20MnB4 冷鐓鋼表面開裂原因分析

文／魯輝·北京新光凱樂汽車冷成型件股份有限公司

在冷鐓生產過程中會經常面臨冷鐓件開裂不良問題，為了從根本上找出開裂原因，本文從20MnB4 材質冷鐓單法蘭管件開裂不良零件入手，首先分析冷鐓各工位件成形工藝，排除冷鐓工藝導致零件開裂的可能性；其次對冷鐓原材料CHQ 盤卷分析，其化學成分、機械拉伸性能指標、冷頂鍛試驗以及金相顯微組織，逐項進行排除；并利用掃描電鏡這一高科技手段分析冷鐓鋼表面開裂處形態、開裂處夾雜物成分組成，最終找出開裂原因。由試驗分析得出，因20MnB4 材料裂紋處基體中存在大顆粒夾雜物Al2O3，破壞了鋼材組織的連續性，降低冷鐓材料塑性，造成冷鐓過程零件沿著夾雜物缺陷形成開裂缺陷。

冷成形工藝是利用金屬在外力作用下產生塑性變形，并借助于模具，使金屬體積作重新分布及轉移，從而形成所需要的零件形狀的一種加工方法。冷成形工藝具有加工速度快、材料損耗低、生產成本低、產品表面粗糙度低(可達Ra6.3μm)、產品精度高等特點。我公司一直專注于各種鋼制或者鋁合金類冷鐓零部件的生產，其產品主要應用于乘用車汽車底盤、安全帶、轉向等方面。由于對產品質量要求高，要求產品零缺陷，對冷成形用原材料CHQ 線材有更高要求，除要求較高的尺寸精度(h9)、圓度、較高的塑性、較低的硬度和良好的表面質量外，還要求原材料具有良好的內在質量，因此分析研究冷鐓鋼盤條夾雜物對開裂的影響具有重要意義。

20MnB4 材料生產工藝流程

我公司使用20MnB4盤條生產汽車用單法蘭管件，其生產、加工工藝流程為：鋼廠鐵水預處理→轉爐冶煉→LF ＋RH 雙聯精煉→大方(325mm×280mm)→開坯(160mm×160mm)→方坯檢查(拋丸、探傷、修磨)→加熱爐加熱-控軋控冷→精整-檢驗→打包入庫→盤卷酸洗→粗拉→球化處理→酸洗→精拉定徑→線材矯直→原材料剪切→料塊整形→6 工位成形→產品清洗→表面烘干→檢測入庫→包裝發貨。

研究方法

在使用20MnB4 盤條生產單法蘭管件時發現，存在個別管件出現開裂的質量缺陷。影響冷鐓鋼冷鐓開裂的原因較多，其機理主要是冷鐓鋼塑性降低、組織連續性和基體連續性受到破壞，具體的影響因素會以不同的方式影響到產品的冷鐓性能，從而造成產品冷鐓開裂。為此，對冷鐓生產單法蘭管件所使用的20MnB4 原材料以及生產工位件(共計6 工位)進行逐一分析，從而推斷產生開裂的階段。

影響冷鐓鋼線材質量的因素主要有化學成分、表面質量、力學拉伸性能、冷頂鍛試驗、顯微組織結構和非金屬夾雜物等幾個方面。選擇同一批次冷鐓后開裂的零件和精制線材進行對比分析，對可能引起零件表面開裂的原因逐一分析研究。

化學成分分析

使用直讀光譜儀對缺陷樣品進行化學成分分析，測量結果見表1。缺陷樣品化學成分實測值符合20MnB4技術標準要求，與歷史生產批次無明顯差異，因此化學成分對開裂的影響可以排除。

表1 化學成分表(wt%)

拉伸性能分析

為滿足冷鐓工藝要求，對冷鐓所使用線材的抗拉強度、斷后伸長率、斷面收縮率等指標做了相關試驗。取缺陷批次冷鐓線材樣棒，采用萬能試驗機對樣棒進行拉伸性能分析，性能結果見表2。拉伸性能數據均符合該材料技術要求，與歷史生產批次無明顯差異，因此強度性能等因素對開裂的影響可以排除。

表2 拉伸性能結果

冷頂鍛試驗分析

對問題批次線材進行取樣(直徑φ26.5mm，高度53mm)，利用頂鍛試驗設備做1/3 頂鍛試驗，試驗后目視檢查表面無開裂現象(圖1)，符合材料技術要求，由此可以得出冷鐓開裂不是表面質量問題所致的結論。

原材料試樣顯微組織分析

截取原材料樣段(圖2)，直徑φ26.5mm，高度15mm。試樣經鑲嵌→磨削→拋光后，再利用3%硝酸酒精腐蝕，最后用LEICA DMi8 金相顯微鏡觀察試樣。試樣中心位置顯微組織見圖3(a)，試樣R/2 處顯微組織，見圖3(b)。試樣顯微組織顯示，組織為球化退火組織，球化級別達到5 級，符合冷鐓鋼原材料技術要求，原材料金相組織正常，排除了因為球化組織不良導致的開裂。

冷成形設備檢查

對冷成形工序中6 個工位的模具和工位件進行準確尺寸測量，均符合圖紙尺寸要求，且與之前的生產批次SPC 數據記錄一致，可以排除冷成形生產過程對缺陷產生的影響。

缺陷件開裂原因分析

⑴金相分析。

取冷成形開裂零件，目視開裂位置在法蘭上，見圖4(a)。用體視顯微鏡觀察零件桿部，發現開裂位置的桿部延長線上存在直線狀微裂紋，見圖4(b)。在桿部延長線截取橫截面試樣進行金相分析，試樣經鑲嵌→磨削→拋光后，用LEICA DMi8 金相顯微鏡觀察試樣，在試樣的裂紋中發現存在大型夾雜物，夾雜物長度達到310μm，見圖5(a)；用3%硝酸酒精對試樣進行腐蝕，觀察試樣顯微組織，顯微組織是球化

退火組織，球化級別達到5 級，見圖5(b)。⑵EDS 能譜分析。

用掃描電鏡對開裂處的夾雜物進行EDS 能譜分析，EDS 能譜分析出夾雜物中含有Al、Mg、O、Ca、Si 等元素，是典型的內生夾雜物，見圖6。

⑶夾雜物來源分析。

鋼中的夾雜物包括內生夾雜物和外來夾雜物兩部分，一般來說內生夾雜物是煉鋼過程中的脫氧產物，夾雜物尺寸較小，在鈣處理后形成高熔點小顆粒CaS和Mg-Al 尖晶石，一般很難形成上述大尺寸的夾雜物，但是此類夾雜物在上浮過程中發生聚集，未來得及去除時易形成大尺寸夾雜物。這類夾雜物一般的特征是外形不規則，尺寸比較大，分布也沒有規律，對鋼材的性能有致命的影響。

結論

⑴20MnB4 材料冷成形開裂零件樣品法蘭處，有目視可見的較大宏觀裂紋，大裂紋在桿部延長線上有微觀開裂。

⑵經過電鏡掃描分析，夾雜物為煉鋼過程中的內生夾雜物聚集而成，軋制后呈長條不規則形式存在于基體內。該類夾雜物會破壞材料組織的連續性和基體的連續性，降低冷鐓鋼的塑性指標。

⑶鋼材中存在大型內生夾雜物的主要原因是煉鋼精煉工序中夾雜物在上浮過程中發生聚集，未來得及去除。

⑷鋼中夾雜物，對產品質量影響尤為關鍵，會破壞鋼基體的連續性，在冷成形時極易形成裂紋源，熱處理時易造成應力集中，產生淬火裂紋。

因此，煉鋼生產過程中，對夾雜物要嚴格控制，可采取擴大中包容量、優化流場，使夾雜物在澆注過程中充分上浮去除。