杜佳美,杨 博,彭 磊

(中天钢铁集团有限公司,常州 213011)

摘 要:对某汽车发动机曲轴用40CrNiMoA 钢进行低倍酸蚀检查时,发现其心部存在疑似裂纹 的缺陷。采用低倍酸蚀对比、化学成分分析、金相检验、磁粉检测等方法分析了缺陷产生的原因。 结果表明:材料心部组织不致密及心部存在的异常贝氏体组织导致其不耐腐蚀,在酸蚀过程中产生 了腐蚀坑,这些腐蚀坑串连在一起形成了“假裂纹”缺陷。对材料连铸及轧钢过程的工艺参数进行 优化后,其致密度提高,心部贝氏体异常组织消失,心部酸蚀30min后无明显腐蚀坑存在。

关键词:40CrNiMoA 钢;低倍缺陷;中心偏析;中心疏松;贝氏体;酸蚀

中图分类号:TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)07-0056-06

40CrNiMoA 钢属于合金结构钢,常用于制作高 强度、高韧性、截面尺寸较大的调质零件,如卧式锻 造机的传动偏心轴、锻压机曲轴、商用车发动机曲 轴、叶片、紧固件、齿轮等。此外,将其进行氮化处理 后,还能制成有特殊性能要求的零件。但由于该钢 种合金含量高,过冷奥氏体稳定性强,因此在轧制冷 却过程中易出现贝氏体、马氏体等异常组织,同时由 于其合金含量高,材料规格较大,如果冶炼及轧制工 艺不合理,圆钢易出现中心偏析、中心疏松等低倍缺 陷[1],降低了材料的致密度,最终影响零件的使用。

某 汽 车 发 动 机 曲 轴 零 部 件 制 造 厂 在 用 40CrNiMoA钢制作商用汽车曲轴时,将原材料下料 后进行低倍酸蚀入厂抽样检查,发现圆钢材料中心存 在肉眼可见的“裂纹”缺陷,该曲轴零件制造加工的工 艺流程为:130mm(直径)原材料→锯切下料→原材 料入厂抽检→锻造→调质→机加工→曲轴磁粉检测、 理化检验→合格品打包及装箱入库。为了分析原材 料低倍酸蚀后心部“裂纹”缺陷产生的原因,笔者通过 一系列理化检验方法对材料的缺陷进行了研究与分 析,并提出了相应的改进措施,以避免此类缺陷再次 产生。

1 理化检验

1.1 低倍检验

对材料进行低倍检验,发现材料心部有明显肉 眼可见的“裂纹”缺陷存在,疑似存在过腐蚀。低倍酸蚀条件为:采用容积比为1∶1的盐酸水溶液作为 腐蚀液,加热温度为80 ℃,侵蚀时间为60 min,材 料缺陷的宏观形貌如图1所示,显微镜下观察到的 低倍缺陷形貌如图2所示。由图1,2可知:肉眼观 察到的疑似“裂纹”缺陷区域是多个点状的腐蚀坑连 续分布呈串状所形成,并非真正的裂纹缺陷[2]。

1.2 化学成分分析

在低倍试样上取样,并用直读光谱仪对试样进 行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知:试 样的化学成 分 符 合 GB/T3077—2015 《合 金 结 构 钢》中对40CrNiMoA 钢的要求,磷、硫等有害偏析 残余元素含量小于标准要求,且心部成分无显著偏 析,因此可以排除因化学成分控制不当或成分偏析 而产生的此类缺陷。

1.3 低倍酸蚀对比

为进一步认识、分析缺陷,在低倍检测缺陷试样 的基础上进行对比分析。将试样用铣床重新铣削加 工后(铣削量2~3mm),进行3次低倍酸蚀试验, 第 1 次 酸 蚀 时 间 为 10min,第 2 次 酸 蚀 时 间 为 20min(总酸 蚀 时 间 30min),第 3 次 酸 蚀 时 间 为 20min(总酸蚀时间50min),期间试样未经再次打 磨加工,为连续酸蚀试验。3次酸蚀后的缺陷形貌 如图3~5所示,在体式显微镜下观察到疑似裂纹低 倍缺陷,实为多个点状的腐蚀坑连续分布呈串状所形 成,且随着酸蚀时间的延长,肉眼可见的疑似裂纹缺 陷形貌越来越明显,显微镜下观察到的腐蚀坑也越来 越严重。不同酸蚀条件下低倍缺陷评级结果的如表 2所示,发现随酸蚀时间的延长,腐蚀程度增加,偏析 形貌会向疏松靠近,偏析点密集处会连接成偏析线, 并有疑似裂纹出现,因此中心偏析级别也提高了。

1.4 金相检验

将第3次酸蚀后的试样沿低倍腐蚀坑纵向磨制 后进行观察,发现腐蚀坑最深约为0.34mm,腐蚀坑 内未发现异常冶金缺陷(见图6)。试样经4%(体积 分数)硝酸酒精溶液侵蚀后进行金相检验,发现腐蚀 坑底部大多沿贝氏体呈条带分布(见图7),贝氏体 实际由粗大的铁素体晶粒与碳化物颗粒组成,界面 及组织复杂,晶格内部应力变大,导致其内部整个系 统的能量变高,材料耐腐蚀性变差,且耐腐蚀性不均 匀[3]。再把腐蚀坑横向磨制3次并进行观察,发现 腐蚀面的腐蚀坑越来越少,直至消失,腐蚀坑边缘未 见明显脱碳现象(见图8)。

金相检验结果表明:随着打磨的进行,腐蚀坑被 逐步打磨掉,材料本身不存在缺陷,如果是材料本身 的心部裂纹、缩孔等缺陷,这些缺陷是很难变少或者 消失的,此外,该次检验也排除了材料过热以及钢中 存在夹渣、夹杂物等冶金缺陷。

1.5 将 磁 低 粉

倍 检 试 测 样横向打磨后进行磁粉检测,结果表 明:试样横截面未见明显缺陷存在,说明低倍酸蚀前 并不存在孔洞缺陷(见图9)。因此,可以排除材料 在酸蚀前存在疑似裂纹缺陷。

2 综合分析

通过分析上述理化检验结果可以认为,酸蚀缺 陷是由材料其心部存在贝氏体异常组织、中心低倍 偏析、疏松等,在酸蚀时不耐腐蚀造成的,并非真正 的裂纹缺陷。虽然排除了材料心部裂纹缺陷的存 在[4],但是却证实了其心部组织不够致密并存在贝 氏体异常 组 织,这 些 缺 陷 同 样 会 影 响 材 料 的 使 用 性能。

经过研究分析并查阅相关文献[5],认为合金结 构钢产生心部贝氏体的主要原因有:① 连铸过程产 生的铸坯中心偏析,且偏析元素在轧制加热过程中 得不到扩散,这样轧材心部的碳元素及合金元素含 量就会偏高,导致材料心部过冷,奥氏体组织稳定性 提高,在轧制冷却过程中易于形成马氏体、贝氏体异 常组织;② 终轧后材料心部往往因为散热慢,容易 造成其心部温度过高,在随后的冷却过程中会加快 心部的冷却速率,当冷却速率超过下临界冷却速率 时,过冷奥氏体组织在冷却过程中将不发生珠光体 转变,转变温度区发生恒温转变得到贝氏体组织,如 果冷却速率进一步加快,过冷奥氏体组织将在 Ms (马氏体转变的起始温度)以下发生相变,产生危害更大的马氏体组织。

3 工艺优化改进措施

经过分析,虽然可以排除材料低倍缺陷为心部 裂纹缺陷,但是如果在后续的锻造加工过程中不能 消除中心缺陷,同样会影响到零件的最终使用性能, 为改善这一缺陷,需要提高材料心部的致密度,减少 中心疏松,同时需要减少中心偏析,并防止心部非平 衡态组织出现。这就需要对连铸工艺参数及轧制过 程工艺参数进行优化。

3.1 连铸工艺参数优化

该材 料 生 产 的 铸 坯 断 面 尺 寸 为 300 mm × 325mm(长×宽),为改善材料心部的疏松及中心偏 析等缺陷,首先需要对连铸过程中相关参数进行优 化,包括首末端电磁搅拌参数、连铸拉速、二冷比水 量等,经过模拟计算并多次现场试验得出了最优的 连铸相关参数[6-7],连铸工艺参数优化前后对比结果 如表3所示。

3.2 轧制工艺参数优化

为使材料轧后组织更为致密,减少心部贝氏体 等异常组织,并减轻铸坯带来的心部缺陷,需要对轧 制工艺参数进行如下优化:提高加热温度,并保持一 定的高温扩散加热时间,使碳、磷、硫等易偏析元素 及其他合金元素等得以充分扩散,减轻材料的心部 偏析缺陷;同时适当增加高压除鳞水压力,创造轧制 过程中材料外冷心热的条件,从而使轧制力能够往 心部渗透,达到减轻材料心部疏松的目的;此外,还 需要降低圆钢的终轧温度,防止终轧时心部温度过 高,在随后的冷却过程中,心部易出现贝氏体甚至马 氏体异常组织[8],轧制工艺参数优化前后对比结果 如表4所示。

轧后在冷床上对圆钢进行快速收集,并进坑缓冷, 要求进坑温度大于500℃,缓冷48h后出坑,要求出坑 温度不超过200℃,缓冷工艺同样是防止材料在轧后 冷却过程中出现贝氏体、马氏体等异常组织[9]。

3.3 改进效果验证

图10 工艺改进前后圆钢低倍酸蚀30min形貌对比 采用改进后的连铸工艺及轧制工艺,重新组织 了40CrNiMoA 钢的连铸生产和轧制生产,工艺改 进前后圆钢低倍酸蚀形貌对比如图10及表5所示。 由对比结果可知,改进后,圆钢低倍组织致密,已经 无明显肉眼可见的“裂纹”缺陷存在,中心疏松、偏析 情况明显好转。

取改进后材料的酸蚀低倍试样 (腐蚀时间 为 30min)在显微镜下观察其心部组织,并与改进前进 行对比,结果如图11所示;同样从酸蚀30min后的 低倍试样上取样并进行纵向磨制,分析改进前后心 部纵向微观形貌,结果如图12所示。由图11,12可 知:改进后的心部试样在显微镜下放大10倍观察, 无明显腐蚀坑存在,试样经轻微磨制、抛光后,放大 观察,仍然未发现有裂纹形貌的腐蚀坑存在;改进后 心部纵向组织已无贝氏体异常组织,而是珠光体+ 铁素体组织,组织得到了改善,因此可以认为改进效 果是明显的。

4 结论

(1)用 户现场所取低倍试样的化学成分符合GB/T3077—2015对 40CrNiMoA 钢的标准要求, 表明不是成分原因导致的低倍缺陷。 (2)由于材料内部的贝氏体条带组织及心部疏 松等缺陷不耐腐蚀,经过酸蚀后易形成腐蚀坑(或孔 洞),随着腐蚀时间的延长,腐蚀坑的直径越来越大, 最后呈串状连在一起,呈现出近似于“裂纹”的形态 (假裂纹),并非真正意义上钢材内部的裂纹缺陷。 (3)材料心部贝氏体等异常组织是由材料心部 偏析,材料轧制过程心部冷却速率过快导致的。 (4)对连铸工艺参数及轧制工艺参数进行了合 理优化,最终避免了材料在酸蚀过程中出现腐蚀坑, 材料的致密度得以提高,心部异常组织得到了控制, 从而提升了材料的综合使用性能。

参考文献: [1] 蔡开科.连铸坯 质 量 控 制[M].北 京:冶 金 工 业 出 版 社,2010. [2] 秦影,刘辉霞,胡云生,等.连铸坯低倍缺陷的产生原 因及控制[J].河北冶金,2004(4):41-43. [3] 李鹤飞,覃作祥.25MnCrNiMo钢贝氏体组织形态的 显微结构分析[J].大连交通大学学报,2015,36(增刊 1):97-101. [4] 毛斌斌,范敏杰,曹艳锋,等.连铸坯低倍组织缺陷形 成原因与控制措施分析[J].江苏科技信息,2018,35 (8):36-38. [5] 王超,柯加祥,张 虎,等.42CrMo圆 钢 组 织 性 能 的 优 化[J].轧钢,2020,37(5):100-102. [6] 王超,孙建设,张同方.轴承钢针孔状疏松成因分析及 应对措施[J].山东冶金,2018,40(3):36-38. [7] 于志敏.连铸轴承钢中心偏析缺陷探讨[J].哈尔滨轴 承,2019,40(4):36-37,42. [8] 岳祎楠,郭瑞华,杨雄.低合金结构钢控轧控冷组织性 能研究[J].包钢科技,2018,44(6):42-45. [9] 靳兰芬,梁甜.16Mn钢轧后控制冷却的 贝 氏 体 组 织 与性能[J].材料科学与工艺,1995,3(4):52-56.

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