SCr420 曲軸表面發紋原因分析

劉明遠

（河鋼集團宣化鋼鐵公司，河北075100）

0 引言

SCr420 為低淬透性滲碳鋼，被廣泛應用于機械制造行業中，屬于日本JIS 標準機械制造用合金鋼，對應國標牌號為20Cr。 該鋼種大多用于制造心部強度要求較高，表面承受磨損、形狀復雜而負荷不大的滲碳零件。 日本某機械制造廠外協單位使用SCr420 圓鋼生產通用機械曲軸，其生產工藝流程為：圓鋼→下料→粗車加工→檢驗→滲碳淬火→二次檢驗→精磨拋光→磁粉探傷→包裝入庫。 該廠在某次對成品曲軸進行磁粉探傷時，發現該批產品不合格率偏高，產品存在表面發紋。

發紋是磁粉探傷中經常遇到的一種原材料缺陷，它屬于線狀缺陷[1]。 為此對該批產品發紋試樣的宏觀形貌、化學成分、夾雜物和微觀結構進行了分析，確定了發紋產生的原因，并制定了相應的改進措施。

1 曲軸發紋缺陷宏觀分析

直徑為φ30 mm 的圓鋼經機加工后制成φ28.5 mm 規格曲軸，在偏心軸頭處發現發紋缺陷，對缺陷部位進行取樣，宏觀形貌見圖1（a）、圖1（b）。

宏觀觀察，該裂紋靠近軸頭端部，沿軸向呈直線延伸至主軸內部，長度10 mm，距主軸外表面20 mm，按其加工工藝判斷為原材料內部缺陷，對裂紋局部放大后，裂紋深度較淺，可見底部，橫向無開裂延伸，形貌如圖1（c）。

2 理化檢驗

2.1 裂紋試樣化學成分檢測

使用直讀光譜儀、氧氮分析儀對裂紋試樣進行化學成分測定，結果見表1。根據表1 檢測數據可以看出，該試樣化學成分符合要求。

圖1 裂紋缺陷形貌

表1 發紋缺陷試樣化學成分分析

2.2 裂紋試樣金相檢驗

利用徠卡DMI5000M 金相顯微鏡對缺陷試樣進行觀測，為避免試樣在切割、磨制加工過程中受到外部影響，只對試樣進行了拋光處理，其顯微鏡下形貌如圖2 所示。 由圖2 可以看出：試樣縱截面發紋形貌如圖2a 所示，裂紋沿軸向分布，裂紋末端未貫通，寬度較為均勻，裂紋周邊分布有顆粒狀非金屬氧化物；橫截面裂紋形貌如圖2b 所示，裂紋寬0.016 mm，深0.013 mm，底部尖銳，但無向基體延伸趨勢。

在100 倍視場下對縱截面（圖2a）裂紋周圍夾雜物尺寸進行測定，結果如圖3 所示。 由圖3 可以看出，縱截面發紋缺陷周圍非金屬夾雜物尺寸較大，最大直徑可達78.6μm，接近常規夾雜物最大評級標準上限。 部分夾雜物處出現了孔洞，疑似夾雜物脫落導致。

圖2 發紋缺陷部位顯微形貌

圖3 縱截面夾雜物形態

2.3 掃描電鏡能譜分析

利用掃描電鏡對單顆粒夾雜物進行觀察，其形貌及能譜如圖4 所示。 由圖4 可以看出，該夾雜物主要成分為Al、Ca，綜合國內其他學者對此類問題的研究分析[2，3]，認為發紋缺陷極有可能是夾雜物聚集造成。

為進一步對此進行分析，對裂紋試樣進行了掃描電鏡圖譜分析，裂紋形貌見圖5a，縱截面發紋呈溝槽狀，寬度不均，內部有大量夾雜物填充。 為確定夾雜物成分組成，對裂紋內夾雜物進行了能譜分析及EDS 能譜面掃描，觀測位置如圖5a、5c 所示，能譜分析結果如圖5b 所示，Fe、Ca、Al 元素面分布如5d、5e、5f 所示。

圖4 夾雜物電鏡SEM 形貌及EDS 譜

3 結果分析

從缺陷試樣的化學成分及金相分析來看，未能找到發紋形成的直接原因。 通過電鏡分析，發紋內部夾雜物與周圍夾雜物成分對應性較強，夾雜物主要成分為Al、Ca，而試樣基體未發現以上元素分布，結合該鋼種冶煉過程中使用Al 作為脫氧劑、 用Ca線進行變性處理，說明發紋的形成與Al、Ca 夾雜物有直接關系。 Al、Ca 夾雜物在冶煉和連鑄過程中均可產生。

圖5 發紋缺陷SEM 及EDS

（1）由于鋁為活潑元素，在脫氧過程中，易與鋼中氧結合，生成球狀或點狀的Al2O3夾雜，部分鋁可與鋼中自由氧激烈反應形成樹枝結構的氧化鋁夾雜（氧化鋁簇）；精煉過程加入Ca 使Al2O3變性，但Ca 加入量過多又容易形成固態的鈣鋁酸鹽和硫化鈣夾雜物，但不論是Al2O3還是鈣鋁酸鹽，其塑性都非常低，同時具有超過鋼水溫度的高熔點，而且其在通常的鋼包深度下，小顆粒的夾雜物上浮速率有限，需要較長時間才能上浮到達鋼渣表面，所以在精煉過程進行氬氣攪拌從而促進夾雜物的聚合成團，最終上浮進入渣中，但鋼水中仍會有部分殘留。在中包澆鑄過程中，該類夾雜物都容易聚集，嚴重時會生成絮流，導致水口堵塞。

（2） 結合發紋缺陷試樣化學成分分析，Al 含量接近內控上限，但未超過要求范圍。 在試樣中出現鋁、鈣類氧化物，除脫氧及變性處理過程造成內生夾雜物的原因外，還有可能是鑄坯澆鑄過程二次氧化造成。 目前，SCr420 澆鑄過程中主要采用大包長水口氬封，中包加覆蓋劑及結晶器浸入式水口，并在結晶器液面加蓋保護渣全程保護澆鑄，把鋼液與空氣隔開，防止鋼水二次氧化。 但由于中包下水口與浸入式水口之間密封性較差，鋼水在澆鑄過程中，空氣經由水口連接處進入鋼液，造成鋼水二次氧化，使鋼中夾雜物含量升高，進而影響鋼的質量[4]。 軋制時形成了應力集中，

鋁、鈣類氧化物屬于硬質夾雜物，在軋制過程幾乎不變形，受力情況下易在夾雜物邊部形成應力集中。 從而產生微裂紋，當微裂紋超出了基體的彌補能力后給裂紋擴展創造了條件，隨著后續道次的軋制裂紋在軋件內部沿軋制方向延伸，最終在機加工后暴露于曲軸表面。 當夾雜物聚集形成鏈狀后，軋制后裂紋長度較長，在磁粉探傷中易被發現，故判定為發紋。

4 工藝改進

為了進一步提升產品質量，滿足用戶加工需求，避免鋼水二次氧化，在中包下水口與浸入式水口連接處加裝氬氣密封保護裝置。 工藝優化前、后產品的氣體含量如表2 所示，塔形酸浸檢驗表面質量對比如圖6 所示。

由表2 可以看出，優化后產品氣體含量下降較為顯著。 由圖6 可以看出，工藝優化后產品塔形酸浸檢驗表面質量改善明顯。 同時采取氬氣密保護澆鑄封措施后，產品經用戶加工后磁粉探傷發紋發生率明顯降低，滿足了用戶使用需求。

表2 對比試樣鋼中氣體含量 %

圖6 工藝優化塔形酸浸檢驗表面質量對比

5 結論

綜上所述，以Al、Ca 為主的夾雜物聚集形成鏈狀，經軋制后產生微裂紋隨之擴展、延伸是SCr420曲軸磁粉探傷后發現發紋的直接原因。 結合SCr420圓鋼生產工藝分析，認為連鑄過程中鋼水二次氧化產生的夾渣是造成發裂的主要因素。 通過在中包下水口與浸入式水口連接處加裝氬封保護置的方式減少了鋼水二次氧化，降低了鋼中Al、Ca 為主的夾雜物，提升了曲軸磁粉探傷合格率。 建議今后鋼廠應與用戶對材料的制造、加工、驗收、使用形成共識，應考慮用戶的使用需求，制定相應的檢驗標準，增加塔形、無損探傷檢驗項目。