何 杰 付成輝

(江蘇沙鋼集團(tuán)淮鋼特鋼股份有限公司， 江蘇 淮安 223002 )

40Cr鋼棒材冷拔斷裂原因分析與改進(jìn)

何 杰 付成輝

(江蘇沙鋼集團(tuán)淮鋼特鋼股份有限公司， 江蘇 淮安 223002 )

采用掃描電鏡能譜儀、光學(xué)顯微鏡、光譜儀、硬度計(jì)等，檢測分析40Cr樣品冷拔斷裂原因；通過宏觀分析、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)以及斷口分析等方法對(duì)40Cr冷拔斷裂的原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明，40Cr鋼冷拔斷裂原因?yàn)楸韺咏M織異常。該異常組織源于棒材軋制過程中控冷工藝不當(dāng)，冷速過快。

40Cr鋼； 棒材； 冷拔斷裂； 失效分析

某汽車零件加工廠對(duì)某批Ф30 mm的40Cr合金鋼進(jìn)行冷拔，冷拔工藝為：選原材 — 酸洗 — 磷化 — 皂化 — 冷拔Ф27.60 mm — 產(chǎn)品檢查 — 發(fā)現(xiàn)部分?jǐn)嗔哑?。進(jìn)行產(chǎn)品檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)有25%的次品，其主要缺陷是在冷拔時(shí)發(fā)生斷裂。為了分析斷裂缺陷形成的原因，對(duì)樣品斷裂部位進(jìn)行了理化檢驗(yàn)與分析，根據(jù)分析結(jié)果提出改進(jìn)意見。

1 試驗(yàn)研究

1.1 宏觀形貌

樣品宏觀形貌如圖1所示，裂紋源位于圓鋼表面，樣品表面除了斷口之外還存在其他兩處橫向裂紋。

圖1 樣品宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分

采用ARL4460直讀光譜儀對(duì)冷拉斷裂的40Cr圓鋼樣品進(jìn)行化學(xué)成分檢測，結(jié)果如表1所示。樣品化學(xué)成分符合GBT 3077 — 2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》中對(duì)40Cr鋼化學(xué)成分的技術(shù)要求。

表1 40Cr圓鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.3 非金屬夾雜物檢驗(yàn)

分別在2個(gè)冷拉斷裂的樣品上取非金屬夾雜物金相試樣，經(jīng)預(yù)磨、拋光后在ZEISS OBSERVER.D1M顯微鏡下觀察。按照GBT 10561 — 2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 —— 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》進(jìn)行非金屬夾雜物評(píng)級(jí)(見表2)，樣品中非金屬夾雜物均滿足GBT 3077 — 2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》中對(duì)特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼的非金屬夾雜物控制要求。

1.4 低倍檢驗(yàn)

從冷拔斷裂樣品上取一小段試樣，將其加工成低倍試樣，經(jīng)酸洗后進(jìn)行低倍檢測。結(jié)果顯示：一般疏松0.5級(jí)，中心疏松0.5級(jí)，定性偏析0.5級(jí)，無縮孔、白點(diǎn)、翻皮、皮下氣泡、內(nèi)部氣泡及非金屬夾雜物等冶金缺陷。

表2 非金屬夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果 %

1.5 斷口分析

應(yīng)用掃描電鏡觀察斷口各區(qū)域組織，如圖2所示。裂紋源及剪切唇區(qū)呈韌窩特征，擴(kuò)展區(qū)為解理特征，可見二次裂紋，且在裂紋源區(qū)未觀察到夾雜物。

1.6 金相及能譜分析

對(duì)圖3所示樣品的檢驗(yàn)面進(jìn)行金相觀察，在拋光面上可見環(huán)狀裂紋，在裂紋內(nèi)部可見類似夾雜物物質(zhì)。如圖4所示，掃描電鏡能譜分析結(jié)果顯示，裂紋內(nèi)部物質(zhì)為氧化鐵，具體分析數(shù)據(jù)見表3。如圖5所示，將拋光面用4%硝酸酒精溶液浸蝕后，觀察到裂紋處組織為馬氏體+鐵素體，橫截面樣品內(nèi)部組織為珠光體+鐵素體。

圖2 斷口微觀組織形貌

圖3 金相檢驗(yàn)面位置圖

2#樣品拋光后如圖6所示，其拋光面所見裂紋對(duì)應(yīng)圖1(b)所示裂紋，左側(cè)裂紋即為圖5所示環(huán)狀裂紋的縱截面。裂紋形態(tài)進(jìn)一步驗(yàn)證，裂紋均由圓鋼表層起裂?？v截面樣品浸蝕后的裂紋如圖7所示，裂紋兩側(cè)未見脫碳，組織均為鐵素體，珠光體和貝氏體。

表3 裂紋內(nèi)部各元素能譜分析結(jié)果 %

圖4 裂紋內(nèi)部物質(zhì)能譜分析結(jié)果

圖5 1#樣品金相組織

圖6 裂紋縱截面形貌

圖7 裂紋處組織

觀察到遠(yuǎn)離斷口另一端的3#樣品截面組織，如圖8所示。該處組織與1#樣品組織一致，即圓鋼表層組織為鐵素體，珠光體和貝氏體，內(nèi)部組織為珠光體和鐵素體，表層硬化區(qū)厚度約4 mm。根據(jù)40Cr鋼的CCT曲線可知，冷速小于2 ℃s時(shí)，組織會(huì)出現(xiàn)鐵素體與珠光體；當(dāng)冷速大于2 ℃s時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)貝氏體[1]。根據(jù)生產(chǎn)要求，40Cr鋼軋材是不允許出現(xiàn)貝氏體與馬氏體等異常組織的，軋后冷速過快是40Cr冷拉斷裂的主要原因[2]。

圖8 3#樣品組織觀察

1.7 硬度測試

對(duì)3#樣品檢測面進(jìn)行布氏硬度測定，表層測試3次，截面14處測試1次，中心處測試1次。從外表層到次表層，3個(gè)次表層測試的硬度分別為321 HBW、278 HBW、266 HBW；截面14處測試的硬度為207 HBW；中心處測試的硬度為202 HBW。

2 斷裂原因分析及改進(jìn)措施

樣品化學(xué)成分，非金屬夾雜物級(jí)別均滿足GB/T 3077 — 2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》中的技術(shù)要求。通過橫截面組織觀察可知，圓鋼表層組織與內(nèi)部組織不一致，表層組織為鐵素體，珠光體和貝氏體，該組織硬度高，韌性較差[3]，內(nèi)部組織為珠光體和鐵素體。硬度測試顯示，圓鋼未斷裂位置表層硬度值明顯高于內(nèi)部，圓鋼截面14處與中心處硬度值接近，說明圓鋼內(nèi)部組織均勻，而表層硬度值偏高的原因正是由于存在貝氏體等異常組織[4]，這與組織分析結(jié)果一致。由于已斷裂的斷口裂紋源及另兩處未斷裂裂紋源均處于圓鋼表層，因此40Cr圓鋼冷拉拔斷裂的原因在于圓鋼表層存在異常組織所致。

由樣品信息可知，用戶生產(chǎn)工藝為：原材 — 酸洗 — 磷化皂化 — 冷拔Φ27.60 — 發(fā)現(xiàn)斷裂，其中并不存在熱處理環(huán)節(jié)。由此可推斷，圓鋼表層的異常組織來源于原材，而圓鋼表層存在硬化組織的原因可能是軋后冷速過快。

基于以上分析，提出以下改進(jìn)措施：

(1) 嚴(yán)控冷卻速度。40Cr冷拔斷裂，是因?yàn)槠浒舨谋韺赢a(chǎn)生了貝氏體等異常組織所導(dǎo)致。在軋后冷卻過程中，嚴(yán)控其冷卻速度，特別是風(fēng)機(jī)風(fēng)向、自然風(fēng)流向等，嚴(yán)禁正對(duì)熱軋材吹風(fēng)操作，及時(shí)關(guān)閉冷床區(qū)域的門窗。

(2) 保證冷床干燥整潔，及時(shí)清理冷床。

(3) 對(duì)于棒材頭尾冷速較快，應(yīng)按照工藝要求嚴(yán)格執(zhí)行切頭尾操作。

3 結(jié) 語

經(jīng)過分析，得到以下結(jié)論：

(2) 圓鋼斷裂裂紋源處于圓鋼表層。

(3) 圓鋼表層組織與內(nèi)部組織不一致，表層組織為鐵素體，珠光體和貝氏體，內(nèi)部組織為珠光體和鐵素體。40Cr合金鋼冷拔斷裂原因?yàn)閳A鋼表層存在異常組織，冷拔過程中從表面開裂，該異常組織可能來自于原材料的軋后控冷工藝不當(dāng)。

(4) 嚴(yán)控軋后冷速，保證軋后冷卻過程中不出現(xiàn)異常組織。

[1] 王有銘，李曼云.鋼材的控制軋制和控制冷卻[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1995：5.

[2] 胡世炎.失效分析手冊(cè)[M] .北京：國防工業(yè)出版社，2005：16.

[3] 鐘群鵬.失效分析基礎(chǔ)知識(shí)[M] .北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990：35.

[4] 徐祖耀.金屬學(xué)原理[M] .上海：科學(xué)技術(shù)出版社，1964：62.

Analysis and Improvement for Cold Drawing Fracture of 40Cr Steel Bar

HEJieFUChenghui

(Huaigang Special Steel Co., Ltd., Jiangsu Shagang Group, Huai′an Jiangsu 223002, China)

Cold drawing fracture of 40Cr samples were analyzed by using EDS, Optical Microscope, Spectrometer, Micro hardness tester, to test and analyze the reason of cold drawing fracture. By means of macroscopic analysis, chemical composition analysis, metallographic examination and fracture analysis, the reason of cold drawing fracture is further studied. The results show that the reason of cold drawing fracture of the 40Cr steel is due to the abnormal structure on the surface of the samples, which were from unreasonable rolling and cooling process. The cooling rate is too fast, which results in abnormal structure such as bainite.

40Cr steel; bar material; cold drawing fracture; failure analysis

2017-03-20

江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)資金項(xiàng)目“高速重載鐵路用高性能特殊鋼研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”(BA2013111)

何杰(1984 — )，男，工程師，研究方向?yàn)榻饘俨牧侠砘瘷z測和失效分析。

TG156

A

1673-1980(2017)04-0064-04