40Cr鋼是一種低淬透性的調質合金結構鋼,該鋼經過調質處理后具有良好的力學性能,是使用最廣泛的合金調質結構鋼。在機械制造領域,40Cr鋼用于制造機床齒輪、軸銷、連桿等；在五金工具領域,該鋼用于制造各種刀具；在標準件領域,該鋼用于制造螺釘、螺鉚、套筒等。經過加工后的40Cr鋼零件在使用過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度、屈服強度和韌性,在瞬間沖擊過高或過載條件下,零件不能出現斷裂或變形。另外,還要求40Cr鋼在加工過程中具有良好的性能,這就要求40Cr鋼的化學成分符合國家標準要求,同時還必須具有良好的內部和表面質量,因此在40Cr鋼的生產過程中,要嚴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 《金屬材料頂鍛試驗方法》的要求,對熱軋圓鋼進行表面質量檢測的方法為熱頂鍛。熱頂鍛的定義是在熱狀態下沿圓鋼試樣軸向方向施加載荷,將一定長度的圓鋼試樣壓縮,然后檢驗圓鋼在規定鍛壓比下(一般將圓鋼試樣熱鍛壓為原來長度的1/3)承受熱頂鍛塑性變形的能力。圓鋼試樣經過變形之后,如果其表面存在缺陷,就能夠明顯地顯示出來。當圓鋼試樣鍛壓比達到要求且試樣表面未出現肉眼可見的裂紋、折疊等缺陷時,評定該圓鋼熱頂鍛合格；如果圓鋼熱頂鍛試樣表面產生肉眼可見的裂紋缺陷(例如缺陷寬度≥0.2 mm),評定該圓鋼熱頂鍛不合格。 

在40Cr圓鋼的實際生產過程中,其力學性能合格,但是在熱頂鍛試驗時,圓鋼表面出現裂紋缺陷的現象時有發生,該現象引起了相關技術人員的高度重視,由相關文獻[3－4]可知：40Cr圓鋼熱頂鍛開裂的原因是圓鋼在軋制過程中變形量較大引起表面缺陷,在隨后的熱頂鍛過程中,表面缺陷位置產生應力集中,最終導致圓鋼開裂。另有研究認為,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,在軋制過程中缺陷進一步擴展,因此在隨后的熱頂鍛過程中,圓鋼發生開裂現象。 

某鋼廠生產的直徑為60 mm的40Cr圓鋼在熱頂鍛時發生表面開裂現象,為了提高40Cr 圓鋼熱頂鍛的合格率并找出其開裂原因,筆者采用一系列理化檢驗方法分析該熱軋圓鋼的開裂原因,并提出了一些改進措施,以防止該類問題再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

40Cr圓鋼的生產工藝流程為：120 t頂復吹轉爐冶煉→120 t 鋼包精煉爐精煉→連鑄150 mm×150 mm(長×寬)方坯(配有結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,對試樣進行熱酸浸,熱酸浸的方法為：將體積分數比例為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  1  40Cr圓鋼熱頂鍛缺陷宏觀形貌

對其母材進行取樣,并對試樣進行熱酸浸,發現母材表面也存在裂紋缺陷,該缺陷與圓鋼的軸向平行,貫穿整個試樣表面,40Cr圓鋼母材表面缺陷宏觀形貌如圖2所示。 

圖  2  40Cr圓鋼母材表面缺陷宏觀形貌

1.2   化學成分分析

在40Cr圓鋼熱頂鍛開裂處截取試樣,將試樣磨平,采用直讀光譜儀對其化學成分進行分析,結果如表1所示。由表1可知：試樣的化學成分符合GB/T 3077—2015 《合金結構鋼》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格為10 mm×10 mm×10 mm(長×寬×高,下同)的試樣,將試樣置于掃描電鏡下觀察,結果如圖3所示。由圖3可知：裂紋末端呈圓頓形貌,沒有向基體內部延伸。經過測量,裂紋深度約為50 μm,裂紋的寬度約為250 μm。 

圖  3  圓鋼試樣裂紋的SEM形貌

1.4   金相檢驗

在含裂紋的圓鋼上截取并制備規格為10 mm×60 mm×10 mm的金相試樣,再用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液對試樣進行腐蝕,分別觀察圓鋼心部及裂紋附近的顯微組織形貌,結果如圖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狀鐵素體＋珠光體,圓鋼心部和邊部的晶粒度沒有明顯差異；裂紋附近沒有脫碳現象,裂紋末端圓頓處沒有明顯分叉形貌。 

圖  4  40Cr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結果可知：缺陷處組織為鐵素體＋珠光體,與心部組織一致,缺陷處沒有脫碳現象及異常組織,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)導致的,而是在將鑄坯軋制成圓鋼的過程中產生的。 

由40Cr圓鋼缺陷試樣的SEM分析結果可知：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,沒有向基體內部延伸,同時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理論可知：在材料軋制的過程中,如果材料表面產生裂紋缺陷,裂紋的前端就會存在一個塑性變形區；隨著軋制的進行,裂紋不斷擴展延伸,使材料發生塑性變形,并引起材料的加工硬化,如果要讓材料繼續變形就需要施加更大的外力；由于材料存在加工硬化,隨著裂紋的擴展,較難發生塑性變形,如果裂紋要持續擴展,就要消耗更多的塑性變形能量,從而使裂紋沿單一方向擴展的阻力相應增大,這時裂紋會選擇向阻力最小的方向擴展,這樣裂紋的延伸方向、深度及寬度就會發生改變,呈無規則狀[5－7]。由于缺陷呈一條直線狀形貌,并與圓鋼的軸向平行,同時裂紋深度一致,可以推斷出圓鋼在鑄坯軋制成圓鋼的過程中存在劃傷缺陷,正常情況下劃傷容易導致圓鋼表面的裂紋呈直線狀。 

產生裂紋缺陷的主要原因有：在圓鋼軋制過程中,材料處于高溫狀態,鋼材表面硬度較小,在軋制設備出現問題或精度較差時,高速軋制過程中的圓鋼表面會留下貫穿的直線型劃傷。 

圓鋼表面存在劃傷缺陷時,其劃傷處在熱頂鍛或冷擠壓過程中非常容易成為裂紋源而導致圓鋼表面開裂。 

3.   結論及改進措施

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

(2) 缺陷附近組織為網狀鐵素體＋珠光體,與心部組織一致,并且二者晶粒尺寸大致相同,沒有發現異常組織；缺陷附近沒有出現脫碳現象,故可以排除是組織異常導致的缺陷。 

(3) 在軋制過程中,圓鋼表面存在劃傷導致熱頂鍛表面開裂。可采用對軋線輥道、機架進行檢查導位,提高導衛裝置的加工精度并及時清理進口夾板內的異物、毛刺等方法來減少劃傷缺陷。 

文章來源——材料與測試網