40CrBM鋼的生產(chǎn)實(shí)踐及裂紋缺陷分析

郭志元

（山鋼股份萊蕪分公司 特鋼事業(yè)部，山東 萊蕪271104）

40CrBM鋼的生產(chǎn)實(shí)踐及裂紋缺陷分析

郭志元

（山鋼股份萊蕪分公司 特鋼事業(yè)部，山東 萊蕪271104）

通過(guò)工藝路線、冶煉工藝、軋制工藝設(shè)計(jì)，對(duì)40CrBM鋼進(jìn)行了試生產(chǎn)。針對(duì)在客戶使用中出現(xiàn)的裂紋現(xiàn)象進(jìn)行分析，找出裂紋缺陷原因?yàn)檫B鑄坯帶來(lái)的夾雜物導(dǎo)致，夾雜物產(chǎn)生是鋼液不純凈以及鋼液在連鑄過(guò)程中二次氧化導(dǎo)致。通過(guò)對(duì)硫含量、氧含量、連鑄過(guò)程的控制，提高了鋼液純凈度，滿足了用戶技術(shù)要求。

40CrBM鋼；裂紋；夾雜物；鋼液純凈度

1 前言

40CrBM鋼材料是在40Cr的基礎(chǔ)上適當(dāng)添加了硼和其他微量元素而形成的一種新材料。由于硼等微量元素的作用，使該材料的淬透性大大提高。40CrB材料的優(yōu)點(diǎn)是淬透性好，不易變形和開(kāi)裂，更便于通過(guò)熱處理改善鋼的性能。該鋼種可以根據(jù)需要經(jīng)鍛后余熱處理經(jīng)高頻表面淬火，回火后用于制造表面有較深的高硬度層，耐磨性能好，心部具有一定韌性的零部件。40CrBM鋼市場(chǎng)前景廣闊，是具有較好經(jīng)濟(jì)效益的特鋼品種，對(duì)其研究開(kāi)發(fā)有利于改善特鋼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。萊鋼特鋼事業(yè)部對(duì)該鋼種進(jìn)行了試制生產(chǎn)，針對(duì)在客戶使用中出現(xiàn)的裂紋現(xiàn)象進(jìn)行了檢測(cè)分析，并對(duì)試制工藝加以改進(jìn)，滿足了用戶技術(shù)要求。

2 試制生產(chǎn)情況

2.1 生產(chǎn)工藝路線

根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的裝備條件，對(duì)生產(chǎn)工藝路線進(jìn)行了設(shè)計(jì)，工藝路線為：鐵水+廢鋼→50 t電爐→LF精煉→VD真空脫氣→連鑄坯（260 mm×300 mm斷面）→加熱爐→粗軋→精軋→定尺鋸切→冷床→入緩冷坑→精整入庫(kù)。

2.2 煉鋼連鑄工藝

入爐原料采用優(yōu)質(zhì)廢鋼和熱裝鐵水，熔清碳≥0.6%，殘余元素符合標(biāo)準(zhǔn)。冶煉過(guò)程造好泡沫渣、均勻脫碳，減少吸氮。電爐出鋼過(guò)程隨鋼流加鋼芯鋁，出鋼溫度控制在1 620～1 660℃。鋼包合金化時(shí)按成分下限配入合金，造渣料按10～15 kg/t左右加入。

精煉加強(qiáng)脫硫，控制渣堿度＞3.0，取一次樣前喂入鋁線，在白渣下取樣分析。冶煉連鑄過(guò)程避免鋼液裸露與大氣發(fā)生直接接觸防止增氮。過(guò)程禁止與空氣接觸，減少鋼水吸氣，防止增氮［1］。白渣保持時(shí)間≥20 min。調(diào)整化學(xué)成分符合內(nèi)控成分后，入VD工位。真空處理時(shí)間＞25 min，VD破空后軟吹氬時(shí)間＞15 min。

連鑄過(guò)程全保護(hù)澆鑄，鋼種液相線1 492℃，中間包過(guò)熱度控制在20～30℃，結(jié)晶器采用含B鋼專用保護(hù)渣，同時(shí)采用二冷區(qū)弱冷配水，連鑄坯拉速控制在（0.52±0.02）m/min。為保證鑄坯質(zhì)量，不在冷床上停留，保持在600℃以上進(jìn)入緩冷坑緩冷。

2.3 軋鋼工藝

連鑄圓坯進(jìn)加熱爐加熱，加熱時(shí)間＞3.5 h，保證加熱均勻。開(kāi)軋溫度1 100～1 180℃。軋制前認(rèn)真檢查設(shè)備，避免軋輥粘輥、導(dǎo)衛(wèi)導(dǎo)輪不轉(zhuǎn)動(dòng)、輥道劃傷等影響圓鋼表面質(zhì)量。加強(qiáng)對(duì)軋制節(jié)奏的控制，保證終軋溫度850～950℃。定尺鋸切后進(jìn)入大冷床，打捆后進(jìn)入緩冷坑緩冷，緩冷時(shí)間＞48 h。

2.4 試制結(jié)果

采用電爐冶煉-LF+VD精煉-連鑄-軋制成材工藝生產(chǎn)合金結(jié)構(gòu)鋼40CrBM，工藝流程合理，鋼材的低倍、非金屬夾雜物、力學(xué)性能等均滿足標(biāo)準(zhǔn)或用戶要求。

2.5 客戶使用情況

合金結(jié)構(gòu)鋼40CrBM經(jīng)用戶使用反映，實(shí)物質(zhì)量良好，加工性能優(yōu)異。下料時(shí)材料硬度均勻，易控制，熱處理穩(wěn)定性較好。鋼材外形尺寸和表面質(zhì)量?jī)?yōu)良，能夠較好地滿足使用要求。但是，有客戶反饋在使用40CrBM鋼材鍛造零件并進(jìn)行熱處理后，發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁上有明顯的類似夾渣缺陷導(dǎo)致的裂紋。檢查發(fā)現(xiàn)存在此缺陷的零件數(shù)量比較多，用肉眼可看出，內(nèi)壁上的缺陷非常明顯，類似夾渣，但更象是內(nèi)壁表面破損后的拉傷或拉裂，有些順著橫向開(kāi)裂破損較大，有些為斑點(diǎn)狀，需要進(jìn)一步通過(guò)試驗(yàn)尋找成因。

3 裂紋缺陷分析

3.1 化學(xué)成分

對(duì)用戶提供的裂紋試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。檢驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)要求的化學(xué)成分進(jìn)行對(duì)比，裂紋試樣各元素化學(xué)成分均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。

3.2 金相組織

用戶加工工藝為1 100℃中頻加熱-沖鍛-空冷-內(nèi)、外車削-熱處理。車削后發(fā)現(xiàn)部件內(nèi)壁存在裂紋，制取裂紋試樣，經(jīng)研磨、拋光后，用4%硝酸酒精溶液腐蝕，在LEICA DM6000M光學(xué)顯微鏡下對(duì)試樣端面的兩個(gè)裂紋部位進(jìn)行金相分析，裂紋組織形貌如圖1所示。

表1 裂紋試樣的化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

圖1 試樣端面裂紋部位金相組織 200×

從圖1可以看出，裂紋處有明顯脫碳，缺陷應(yīng)與鋼材內(nèi)部質(zhì)量相關(guān)。由于無(wú)法確定最終原因，對(duì)試樣微小裂紋進(jìn)一步做金相分析，微小裂紋組織形貌如圖2所示。

圖2 試樣微小裂紋金相組織 100×

從圖2中可以看出，微細(xì)裂紋內(nèi)部存在大量夾雜物，因此可判定為連鑄坯帶來(lái)的鋼材質(zhì)量問(wèn)題。

3.3 裂紋產(chǎn)生機(jī)理分析

從金相檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，此類裂紋多較深（＞1.0 mm），末端較尖，有的有次生裂紋，裂紋內(nèi)或附近多有較復(fù)雜的夾雜物存在。此類裂紋特點(diǎn)是鋼材內(nèi)部不潔凈，有夾雜物存在。根據(jù)裂紋形狀特征又可細(xì)分為尖銳楔型裂紋、帶有次生裂紋的裂紋和氣泡—夾雜共生型裂紋3種。

1）尖銳楔形裂紋。此種裂紋寬深比很小，呈尖銳楔形（或刺刀狀）。深度可達(dá)4～5 mm，最大可超過(guò)10 mm。金相顯微鏡下觀察裂紋內(nèi)多有復(fù)相夾雜物存在。對(duì)這些夾雜物進(jìn)行的能譜分析表明：除含有較多的 FeO 之外，還有 Si、Mn、Al、Ca、S 等元素的富集，有時(shí)也有Mg、K、Na等元素的富集現(xiàn)象。

2）帶有次生裂紋的夾雜型裂紋。在主干裂紋中或根部存在支叉狀裂紋。深度可達(dá)到4～5 mm，甚至為10 mm。此類裂紋內(nèi)部一般都有非金屬夾雜物。能譜分析表明，夾雜物組成與尖銳楔形裂紋內(nèi)夾雜物基本一致。

3）氣泡—夾雜共生型裂紋。裂紋根部不尖銳，與氣泡型裂紋根部形狀相近，但深度多在2～3 mm，甚至可達(dá)5 mm。裂紋內(nèi)部從裂紋開(kāi)口處起或局部、或全部的有復(fù)相夾雜物存在。鋼中夾雜物破壞金屬基體的連續(xù)性，使夾雜物所在區(qū)域的金屬?gòu)?qiáng)度、韌性與抗變形能力等均有所降低。軋制過(guò)程中，上述夾雜物位于“表皮”下，被表面層、氧化層“捕獲”后，在加熱軋制時(shí)，一方面由于許多夾雜物本身的熔點(diǎn)較低，在軋制加熱的溫度（約1 200℃）下已處于熔融狀態(tài)；另一方面，高氧化性氣氛下鋼錠、坯表面受到很大的變形應(yīng)力，導(dǎo)致表層開(kāi)裂，形成管狀縱向表面裂紋［2］。

根據(jù)生產(chǎn)中連鑄坯出現(xiàn)的夾雜物類型和形態(tài)，結(jié)合生產(chǎn)工藝變化，對(duì)夾雜物的來(lái)源進(jìn)行了探討，確定40MnBM裂紋缺陷造成的原因?yàn)檫B鑄坯帶來(lái)的夾雜物導(dǎo)致，該夾雜物產(chǎn)生的原因?yàn)殇撘翰患儍粢约颁撘涸谶B鑄過(guò)程中二次氧化導(dǎo)致。

4 改進(jìn)措施

4.1 硫含量控制

硫是鋼中的有害元素（易切鋼除外）是產(chǎn)生內(nèi)部裂紋的根源。對(duì)硫含量高的加鋁鋼進(jìn)行鈣處理時(shí)易產(chǎn)生硫化鈣高熔點(diǎn)夾雜物，易造成水口結(jié)瘤。冶煉中通過(guò)控制鋼中Mn/S，使足夠的錳和硫結(jié)合所形成的MnS以棒狀形式分散在奧氏體基體中，以使軋材不易形成裂紋。另外，鋼中硫含量過(guò)高將惡化鋼材冷鍛性能。

4.2 氧含量控制

鋼的純凈度通常用鋼的總氧含量表示。鋼的純凈度要求，主要是指氧化物夾雜含量的降低以及除硫以外其他有害元素的降低。氧化物含量高低直接取決于氧含量的高低。鋼中存在的大顆粒夾雜物相當(dāng)于一個(gè)敏感的裂紋源，使鋼的延展性降低。即使在很低的拉應(yīng)力作用下，裂紋也極易擴(kuò)展，造成工件失效。同時(shí)，當(dāng)過(guò)量的夾雜物聚集在晶界時(shí)，易產(chǎn)生沿晶界脆斷，使鋼的延展性降低。

利用電爐熱裝鐵水降低殘余元素的含量，利用碳氧反應(yīng)促進(jìn)鋼中夾雜物和氣體的上浮。通過(guò)流渣排除，嚴(yán)格控制終點(diǎn)碳，為精煉工序控制成分創(chuàng)造良好的條件。采用偏心爐底出鋼，杜絕氧化渣進(jìn)入鋼包；在精煉前期強(qiáng)化脫氧，控制爐渣堿度和流動(dòng)性，控制酸溶鋁含量；調(diào)整LF爐吹氬流量（40～150 L/min），有效均勻成分，使鋼水中結(jié)合氧大幅度下降；添加鋁粒和電石，快速降低渣中氧含量。保持白渣，使鋼中氧化鐵含量很低，以利于鋼水中的氧向渣中擴(kuò)散，起到了很好的脫氧效果，使鋼的純凈度和氧含量達(dá)到一個(gè)較好的水平。具體控制措施如下：

1）電爐冶煉終點(diǎn)碳控制電爐冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的夾雜物主要是在出鋼時(shí)鋼水脫氧反應(yīng)的產(chǎn)物。電爐冶煉工序?qū)ρ鹾亢蛫A雜物控制的重點(diǎn)是控制鋼水終點(diǎn)碳含量和優(yōu)化脫氧劑的使用，目標(biāo)是防止鋼水過(guò)氧化、保證鋁的脫氧效果、穩(wěn)定合金收得率，從而獲得穩(wěn)定的鋼水成分。

2）終點(diǎn)碳的控制和脫氧工藝。電爐冶煉終點(diǎn)時(shí)鋼水碳含量顯著地影響鋼水中氧含量，進(jìn)而顯著影響鋼水脫氧效果和脫氧劑及合金元素的收得率，并顯著影響鋼水成分的穩(wěn)定性和脫氧后鋼中夾雜物的數(shù)量和類型。根據(jù)碳氧反應(yīng)平衡理論，在一定溫度下碳氧濃度積等于常數(shù)，1 600℃時(shí)，碳氧濃度積為0.002 0～0.002 5。實(shí)際生產(chǎn)中，終點(diǎn)氧含量還受終點(diǎn)渣氧化鐵、熔池溫度的影響。根據(jù)碳氧積，當(dāng)冶煉終點(diǎn)碳處于0.05%～0.10%時(shí)，終點(diǎn)碳含量越低，鋼水中氧含量增加越顯著，脫氧產(chǎn)物增加則越明顯，產(chǎn)品則難以滿足對(duì)鋼中氧含量和清潔度的要求。根據(jù)對(duì)夾雜物和氧含量的較高控制要求，萊鋼電爐冶煉要求鋼水終點(diǎn)碳含量控制在≥0.20%。

3）鋁脫氧。根據(jù)山鋼股份萊蕪分公司特鋼事業(yè)部生產(chǎn)齒輪鋼的經(jīng)驗(yàn)，采用鋁脫氧進(jìn)行深度脫氧。根據(jù)20CrMnTiH鋼的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，若保證鋼中鋁控制在0.02%～0.05%，可以使鋼中最終溶解氧降低到（5～8）×10-6，這為20CrMnTiH鋼中總氧不超過(guò)20×10-6。提供了較好的基礎(chǔ)。40CrB鋼生產(chǎn)中也采用鋁脫氧，并控制鋼水中酸溶鋁處于0.015%～0.040%。鋁的加入量主要根據(jù)鋼中氧含量和鋼水過(guò)氧化的情況，一般控制鋼芯鋁加入量在1.5～2.5 kg/t。

4）LF+VD精煉鋼中夾雜及氧含量控制。通過(guò)鋁及其他合金元素脫氧，鋼中溶解氧大幅度降低，但鋼中全氧數(shù)量仍然較高，雖然大部分脫氧產(chǎn)物在鋼水鎮(zhèn)靜過(guò)程中上浮，但仍有部分脫氧產(chǎn)物如Al2O3存在于鋼中。同時(shí)由于出鋼時(shí)，為了增強(qiáng)鋼渣間反應(yīng)，采取了鋼渣混沖的出鋼方式，LF精煉是去除夾雜、降低總氧含量、微調(diào)合金的主要工序。在精煉過(guò)程中選擇合適精煉渣系和執(zhí)行合理的軟吹氬制度去除鋼中夾雜物，降低總氧含量，提高鋼的純凈度。喂鋁線和硅鈣線強(qiáng)化脫氧及夾雜物變形處理。通過(guò)VD真空脫氣處理進(jìn)一步降低鋼中的氣體含量，提高鋼材的純凈度。控制VD前渣層在45～50 mm，利于氮的脫除，同時(shí)避免硼元素的氧化，從而穩(wěn)定硼元素收得率，也能保證在VD過(guò)程中細(xì)微夾雜物的去除。加強(qiáng)VD真空脫氣及硼的加入方式由VD后改為VD前，可以有效控制渣子變性，降低含硼鋼的裂紋缺陷。

4.3 連鑄過(guò)程控制

連鑄采用全程保護(hù)澆鑄避免二次氧化，具體措施：1）鋼包中鋼水采用高堿度，低氧化性渣覆蓋，鋼水在從精煉爐到連鑄平臺(tái)的過(guò)程中，大包內(nèi)加入覆蓋劑，隔絕空氣和鋼水的接觸，防止鋼水的二次氧化。在出鋼及澆鑄過(guò)程大包加鈣質(zhì)覆蓋劑，提高鋼包渣堿度，使其具有較強(qiáng)的吸附Al2O3、SiO2夾雜的能力，增強(qiáng)去除鋼中夾雜物和降低氧含量能力，并減少其對(duì)包襯的侵蝕而生產(chǎn)夾雜物污染鋼液。渣中加入鋁粒、電石、碳化硅降低鋼渣的氧化性，減少鋼渣向鋼液的傳氧。2）大包至中間包，中間包到結(jié)晶器采用保護(hù)套管并吹氬保護(hù)。該措施避免了鋼水二次氧化。3）中間包內(nèi)加入堿性覆蓋劑，結(jié)晶器內(nèi)加保護(hù)渣，中間包覆蓋劑和結(jié)晶器保護(hù)渣，隔絕了鋼水與空氣的接觸，避免了二次氧化，同時(shí)具有吸附酸性?shī)A雜物的能力。

5 結(jié) 語(yǔ)

山鋼股份萊蕪分公司特鋼事業(yè)部通過(guò)一系列工藝技術(shù)研究及改進(jìn)，開(kāi)發(fā)的40CrBM工程機(jī)械用鋼化學(xué)成分穩(wěn)定、潔凈度高，其良好的淬透性等指標(biāo)滿足了用戶技術(shù)要求，具有廣闊的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)價(jià)值。

[1] F Hengere，J Beswick，A Kerrigan.Evaluation of the Continuous Cast ing Method for Beating Steel Production—SKF Experience[J].Cre ative Use of Bearing Steels，ASTM STP 1195，11C.Hoo，Ed.，Philadelphia，1993：239-251.

[2] 孫洪杰，王偉，吳兵.連鑄坯夾雜原因分析［J］，山東冶金，1998，20（6）：31-33.

Production Practice and Crack Defect Analysis for 40CrBM Steel

GUO Zhiyuan
（The Special Steel Division of Laiwu Branch of Shandong Iron and Steel Co.，Ltd.，Laiwu 271104，China）

TF713

B

1004-4620（2017）05-0024-03

2017-08-24

郭志元，女，1984年生，2008年畢業(yè)于內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)。現(xiàn)為萊鋼特鋼事業(yè)部工程師，從事產(chǎn)品研究及質(zhì)量管理工作。