偏析、皮下裂紋等缺陷,40Cr圓鋼表面也不能有裂紋及劃傷等缺陷[1－2]。

按照YB/T 5293－2006 《金屬材料頂鍛試驗(yàn)方法》的要求,對(duì)熱軋圓鋼進(jìn)行表面質(zhì)量檢測(cè)的方法為熱頂鍛。熱頂鍛的定義是在熱狀態(tài)下沿圓鋼試樣軸向方向施加載荷,將一定長(zhǎng)度的圓鋼試樣壓縮,然后檢驗(yàn)圓鋼在規(guī)定鍛壓比下(一般將圓鋼試樣熱鍛壓為原來(lái)長(zhǎng)度的1/3)承受熱頂鍛塑性變形的能力。圓鋼試樣經(jīng)過(guò)變形之后,如果其表面存在缺陷,就能夠明顯地顯示出來(lái)。當(dāng)圓鋼試樣鍛壓比達(dá)到要求且試樣表面未出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的裂紋、折疊等缺陷時(shí),評(píng)定該圓鋼熱頂鍛合格；如果圓鋼熱頂鍛試樣表面產(chǎn)生肉眼可見(jiàn)的裂紋缺陷(例如缺陷寬度≥0.2 mm),評(píng)定該圓鋼熱頂鍛不合格。

在40Cr圓鋼的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,其力學(xué)性能合格,但是在熱頂鍛試驗(yàn)時(shí),圓鋼表面出現(xiàn)裂紋缺陷的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,該現(xiàn)象引起了相關(guān)技術(shù)人員的高度重視,由相關(guān)文獻(xiàn)[3－4]可知：40Cr圓鋼熱頂鍛開(kāi)裂的原因是圓鋼在軋制過(guò)程中變形量較大引起表面缺陷,在隨后的熱頂鍛過(guò)程中,表面缺陷位置產(chǎn)生應(yīng)力集中,最終導(dǎo)致圓鋼開(kāi)裂。另有研究認(rèn)為,由于連鑄坯自身存在缺陷,如角部裂紋、皮下氣泡、皮下夾雜等,在軋制過(guò)程中缺陷進(jìn)一步擴(kuò)展,因此在隨后的熱頂鍛過(guò)程中,圓鋼發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象。

某鋼廠生產(chǎn)的直徑為60 mm的40Cr圓鋼在熱頂鍛時(shí)發(fā)生表面開(kāi)裂現(xiàn)象,為了提高40Cr 圓鋼熱頂鍛的合格率并找出其開(kāi)裂原因,筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法分析該熱軋圓鋼的開(kāi)裂原因,并提出了一些改進(jìn)措施,以防止該類(lèi)問(wèn)題再次發(fā)生。

1. 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

40Cr圓鋼的生產(chǎn)工藝流程為：120 t頂復(fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉→120 t 鋼包精煉爐精煉→連鑄150 mm×150 mm(長(zhǎng)×寬)方坯(配有結(jié)晶器電磁攪拌和凝固末端電磁攪拌)→棒材工序→圓鋼成品。

截取熱頂鍛缺陷試樣,對(duì)試樣進(jìn)行熱酸浸,熱酸浸的方法為：將體積分?jǐn)?shù)比例為1…1的鹽酸和水配置成鹽酸水溶液,將其加熱到80 ℃后保溫10 min,取出缺陷試樣,清洗、烘干試樣后,觀察試樣。熱頂鍛試樣表面存在明顯的裂紋,裂紋與圓鋼的軸向平行,并貫穿整個(gè)試樣表面,裂紋有一定的深度。40Cr圓鋼熱頂鍛缺陷宏觀形貌如圖1所示。

圖 140Cr圓鋼熱頂鍛缺陷宏觀形貌

對(duì)其母材進(jìn)行取樣,并對(duì)試樣進(jìn)行熱酸浸,發(fā)現(xiàn)母材表面也存在裂紋缺陷,該缺陷與圓鋼的軸向平行,貫穿整個(gè)試樣表面,40Cr圓鋼母材表面缺陷宏觀形貌如圖2所示。

圖 240Cr圓鋼母材表面缺陷宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

在40Cr圓鋼熱頂鍛開(kāi)裂處截取試樣,將試樣磨平,采用直讀光譜儀對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：試樣的化學(xué)成分符合GB/T 3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》的要求。

1.3 掃描電鏡(SEM)分析

在酸洗后圓鋼的裂紋處截取規(guī)格為10 mm×10 mm×10 mm(長(zhǎng)×寬×高,下同)的試樣,將試樣置于掃描電鏡下觀察,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：裂紋末端呈圓頓形貌,沒(méi)有向基體內(nèi)部延伸。經(jīng)過(guò)測(cè)量,裂紋深度約為50μm,裂紋的寬度約為250μm。

圖 3圓鋼試樣裂紋的SEM形貌

1.4 金相檢驗(yàn)

在含裂紋的圓鋼上截取并制備規(guī)格為10 mm×60 mm×10 mm的金相試樣,再用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕,分別觀察圓鋼心部及裂紋附近的顯微組織形貌,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：40Cr圓鋼心部和裂紋處的顯微組織均為網(wǎng)狀鐵素體＋珠光體,圓鋼心部和邊部的晶粒度沒(méi)有明顯差異；裂紋附近沒(méi)有脫碳現(xiàn)象,裂紋末端圓頓處沒(méi)有明顯分叉形貌。

圖 440Cr圓鋼心部及裂紋附近顯微組織形貌

2. 綜合分析

由40Cr圓鋼缺陷試樣的金相檢驗(yàn)結(jié)果可知：缺陷處組織為鐵素體＋珠光體,與心部組織一致,缺陷處沒(méi)有脫碳現(xiàn)象及異常組織,可以推斷出該缺陷不是由鑄坯缺陷(皮下裂紋、角部裂紋、皮下氣泡等)導(dǎo)致的,而是在將鑄坯軋制成圓鋼的過(guò)程中產(chǎn)生的。

由40Cr圓鋼缺陷試樣的SEM分析結(jié)果可知：缺陷沿著圓鋼軸向方向平行并且貫穿試樣；缺陷末端呈圓頓形貌,沒(méi)有向基體內(nèi)部延伸,同時(shí)還能觀察到整條貫穿缺陷是等寬的。

由軋制理論和材料力學(xué)理論可知：在材料軋制的過(guò)程中,如果材料表面產(chǎn)生裂紋缺陷,裂紋的前端就會(huì)存在一個(gè)塑性變形區(qū)；隨著軋制的進(jìn)行,裂紋不斷擴(kuò)展延伸,使材料發(fā)生塑性變形,并引起材料的加工硬化,如果要讓材料繼續(xù)變形就需要施加更大的外力；由于材料存在加工硬化,隨著裂紋的擴(kuò)展,較難發(fā)生塑性變形,如果裂紋要持續(xù)擴(kuò)展,就要消耗更多的塑性變形能量,從而使裂紋沿單一方向擴(kuò)展的阻力相應(yīng)增大,這時(shí)裂紋會(huì)選擇向阻力最小的方向擴(kuò)展,這樣裂紋的延伸方向、深度及寬度就會(huì)發(fā)生改變,呈無(wú)規(guī)則狀[5－7]。由于缺陷呈一條直線狀形貌,并與圓鋼的軸向平行,同時(shí)裂紋深度一致,可以推斷出圓鋼在鑄坯軋制成圓鋼的過(guò)程中存在劃傷缺陷,正常情況下劃傷容易導(dǎo)致圓鋼表面的裂紋呈直線狀。

產(chǎn)生裂紋缺陷的主要原因有：在圓鋼軋制過(guò)程中,材料處于高溫狀態(tài),鋼材表面硬度較小,在軋制設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題或精度較差時(shí),高速軋制過(guò)程中的圓鋼表面會(huì)留下貫穿的直線型劃傷。

圓鋼表面存在劃傷缺陷時(shí),其劃傷處在熱頂鍛或冷擠壓過(guò)程中非常容易成為裂紋源而導(dǎo)致圓鋼表面開(kāi)裂。

3. 結(jié)論及改進(jìn)措施

(1) 劃傷在圓鋼表面呈現(xiàn)直線形并貫穿整個(gè)試樣,可以推斷出這不是鑄坯問(wèn)題產(chǎn)生的缺陷。

(2) 缺陷附近組織為網(wǎng)狀鐵素體＋珠光體,與心部組織一致,并且二者晶粒尺寸大致相同,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常組織；缺陷附近沒(méi)有出現(xiàn)脫碳現(xiàn)象,故可以排除是組織異常導(dǎo)致的缺陷。

(3) 在軋制過(guò)程中,圓鋼表面存在劃傷導(dǎo)致熱頂鍛表面開(kāi)裂。可采用對(duì)軋線輥道、機(jī)架進(jìn)行檢查導(dǎo)位,提高導(dǎo)衛(wèi)裝置的加工精度并及時(shí)清理進(jìn)口夾板內(nèi)的異物、毛刺等方法來(lái)減少劃傷缺陷。

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