45Mn2鋼是中碳鋼,該鋼的強度、耐磨性和淬透性均較好[1－3],一般用于制造在較高應力與磨損條件下工作的零件,如磨擦盤、車軸、蝸桿、齒輪、重載荷機架以及冷拉狀態中的螺栓等。某45Mn2鋼圓坯在加工成圓管時,在檢驗過程中發現鋼管表面存在裂紋,鋼管加工流程為：原料檢驗→下料→加熱→穿孔→連軋→張力減徑→檢驗→熱處理→表面化處理→矯直→無損檢測→臺檢→標識、稱重→打包、入庫。筆者采用一系列理化檢驗方法,查明了鋼管表面裂紋產生的原因,并提出了改進措施,以避免該類缺陷再次產生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

在生產過程中,發現45Mn2鋼圓坯加工成圓管后,表面存在裂紋,開裂鋼管的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：在進行試樣加工時,缺陷處部分金屬分離脫落；開裂位置位于管外壁,與基體明顯分離。 

圖  1  開裂鋼管宏觀形貌

1.2   化學成分分析

在開裂鋼管上取樣,對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：試樣的化學成分符合45Mn2鋼的技術協議要求。 

1.3   微觀分析

在鋼管開裂處截取金相試樣,將試樣進行磨制、拋光處理,然后將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖2所示。由圖2可知：試樣的裂紋處及周圍未見夾雜物。 

圖  2  試樣的拋光態形貌

將試樣用4%(體積分數)硝酸乙醇溶液腐蝕,然后將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖3所示。由圖3可知：開裂處基體組織與異常金屬處組織存在明顯差異,基體組織與異常處接觸邊緣存在明顯脫碳現象,與鋼管表面脫碳情況一致,開裂處金屬邊緣未見脫碳現象；試樣基體表面均存在脫碳現象,組織為珠光體和網狀鐵素體,異常金屬處組織為珠光體＋顆粒狀碳化物。 

圖  3  開裂鋼管的顯微組織形貌

利用掃描電鏡對金相試樣異常金屬處進行分析,結果如圖4所示。由圖4可知：鋼管異常金屬處未見明顯脫碳現象。 

圖  4  開裂鋼管異常金屬處的SEM形貌

1.4   電子探針顯微分析

對鋼管基體和異常金屬進行電子探針顯微分析,結果如表2所示。由表2可知：鋼管基體和異常金屬中C、Mn、Cr、Mo等元素含量有明顯區別；異常金屬中C元素含量高,質量分數約為0.65%,Mn元素含量低,質量分數低于1%,Cr元素的質量分數為0.54%～0.64%,且異常金屬中含有少量的Mo元素；鋼管基體中C元素的質量分數約為0.45%,Mn元素的質量分數約為1.7%,未見Cr元素和Mo元素。 

基體C元素定量分析結果如圖5所示,異常金屬處C元素定量分析結果如圖6所示。由圖5,6可知：基體表面存在深度約為0.15 mm的脫碳層,異常金屬處未見明顯脫碳現象。 

圖  5  基體C元素定量分析結果

圖  6  異常金屬處C元素定量分析結果

2.   綜合分析

由宏觀觀察結果可知,異常金屬與基體呈分離狀,未見融合現象。表明在受外力壓入的作用下,鋼管磨削時異常金屬脫落。由金相檢驗結果可知,鋼管開裂處未見夾雜物,異常金屬處組織與基體組織明顯不同,異常金屬處組織珠光體含量高,為高碳鋼組織[4]。同時,開裂處基體側存在脫碳現象,與鋼管表面脫碳情況一致,而異常金屬處未見脫碳現象,表明開裂處與基體的組織結構不同。電子探針顯微分析結果顯示,異常金屬的C元素質量分數為0.65%,基體的化學成分未見異常,表明異常金屬與基體的材料不同。 

3.   結論

在對鋼管試樣進行磨削時,異常金屬自行脫落,與基體呈分離狀,且異常金屬與基體組織不同,兩者的化學成分中C、Mn、Cr等元素存在明顯差異,說明外來金屬異常壓入導致鋼管表面產生裂紋。 

文章來源——材料與測試網