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鋼材的原料疏松和偏析造成裂紋失效

我公司用從某廠采購的連鑄坯料生產(chǎn)了一批42CrMo尾端件,調(diào)質(zhì)后大部分尾端件在端部出現(xiàn)了環(huán)狀裂紋,針對此情況我們將尾端件解剖進行綜合分析,分析其產(chǎn)生的原因,提出改進措施。


1. 低倍分析
用材質(zhì)為42CrMo的連鑄坯生產(chǎn)的尾端件,在調(diào)質(zhì)后端部出現(xiàn)了環(huán)狀裂紋,在連鑄坯余料、鍛造余料、調(diào)質(zhì)后的尾端件端部各取一塊試片進行低倍檢驗,低倍照片如圖1所示。從低倍結(jié)果可以看出,三個不同階段均存在明顯的疏松和偏析,連鑄坯的缺陷比較嚴重,經(jīng)鍛造后改善不大,調(diào)質(zhì)后環(huán)形裂紋出現(xiàn)的位置與偏析部位重合,由此可以看出,淬火裂紋產(chǎn)生的原因是由于原材料中存在的偏析缺陷造成的。淬火過程中組織轉(zhuǎn)變時,由于偏析而產(chǎn)生不同的組織轉(zhuǎn)變或轉(zhuǎn)變時間不同,不同組織的膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生組織內(nèi)應(yīng)力,因此導致在偏析嚴重處產(chǎn)生淬火裂紋。

圖1  坯料低倍酸洗后照片


2. 化學成分分析
表1、表2分別為連鑄坯和調(diào)質(zhì)后成品的化學成分結(jié)果,在連鑄坯和成品工件中,C含量差別較大,偏析嚴重,C元素在工件內(nèi)不均勻分布,也增加了淬火熱裂紋產(chǎn)生的可能。

表1  連鑄坯化學成分(質(zhì)量分數(shù))  (%)

表2  鍛坯調(diào)質(zhì)后成品化學成分(質(zhì)量分數(shù))  (%)


3. 金相檢驗
在鍛坯調(diào)質(zhì)后的低倍試片上表面、1/2R、心部三個位置取樣進行金相檢驗,金相圖片如圖2~圖4所示,工件從表面到中心硫化物均非常嚴重,表面和1/2R處組織均為貝氏體和回火索氏體,心部為粗大貝氏體,說明裂紋并非由于組織不同而產(chǎn)生組織應(yīng)力導致裂紋產(chǎn)生,大量硫化物的存在可能成為淬火裂紋產(chǎn)生時的裂紋源,從而導致淬火裂紋的產(chǎn)生。

圖2  鍛坯表面硫化物夾雜及顯微組織


圖3  鍛坯1/2R處硫化物夾雜及顯微組織


圖4  鍛坯心部硫化物夾雜及顯微組織


4. 結(jié)語
(1)表面、1/2R和心部成分偏差較大,尤其是碳的偏析,1/2R處復驗C含量超出了標準要求的0.45%上限。

(2)裂紋產(chǎn)生的主要原因為原材料缺陷:疏松、偏析和夾雜物等,后續(xù)鍛造過程對其改善不明顯;裂紋產(chǎn)生的誘發(fā)原因為淬火冷卻,在淬火冷卻的過程中,由于C含量不均和其他偏析所造成的組織轉(zhuǎn)變量和轉(zhuǎn)變時間的不同而產(chǎn)生了極大的組織內(nèi)應(yīng)力,從而導致淬火裂紋。

(3)外表面和1/2R處的組織為貝氏體+回火索氏體,心部主要為粗大的貝氏體。心部粗大的貝氏體是由于工件心部冶金雜質(zhì)較多而導致的組織形態(tài)不同。

(4)建議在以后的生產(chǎn)中,需對原材料進行嚴格控制,降低原料中的冶金缺陷,加強原料的成分和低倍檢驗,鍛造后增加成分、金相和低倍的檢驗;在熱處理過程中,需謹慎選擇淬火工藝和冷卻介質(zhì),降低產(chǎn)生淬火裂紋的風險。

(5)建議通過控制連鑄機設(shè)備精度,降低二次冷卻強度、中間包鋼液澆注溫度和拉速,提高結(jié)晶器電磁攪拌強度,優(yōu)化42CrMo化學成分控制范圍,可以有效地改善連鑄坯的質(zhì)量。

(6)建議通過大鍛比鍛造的方式改善連鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量,在圓坯料拔長時,先打四方后再打八方,最后滾圓,每次壓下量要大于20%,從而將內(nèi)部缺陷鍛合或縮小。

作者:胡志光,王剛

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