40CrAH圓鋼軋材表面裂紋分析

孫遠(yuǎn)偉，尹衍成

（中信泰富特鋼研究院青鋼分院，山東 青島266000）

1 前 言

在機(jī)械制造行業(yè)中，40Cr是應(yīng)用非常廣泛的材料，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)后的40Cr 鋼，其力學(xué)性能、低缺口敏感性和低溫沖擊性均得到改善，并且其冷鐓工藝不僅能夠減少原材料的使用，還能降低機(jī)械加工的成本。作為高級(jí)優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼，40CrAH 鋼被廣泛地應(yīng)用于重型汽車(chē)連桿的加工制造中。我國(guó)重型汽車(chē)制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，40CrAH 鋼已成為重型汽車(chē)連桿用鋼的主要品種，市場(chǎng)對(duì)其需求不斷增長(zhǎng)。某鋼鐵廠在生產(chǎn)40CrAH 圓鋼時(shí)，出現(xiàn)批量表面裂紋缺陷。

本文對(duì)40CrAH圓鋼表面產(chǎn)生的裂紋進(jìn)行了相關(guān)的分析，找出了表面裂紋產(chǎn)生的原因，并提出了相關(guān)的建議。

2 試驗(yàn)分析及結(jié)果

2.1 試樣外觀

如圖1所示，40CrAH鋼表面裂紋沿縱向延伸。

圖1 40CrAH鋼材表面缺陷

2.2 低倍試驗(yàn)

取40CrAH 鋼材低倍試樣，進(jìn)行宏觀觀察，40CrAH低倍組織正常，裂紋位于外弧（低倍試樣的最上方）。

2.3 高倍試驗(yàn)

在低倍試樣裂紋處取金相試樣，經(jīng)研磨、拋光、4%硝酸酒精浸蝕后，置于光學(xué)顯微鏡下觀察。如圖2 a所示，40CrAH鋼裂紋兩側(cè)發(fā)生脫碳；如圖2 b所示，裂紋內(nèi)有細(xì)小顆粒夾雜物。

圖2 裂紋處金相顯微組織100×

2.4 掃描電鏡分析

將金相試樣置于掃描電鏡下，觀察其裂紋情況及非金屬夾雜物情況。圖3 為裂紋兩側(cè)基體的能譜圖，鐵素體能譜圖，這表明40CrAH鋼裂紋兩側(cè)發(fā)生脫碳現(xiàn)象；圖4 為裂紋內(nèi)細(xì)小顆粒的能譜圖，為硅酸鹽能譜圖，這表明40CrAH 鋼裂紋內(nèi)存在小顆粒非金屬夾雜物。

圖3 裂紋兩側(cè)基體能譜圖

圖4 裂紋內(nèi)小顆粒夾雜物能譜圖

3 分析與討論

該批40CrAH鋼經(jīng)剝皮后鋼材試樣的表面缺陷為縱向裂紋，裂紋兩側(cè)為鐵素體和少量珠光體，有脫碳現(xiàn)象。缺陷區(qū)域存在大量小顆粒非金屬氧化夾雜物，是軋制裂紋源。這類(lèi)殘留夾雜物是連鑄坯缺陷產(chǎn)生的。

3.1 裂紋顯微形貌特征

40CrAH 鋼經(jīng)剝皮后鋼材試樣的表面缺陷較深，垂直于鋼材表面，其深度在300～1 200 μm，大多位于連鑄坯表面的激冷層中，且周?chē)撎棘F(xiàn)象明顯。在進(jìn)行軋制之前，鋼材處于高溫的環(huán)境中，脫碳正是在高溫氧化的過(guò)程中產(chǎn)生的，由此可以推斷，表面裂紋在軋制之前就已產(chǎn)生，是由連鑄坯的已存裂紋傳承下來(lái)的。

3.2 裂紋與外來(lái)非金屬夾雜物

通過(guò)試驗(yàn)觀察得知，40CrAH 鋼經(jīng)剝皮后鋼材試樣的表面主裂紋旁邊存在細(xì)小分支裂紋，在主裂紋的末端，可能有外來(lái)夾雜物。由能譜結(jié)果得知，細(xì)小顆粒中SiO2的含量較高，并且檢測(cè)到Na、K 等特征元素，這與保護(hù)渣的特征十分相似。表面裂紋周?chē)嬖诘募?xì)小顆粒，使得40CrAH 鋼基體的連續(xù)性遭到了破壞，因此，另有原因使鋼材在軋制過(guò)程中裂紋不斷延伸和擴(kuò)大。

3.3 鑄坯縱裂的成因

該批連鑄坯為冷裝，冷卻可導(dǎo)致鑄坯表面組織異常，連鑄冷卻產(chǎn)生的組織和應(yīng)力不均勻。鋼材的組織不同，導(dǎo)熱性也不同。在連鑄二冷區(qū)，鋼材的表面的冷卻強(qiáng)度降低，然而其他部位的冷卻強(qiáng)度依然較高，冷卻強(qiáng)度高的部位產(chǎn)生的收縮較大，相對(duì)于冷卻強(qiáng)度低的表面，則會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致粘有黏渣部位的鑄坯處產(chǎn)生縱裂紋。另外，保護(hù)渣黏度不夠，分布不均勻，同時(shí)又被鐵皮覆蓋，因此形成的裂紋較小，不易被發(fā)現(xiàn)。

40CrAH 圓鋼在進(jìn)行軋制時(shí)，由于使用了存有裂紋的連鑄坯，從而產(chǎn)生了表面裂紋。鑄坯表面無(wú)粘渣，因?yàn)檫B鑄坯冷卻與加熱產(chǎn)生的組織與熱應(yīng)力存在于鑄坯表層內(nèi)，破壞鋼材基體的連續(xù)性，并使鋼材在軋制過(guò)程中裂紋不斷延伸和擴(kuò)大。鑄坯表面存有裂紋時(shí)，此裂紋在軋鋼過(guò)程中也可不斷延伸和擴(kuò)大。

4 結(jié)論與建議

4.1 對(duì)40CrAH 圓鋼產(chǎn)生表面縱裂的研究分析可知，造成棒材表面縱裂的原因是由于有粘渣或存有裂紋的鑄坯而形成的。

4.2 為減少40CrAH圓鋼表面縱裂，應(yīng)做好以下工作。選擇合適黏度的保護(hù)渣，保護(hù)渣黏度過(guò)大，會(huì)降低保護(hù)渣的潤(rùn)滑效果，增大鑄坯漏鋼和產(chǎn)生裂紋的可能性，同時(shí)也增加鑄坯表面夾渣的可能性；連鑄坯溫送，采用連鑄坯中溫溫送，入爐溫度400～600 ℃。