20Cr MnTi鋼齒輪鍛件表面缺陷產(chǎn)生原因

楊 娥,周 楊,曹 廣,劉月云

(大冶特殊鋼有限公司高品質(zhì)特殊鋼湖北省重點實驗室,黃石 435001)

20Cr Mn Ti鋼是低碳低合金結(jié)構(gòu)鋼,廣泛用于制造軸類、齒輪類零件[1]。齒輪鍛件的生產(chǎn)工藝為:電弧爐冶煉→精煉→真空處理→連鑄成方坯→紅送至連續(xù)爐加熱→連軋成圓棒→精整→鋸切下料→電阻加熱爐加熱→模鍛成毛坯→車削。在對某20Cr Mn Ti鋼齒輪毛坯件車削的過程中,發(fā)現(xiàn)其表面有點狀缺陷,同時仔細檢查未車削的毛坯,發(fā)現(xiàn)其表面也有類似的點狀缺陷。筆者采用宏觀觀察、化學成分分析、掃描電鏡(SEM)和能譜分析、金相檢驗等方法分析點狀缺陷的產(chǎn)生原因,以防止該類問題再次發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

車削后的表面可見明顯點狀缺陷,缺陷近似圓形,缺陷與基體邊界明顯;未車削表面的缺陷與基體顏色有明顯差異,但無明顯界限,缺陷形態(tài)也近似圓形,表面點缺陷宏觀形貌如圖1所示。

圖1 表面點缺陷宏觀形貌

1.2 化學成分分析

切取試塊,檢測20Cr Mn Ti鋼齒輪的化學成分,結(jié)果如表1 所示,由表1 可知:其化學成分符合GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》的要求。

表1 20Cr MnTi鋼齒輪的化學成分分析結(jié)果 %

1.3 掃描電鏡與能譜分析

在缺陷部位切取試樣,將試樣進行超聲波清洗后置于掃描電鏡下觀察。車削后毛坯表面的缺陷與基體有明顯分界線,但邊界不規(guī)則,基體呈白亮色,缺陷內(nèi)可見黑灰色異物(見圖2)。未車削毛坯的缺陷與基體分界線不明顯,基體為淺灰色,缺陷與基體交界部位呈現(xiàn)黑灰色,缺陷中間由于電荷積累而呈現(xiàn)白亮色(見圖3)。將缺陷部位進一步放大,無論毛坯表面是否車削,缺陷部位顯微組織形貌特征一致。黑灰色物質(zhì)主要有兩種深色顆粒,采用能譜儀對其成分進行分析,兩種深色顆粒主要成分分別為氧化鋁、鋁硅氧化物(見圖4)。

圖2 車削后齒輪毛坯表面缺陷SEM 形貌

圖3 車削前齒輪毛坯表面缺陷SEM 形貌

圖4 缺陷處異物SEM 形貌及能譜分析結(jié)果

為進一步驗證缺陷的來源,對電阻加熱爐進行檢查,發(fā)現(xiàn)大量剝落的耐火材料顆粒,隨機選取部分顆粒,將這些顆粒進行冷鑲嵌、研磨、拋光、表面噴碳處理,再置于掃描電鏡下觀察,可見不同顏色的顆粒,分別為氧化鋁、鋁硅氧化物(見圖5)。

圖5 耐火材料顆粒SEM 形貌及能譜圖

沿缺陷邊緣剖開制備試樣,研磨、拋光缺陷截面,將試樣置于掃描電鏡下觀察,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知:缺陷呈“U”形凹坑狀,凹坑與基體邊緣可見明顯的分界線;基體邊緣有薄層氧化鐵,未見顆粒狀夾雜物;凹坑內(nèi)可見淺灰色氧化鐵及深灰色、黑色的顆粒物;經(jīng)能譜儀分析,深灰色及黑色顆粒物成分與表面觀察到的顆粒物成分一致。

圖6 缺陷邊緣SEM 形貌

1.4 金相檢驗

用硝酸乙醇溶液將試樣腐蝕后,置于光學顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知:凹坑邊緣靠近基體一側(cè)可見脫碳現(xiàn)象,組織為鐵素體和珠光體。

圖7 缺陷邊緣顯微組織形貌

2 綜合分析

該20Cr Mn Ti鋼齒輪的化學成分符合標準要求。齒輪毛坯表面缺陷近似圓形,在工件的表面上隨機分布,表面車削加工后缺陷的形貌特征更明顯。工件的生產(chǎn)工藝流程可歸納為冶煉、連鑄、連軋、鍛造等幾個環(huán)節(jié)。由于連軋為鋼材單向延伸的過程,因此在連軋工序之前形成的缺陷在鋼棒上會呈現(xiàn)明顯的方向性。隨著軋制壓下量的逐漸增加,軋制變形量增大,軋制變形區(qū)的長度會延長,從而軋制壓力會增大,導(dǎo)致夾雜物的長寬比增加,夾雜物在軋制厚度方向上會逐漸收縮,夾雜物變形量增大,并沿軋制方向延伸[2-3]。同時,隨著軋制壓下量的增加,鋼中強度較低的夾雜物會因為軋制壓力的不斷增加而發(fā)生破碎,原夾雜物位置的部分區(qū)域甚至會出現(xiàn)孔洞[4-5]。缺陷幾乎未發(fā)生軋制變形,可判斷該缺陷產(chǎn)生于軋制變形之后,即形成于鍛造過程中。

結(jié)合車削前后齒輪表面缺陷的掃描電鏡及能譜分析結(jié)果可知,車削前后工件缺陷的性質(zhì)一致,缺陷部位異物成分均主要為氧化鋁及鋁硅氧化物,而經(jīng)過車削后的基體與缺陷部位的差異更明顯,排除了車削過程中缺陷產(chǎn)生的可能性[6]。

凹坑內(nèi)的缺陷邊緣存在一層淺灰色氧化產(chǎn)物,氧化產(chǎn)物將缺陷及基體分隔開,且氧化產(chǎn)物與基體分界線較為明顯,而凹坑邊緣的基體有輕微變形痕跡,附近區(qū)域未見明顯的變形流線,說明凹坑內(nèi)缺陷并非冶煉過程中形成的非金屬夾雜物,也非軋制過程中的異物壓入所致,而是鍛造過程中將外來異物壓入工件表面所形成的[7]。

對電阻加熱爐內(nèi)耐火材料的分析證實了異物的來源。由能譜分析結(jié)果可知,異物成分主要為Al6Si2O13(莫來石),這與毛坯表面發(fā)現(xiàn)缺陷的成分一致,表明該缺陷源于電阻加熱爐內(nèi)的耐火材料[8]。在實際生產(chǎn)中,電阻加熱爐內(nèi)發(fā)生開裂、脫落,脫落的耐火材料與爐內(nèi)的鋼材產(chǎn)生摩擦,摩擦過程中會有部分破碎、顆粒狀的耐火材料黏附在鋼材表面,在后續(xù)鍛打過程中,破碎、顆粒狀的耐火材料被壓入工件表面,從而導(dǎo)致工件表面產(chǎn)生缺陷。

3 結(jié)論及建議

(1)齒輪表面產(chǎn)生缺陷的原因為電阻加熱爐內(nèi)耐火材料破碎、剝落,并黏附在鋼材表面,鍛造過程中將其壓入工件表面。

(2)建議定期檢查、維護電阻加熱爐的爐膛,清理破碎的耐火材料顆粒,防止該類缺陷產(chǎn)生。